CN106756302A - 一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属金属材料领域,涉及一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料及其制备方法。本发明解决了活塞头部在高温工况下强度不足易开裂的问题。该材料由基体和增强相组成,基体合金各组分(wt.%)为硅11.0~16.0%,镍3.0~5.0%,铜2.0~4.0%,镁0.5~2.0%,钛0.5~1.5%,其余为铝;增强相为原位反应生成的Al2O3颗粒。其制备方法包括以下步骤:按质量百分比称取原料;在750‑900℃熔炼工业纯铝、结晶硅、铜、镍、镁和钛;以20℃/min给上述材料降温至540~600℃,缓慢添加球磨预热200℃的(Al+B2O3)粉末;活塞毛坯采用高压低速金属型铸造或挤压铸造成型;对浇铸毛坯进行T6热处理。本发明在常温常压下,采用普通铝合金熔炼设备即可进行生产,工艺简便并且成本低。

Description

一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属金属材料领域,涉及一种活塞高温耐磨高强原位Al2〇3颗粒增强铝合金复 合材料及其制备方法。
背景技术
[0002] 活塞作为汽车发动机的“心脏”,主要受交变的机械负荷和热负荷作用,是发动机 中工作条件最恶劣的关键零部件之一,提高活塞合金的物理和机械性能已成为大势所趋, 而针对活塞零件整体不同的工况要求,尤其顶部300°C〜400°C的工作环境,对活塞材料的设 计和铸造工艺就有了新的发展需要。Al-Si系合金,是一种可热处理强化的合金,密度小、质 量轻、热传导性好、热膨胀系数小,并具有足够的高温强度、耐磨和耐蚀性能、尺寸稳定性好 等优良特性,Al-12Si合金主要是指含Si含量在11%〜13%的Al-Si系合金,具有容易制造、成 本低廉的特点,国内目前主要的Al-12Si合金牌号为ZL108和ZL109。综上所述,制备活塞的 材料就需要较高的机械强度和较高的耐高温强度。
发明内容
[0003] 本发明属金属材料领域,涉及一种活塞高温耐磨高强原位Al2〇3颗粒增强铝合金复 合材料及其制备方法。本发明解决了活塞头部在高温工况下强度不足易开裂的问题。
[0004] 本发明是通过以下方式实现的: 一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料,由基体和增强相组成,基体合金包括硅、镍、 铜、镁、钛、招兀素,其特征是基体合金各组分的质量百分比(wt.%)为桂11 .(K16.0%,镇3.0〜 5.0%,铜2 • 0〜4.0%,镁0 • 5~2 • 0%,钛0 • 5〜1 • 5%,其余为铝;增强相为原位反应生成的A1203颗 粒。
[0005] —种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料的制备方法,其特征包括以下步骤: ⑴按质量百分比称取原料,工业结晶硅11.0〜16.0%,镍3.0〜5.0%,铜2.0〜4.0%,镁0.5〜 2.0%,钛0.5〜1.5%,其余为铝; ⑵混粉,以300r/min球磨(A1+B203)粉末,球磨完的粉末预热200°C,3h; (3) 在熔炼炉中将工业纯铝、结晶硅、铜、镍、镁和钛在750°C-900°C熔炼制备成铝合金 基体; (4) 以20°C/min给基体材料降温至540°C〜600°C半固态区间,缓慢添加球磨预热2〇〇°C 的(Al+B2〇3)粉末,以40°C/min升温至90(TC,保温lh; (5) 采用高压低速金属型铸造或挤压铸造浇注活塞毛坯,浇注温度为720。(:〜760; (6) 对浇铸毛坯进行T6热处理、机加工及表面处理,得到成品。本发明步骤(1)的原料 均为市场销售的产品。
[0006L上述一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料及其制备方法,其特征主要是步骤 ⑵,采用500目A1粉和500目的出03粉末,按不同的体积比例混合,以300r/min球磨。
[0007]上述一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料及其制备方法,其特征主要是步骤 ⑷,控制半固态区间在540°C〜600°C,在机械搅拌的状态下缓慢添加球磨预热20(TC的(A1+ B2〇3)粉末,之后以40°C/min升温至900°C,保温lh; 上述一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料及其制备方法,其特征主要是步骤(6),T6 热处理工艺参数:固溶520± 10°C,60〜100°C水淬;时效180± 10°C,空冷。
[0008] 本发明的特点是增强相采用Ah〇3颗粒,增强粒子通过在铝熔体中缓慢添加球磨预 热200°C的(Al+Bs〇3)粉末原位反应生成,粒子表面无污染,与基体合金润湿性好,粒子偏聚 倾向小,而且热稳定性高。生成的亚微米Ah〇3粒子不仅能够变质和细化Al-Si活塞合金中的 初晶硅,而且能够强化铝合金基体。本发明在常温常压下,采用普通铝合金熔炼设备下即可 以进行生产,工艺简便,设备投资少,生产成本低。
[0009]由于通过Al2〇3颗粒进行了变质处理,该材料的室温性能好,其室温强度为300〜 340MPa<)Al2〇3增强粒子熔点高,热稳定性好,从而具有优异的高温性能,其邪代时的高温强 度超过lOOMPa,远大于常规活塞合金的高温强度(75-90MPa)。同时该复合材料体积稳定性 好,在350°C保温6小时(体积稳定性试验标准)的尺寸变化率为〇.〇k〇• 〇2%。另外,用该复合 材料制备的活塞在其工作表面AI2O3颗粒处易形成微孔,可储存润滑油,从而能够提高材料 的耐磨性能,能够显著提高活塞的使用寿命,尤其适用于大功率柴油机活塞的制造。
具体实施方式
[0010]本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式,还包括各具体实施方式间的 任意组合。下面本发明最佳的2个实施例。
[0011] 实施方式1: 本发明的高温耐磨高强活塞铝合金复合材料是按以下步骤制备的: ⑴按质量百分比称取原料,工业结晶鞋12%,镍4 • 〇%,铜3 • 0%,镁1 • 〇%,钛1. 〇%,其余为 错; ⑵混粉,以300r/min球磨(Al+B2〇3)粉末,颗粒粒径1〇〇目,体积分数(vol.%) 5%,球磨 完的粉末预热200°C,3h; (3)在熔炼炉中将工业纯铝、结晶硅、铜、镍、镁和钛在800。(:熔炼制备成铝合金基体; ⑷以2(TC/min给基体材料降温至580。(:半固态区间,缓慢添加球磨预热^◦。◦的(A1+ B2O3)粉末,以4(TC/min升温至90(TC,保温lh; (5) 采用高压低速金属型铸造或挤压铸造浇注活塞毛坯,浇注温度为74(rc ; (6) 对浇铸毛坯进行T6热处理、机加工及表面处理,得到成品。
[0012]、按照上述配比得到一种最佳成分的原位八丨必3铝基复合材料,其化学成分(质量百 分比)为:硅12,铜3,镍4,镁1,钛〖,其余为铝。该复合材料的硬度和强度明显高于现有活塞 铝合金,尤其高温强度,比常用活塞铝合金提高1〇%以上。
[0013]实施方式2: 本发明的高温耐磨高强活塞铝合金复合材料是按以下步骤制备的: (1)按质量百分比称取原料,工业结晶硅丨3%,镍3 • 0%,铜4 • 〇%,镁2 • 〇%,钛丨• 〇%,其余为 铝; /、 ⑵混粉’以3〇Or/min球磨(ai+B2〇3)粉末,颗粒粒径5〇〇目,体积分数(v〇1. %) 3%,球磨 完的粉末预热200 °C,3h; (3) 在溶炼炉中将工业纯错、结晶硅、铜、镍、镁和钛在760 r熔炼制备成铝合金基体; (4) 以2〇°C/min给基体材料降温至6〇r半固态区间,缓慢添加球磨预热2〇〇r的(M+ B203)粉末,以4(TC/min升温至90(TC,保温lh; (5) 采用高压低速金属型铸造或挤压铸造浇注活塞毛坯,浇注温度为72〇 〇c ; ⑹对浇铸毛坯进行T6热处理、机加工及表面处理,得到成品。
[0014]按照上述配比得到一种最佳成分的原位Al2〇3铝基复合材料,其化学成分(质量百 分比)为:娃13,铜4,镍3,镁2,钛1,其余为错。该复合材料的硬度和强度明显高于现有活塞 铝合金,尤其高温强度,比常用活塞铝合金提高12%以上。

Claims (5)

1. 二种高温耐磨尚强活塞铝合金复合材料,由基体和增强相组成,基体合金包括硅、 镇、铜、镁、钦、In兀素,其特征是基体合金各组分的质量百分比(wt_%)为娃n .〇〜16.0%,镍 3_0〜5_0%,铜2_0〜4.0%,镁0.5〜2.0%,钛〇_5〜1.5%,其余为铝;增强相为原位反应生成的Al2〇3 颗粒。
2. 根据权利要求1所述的一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料的制备方法,宜特征 包括以下步骤: ⑴按质量百分比称取原料,工业结晶娃11.0〜16.0%,镍3_0〜5.0%,铜2.0〜4_〇%,镁0.5〜 2.0%,钛0.5〜1.5%,其余为铝; ‘ ⑵混粉,以300r/min球磨(AI+B2O3)粉末,球磨完的粉末预热200°C,3h; (3)在熔炼炉中将工业纯铝、结晶硅、铜、镍、镁和钛在75〇-C-900。(:熔炼制备成铝合金 基体; ⑷以20 °C /min给基体材料降温至540 °C〜600。(:半固态区间,缓慢添加球磨预热200 °C 的(A1+B203)粉末,以40°C/min升温至90(TC,保温lh; (5)采用高压低速金属型铸造或挤压铸造浇注活塞毛还,饶注温度为720°C〜760。(:; ⑹对浇铸毛坯进行T6热处理、机加工及表面处理,得到成品。
3. 根据权利要求2所述一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料及其制备方法,其特征 主要是步骤(2),采用500目A1粉和5〇〇目的B2〇3粉末,按不同的体积比例混合,以300r/min球 磨。
4. 根据权利要求2和3所述一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料及其制备方法,其特 征主要是步骤(4),控制半固态区间在540°C~600°C,在机械搅拌的状态下缓慢添加球磨预 热200°C的(Al+B2〇3)粉末,之后以40°C/min升温至900°C,保温lh。
5. 根据权利要求2和3所述一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料及其制备方法,其特 征主要是步骤⑹,T6热处理工艺参数:固溶520 ± 10 °C,60〜100 °C水淬;时效180 ± 1 〇 X:,空 冷。
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