CN109108297A - 一种汽车转向动力缸活塞 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种活塞，具体涉及一种汽车转向动力缸活塞，属于汽车零部件领域。本发明汽车转向动力缸活塞由合金钢材料制得，所述合金钢材料由如下质量百分数的组分组成：C：0.1‑0.2％，Si：0.5‑0.62％，Ti：0.25‑0.32％Cr：6.5‑8.0％，Mo：2.2‑2.4％，P：≤0.05％，微米铝粉：0.1‑0.8％，微纳石墨烯片：0.2‑0.65％，余量为Fe。本发明在石墨模具中添加Bi元素，Bi元素在整个过程中不但起润滑作用，还起稳定剂的作用，优化摩擦界面，减少脆性相石墨的剥落，提高复合材料的润滑、抗磨损性能。
Description
发明领域
本发明涉及一种活塞，具体涉及一种汽车转向动力缸活塞，属于汽车零部件领域。
背景技术
汽车行驶过程中，可能造成前轮胎气体漏气引起左右前轮轮胎气压的不同。可见轮胎气压不同影响轮胎的侧偏性能，进而影响汽车操纵稳定性。汽车左右前轮胎气压不同，其轮胎的滚动半径不同，在车辆直线行驶过程中，由于左右轮胎滚动半径不同，在车辆未打转向时，车辆始终向滚动半径小的方向跑偏，车辆不是按照直线行驶，造成驾驶员在行驶过程中不断地修正方向盘来控制车辆的行驶。
汽车转向动力缸是将液压或气压能转变为机械能的、做直线往复运动(或摆动运动)的执行元件。而转向动力缸则是动力转向系统中重要的组成部位。该系统主要是用以将发动机输出的部分机械能转化为压力能(液压能或气压能)，并在驾驶员控制下，对转向传动装置或转向器中某一传动件施加不同方向的液压或气压作用力，以减轻驾驶员的转向操纵力，本发明的活塞用于汽车转向缸。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述问题，提出了一种高精度、高硬度、高密度的汽车转向动力缸活塞。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：一种汽车转向动力缸活塞，所述汽车转向动力缸活塞由合金钢材料制得，所述合金钢材料由如下质量百分数的组分组成：C：0.1-0.2％，Si：0.5-0.62％，Ti：0.25-0.32％Cr：6.5-8.0％，Mo：2.2-2.4％，P：≤0.05％，微米铝粉：0.1-0.8％，微纳石墨烯片：0.2-0.65％，余量为Fe。
本发明在汽车转向动力缸活塞中添加上述金属元素，其中铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。而钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。结构钢中加入钼，能提高机械性能，还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在合金钢中加入Ti，能提高固溶强化作用及淬透性，同时细化铁素体晶粒，在强度相同的情况下，提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性，能强化铁素体并细化和增多珠光体，从而提高合金钢的强度。同时，能够提高钢的疲劳抗力，减小合金钢对缺口的敏感性。
在本发明汽车转向动力缸活塞中，所述Cr元素和Mo元素预先经过十六烷基氨基酸纤维软化处理。本发明对上述金属元素进行软化处理，其中Cr元素和Mo元素由于硬度太高，在粉末冶金过程中，将其与剩余的元素混合后会导致压制成型的坯件均匀度较低，而在其他专利文献中并不涉及对元素的软化过程，因此本发明创造性的对金属元素进行软化处理，能够保证制得的活塞制件均匀，密度较高。
在上述一种汽车转向动力缸活塞中，所述微米铝粉的粒径为5-10μm。Al元素在合金钢中存在时，具有如下作用：作为炼钢时的脱氧剂，并且细化晶粒；作为合金元素加入钢中，可提高钢的抗氧化性，改善钢的电磁性能，提高渗氮钢的耐磨性和疲劳强度等；铝还可提高钢在氧化性酸中的耐蚀性。而本发明在汽车转向动力缸活塞中加入上述粒径的微米铝粉，其中铝在空气环境下极易氧化而在表面覆盖一层非晶态的Al2O3薄膜，能够阻止铝粉的进一步氧化，而微米铝粉有别于纳米铝粉，微米铝粉在900℃之前重量不会变化，但是纳米铝粉在550℃就会开始氧化，因此为了防止加入的铝粉过早氧化，本发明加入的为微米铝粉。
在上述一种汽车转向动力缸活塞中，所述微纳石墨烯片的大小为(10-12)mm*(3-5)mm。石墨烯合金钢复合材料的晶粒比普通合金钢更均匀细小，微纳石墨烯片分布在晶界上阻碍了晶粒的长大，从而得到了均匀细化的晶粒。加入微纳石墨烯片细化合金钢复合材料的晶粒，产生高位错密度和晶格畸变使其纳米硬度和弹性模量提高，微纳石墨烯片对可动位错有钉扎作用从而显著提高了合金钢的抗蠕变性能，断裂方式为典型韧窝断裂，韧窝和撕裂棱均匀细小，撕裂的表面可以清晰地看到均匀分布的微纳石墨烯片，石墨烯微纳片的自润滑性提高了合金钢的耐摩擦性能，且随着微纳石墨烯片含量增加，合金钢复合材料的摩擦因数降低。
本发明的另一个目的在于提供一种上述汽车转向动力缸活塞的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：
混粉：称取合金钢的材料进行球磨成混粉；
成型：将混粉进行单向压制成型并保压成坯件；
烧结：将保压后的坯件放入石墨模具中进行烧结得汽车转向动力缸活塞半成品；
机加工：将汽车转向动力缸活塞半成品进行机加工后滚光制得汽车转向动力缸活塞成品。
在上述一种汽车转向动力缸活塞的制备方法中，球磨过程中的球磨机的转速为320-340r/min，球料比为(4-5):1，球磨时间为4-5h，球磨方式为间歇式球磨。
在上述一种汽车转向动力缸活塞的制备方法中，所述微米铝粉为经过预处理的微米铝粉，所述预处理方法包括如下步骤：在氧气环境中以20-25℃·min-1的升温速率对微米铝粉缓慢加热至650-700℃。为增加壳核结构微米铝粉的抗氧化性能，实现微米铝粉的增强，对微米铝粉进行预处理，微米铝粉处理后，微米铝粉的氧化铝壳从无定形态变为γ态，致密性增加，同时，微米铝粉的氧化铝壳厚度增加到原始厚度的3.3～5.9倍。在保持微米铝粉高活性的条件下，氧化铝壳的相变和增厚使得微米铝粉在低于1350℃的缓慢加热过程中不被氧化性环境氧化，仍保持较高活性，抗氧化性能大幅提高，微米铝粉的缓慢氧化反应机理从阶段性增重的破壳反应机理转变为氧化铝壳增强后的氧化反应抑制机理。
在上述一种汽车转向动力缸活塞的制备方法中，所述单向压制成型的压力为180-200MPa，速率为3-5mm/min，保压时间为60-70s。
在上述一种汽车转向动力缸活塞的制备方法中，所述烧结步骤在真空热压烧结炉中进行，所述烧结包括如下步骤：按照10-12℃/min的速率，从室温将温度升到800-820℃，保温30-32min，然后以5-7℃/min温升到1380-1400℃，保压32-34MPa，保压时间为40-42min，之后继续保温30-32min。本发明采用上述烧结方式，能够使烧结过程中的坯件密度更均匀，其中采用梯度烧结是为了使转向动力缸活塞具有相应的硬度和强度，而温度和时间则是本发明的特定参数，在上述参数下进行烧结才能使得到的转向动力缸活塞强度高。
在上述一种汽车转向动力缸活塞的制备方法中，所述石墨模具由如下重量份数的成分组成：石墨60-80份，石墨烯：5-10份。本发明还在石墨模具中添加了石墨烯，石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按照六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定。且石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。因此本发明在石墨模具中加入石墨烯，能增强制得的石墨模具的机械性能，从而达到本发明目的。
作为优选，所述石墨模具表面涂覆有Bi涂层，所述Bi涂层的厚度为2-5nm。本发明还在石墨模具中添加Bi元素，其中石墨和Bi元素都是作为固体润滑剂，在较大的正向载荷的作用下被压平，成为固体润滑层，固体润滑层在切向摩擦力的作用下不断铺展长大，并逐渐覆盖于整个摩擦副接触表面，形成连续完整复合固体润滑膜。Bi元素在整个过程中不但起润滑作用，还起稳定剂的作用，优化摩擦界面，减少脆性相石墨的剥落，提高合金钢的润滑、抗磨损性能。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明对金属元素进行软化处理，能够保证制得的活塞制件均匀，密度较高；
2、本发明在石墨模具中添加Bi元素，Bi元素在整个过程中不但起润滑作用，还起稳定剂的作用，优化摩擦界面，减少脆性相石墨的剥落，提高复合材料的润滑、抗磨损性能。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
混粉：称取合金钢的材料进行球磨成混粉；其中，所述合金钢材料由如下质量百分数的组分组成：C：0.1％，Si：0.5％，Ti：0.25％，Cr：6.5％，Mo：2.2％，P：0.01％，微米铝粉：0.1％，微纳石墨烯片：0.2％，余量为Fe，其中，所述Cr元素和Mo元素预先经过十六烷基氨基酸纤维软化处理，所述微米铝粉的粒径为5μm，所述微纳石墨烯片的大小为10mm*3mm；所述球磨机的转速为320r/min，球料比为4:1，球磨时间为4h，球磨方式为间歇式球磨；所述微米铝粉为经过预处理的微米铝粉，所述预处理方法包括如下步骤：在氧气环境中以以20℃·min-1的升温速率对微米铝粉缓慢加热至650℃；
成型：将混粉进行单向压制成型并保压成坯件；所述单向压制成型的压力为180MPa，速率为3mm/min，保压时间为60s；
烧结：将保压后的坯件放入石墨模具中进行烧结得汽车转向动力缸活塞半成品；所述烧结步骤在真空热压烧结炉中进行，所述烧结包括如下步骤：按照10℃/min的速率，从室温将温度升到800℃，保温30min，然后以5℃/min温升到1380℃，保压32MPa，保压时间为40min，之后继续保温30min；所述石墨模具由如下重量份数的成分组成：石墨60份，石墨烯：5份，所述石墨模具表面涂覆有Bi涂层，所述Bi涂层的厚度为2nm；
机加工：将汽车转向动力缸活塞半成品进行机加工后滚光制得汽车转向动力缸活塞成品。
实施例2
混粉：称取合金钢的材料进行球磨成混粉；其中，所述合金钢材料由如下质量百分数的组分组成：C：0.12％，Si：0.52％，Ti：0.27％Cr：6.7％，Mo：2.25％，P：0.02％，微米铝粉：0.3％，微纳石墨烯片：0.3％，余量为Fe，其中，所述Cr元素和Mo元素预先经过十六烷基氨基酸纤维软化处理，所述微米铝粉的粒径为6μm，所述微纳石墨烯片的大小为10.5mm*3.5mm；所述球磨机的转速为325r/min，球料比为4.2:1，球磨时间为4.2h，球磨方式为间歇式球磨；所述微米铝粉为经过预处理的微米铝粉，所述预处理方法包括如下步骤：在氧气环境中以以21℃·min-1的升温速率对微米铝粉缓慢加热至660℃；
成型：将混粉进行单向压制成型并保压成坯件；所述单向压制成型的压力为185MPa，速率为3.5mm/min，保压时间为62s；
烧结：将保压后的坯件放入石墨模具中进行烧结得汽车转向动力缸活塞半成品；所述烧结步骤在真空热压烧结炉中进行，所述烧结包括如下步骤：按照10.5℃/min的速率，从室温将温度升到805℃，保温30.5min，然后以5.5℃/min温升到1385℃，保压32.5MPa，保压时间为40.5min，之后继续保温30.5min；所述石墨模具由如下重量份数的成分组成：石墨65份，石墨烯：6份，所述石墨模具表面涂覆有Bi涂层，所述Bi涂层的厚度为3nm；
机加工：将汽车转向动力缸活塞半成品进行机加工后滚光制得汽车转向动力缸活塞成品。
实施例3
混粉：称取合金钢的材料进行球磨成混粉；其中，所述合金钢材料由如下质量百分数的组分组成：C：0.15％，Si：0.57％，Ti：0.29％Cr：7.2％，Mo：2.3％，P：0.02％，微米铝粉：0.4％，微纳石墨烯片：04％，余量为Fe，其中，所述Cr元素和Mo元素预先经过十六烷基氨基酸纤维软化处理，所述微米铝粉的粒径为8μm，所述微纳石墨烯片的大小为11mm*4mm；所述球磨机的转速为330r/min，球料比为4.5:1，球磨时间为4.5h，球磨方式为间歇式球磨；所述微米铝粉为经过预处理的微米铝粉，所述预处理方法包括如下步骤：在氧气环境中以以22℃·min-1的升温速率对微米铝粉缓慢加热至675℃；
成型：将混粉进行单向压制成型并保压成坯件；所述单向压制成型的压力为190MPa，速率为4mm/min，保压时间为65s；
烧结：将保压后的坯件放入石墨模具中进行烧结得汽车转向动力缸活塞半成品；所述烧结步骤在真空热压烧结炉中进行，所述烧结包括如下步骤：按照11℃/min的速率，从室温将温度升到810℃，保温31min，然后以6℃/min温升到1390℃，保压33MPa，保压时间为41min，之后继续保温31min；所述石墨模具由如下重量份数的成分组成：石墨70份，石墨烯：8份，所述石墨模具表面涂覆有Bi涂层，所述Bi涂层的厚度为3.5nm；
机加工：将汽车转向动力缸活塞半成品进行机加工后滚光制得汽车转向动力缸活塞成品。
实施例4
混粉：称取合金钢的材料进行球磨成混粉；其中，所述合金钢材料由如下质量百分数的组分组成：C：0.18％，Si：0.6％，Ti：0.3％Cr：7.5％，Mo：2.35％，P：0.01％，微米铝粉：0.6％，微纳石墨烯片：0.56％，余量为Fe，其中，所述Cr元素和Mo元素预先经过十六烷基氨基酸纤维软化处理，所述微米铝粉的粒径为8μm，所述微纳石墨烯片的大小为11.5mm*4.5mm；所述球磨机的转速为335r/min，球料比为4.8:1，球磨时间为4.8h，球磨方式为间歇式球磨；所述微米铝粉为经过预处理的微米铝粉，所述预处理方法包括如下步骤：在氧气环境中以以24℃·min-1的升温速率对微米铝粉缓慢加热至680℃；
成型：将混粉进行单向压制成型并保压成坯件；所述单向压制成型的压力为195MPa，速率为4.5mm/min，保压时间为68s；
烧结：将保压后的坯件放入石墨模具中进行烧结得汽车转向动力缸活塞半成品；所述烧结步骤在真空热压烧结炉中进行，所述烧结包括如下步骤：按照11.5℃/min的速率，从室温将温度升到815℃，保温31.5min，然后以6.5℃/min温升到1395℃，保压33.5MPa，保压时间为41.5min，之后继续保温31.5min；所述石墨模具由如下重量份数的成分组成：石墨75份，石墨烯：9份，所述石墨模具表面涂覆有Bi涂层，所述Bi涂层的厚度为4nm；
机加工：将汽车转向动力缸活塞半成品进行机加工后滚光制得汽车转向动力缸活塞成品。
实施例5
混粉：称取合金钢的材料进行球磨成混粉；其中，所述合金钢材料由如下质量百分数的组分组成：C：0.2％，Si：0.62％，Ti：0.32％Cr：8.0％，Mo：2.4％，P：0.02％，微米铝粉：0.8％，微纳石墨烯片：0.65％，余量为Fe，其中，所述Cr元素和Mo元素预先经过十六烷基氨基酸纤维软化处理，所述微米铝粉的粒径为10μm，所述微纳石墨烯片的大小为12mm*5mm；所述球磨机的转速为340r/min，球料比为5:1，球磨时间为5h，球磨方式为间歇式球磨；所述微米铝粉为经过预处理的微米铝粉，所述预处理方法包括如下步骤：在氧气环境中以以25℃·min-1的升温速率对微米铝粉缓慢加热至700℃；
成型：将混粉进行单向压制成型并保压成坯件；所述单向压制成型的压力为200MPa，速率为5mm/min，保压时间为70s；
烧结：将保压后的坯件放入石墨模具中进行烧结得汽车转向动力缸活塞半成品；所述烧结步骤在真空热压烧结炉中进行，所述烧结包括如下步骤：按照12℃/min的速率，从室温将温度升到820℃，保温32min，然后以7℃/min温升到1400℃，保压34MPa，保压时间为42min，之后继续保温32min；所述石墨模具由如下重量份数的成分组成：石墨80份，石墨烯：10份，所述石墨模具表面涂覆有Bi涂层，所述Bi涂层的厚度为5nm；
机加工：将汽车转向动力缸活塞半成品进行机加工后滚光制得汽车转向动力缸活塞成品。
实施例6
与实施例3的区别仅在于，该实施例汽车转向动力缸活塞Cr粉和Mo粉没有经过软化处理，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
实施例7
与实施例3的区别仅在于，该实施例汽车转向动力缸活塞中的铝粉为纳米铝粉，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
实施例8
与实施例3的区别仅在于，该实施例汽车转向动力缸活塞中的铝粉的粒径为4μm，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
实施例9
与实施例3的区别仅在于，该实施例汽车转向动力缸活塞中的铝粉的粒径为11μm，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
实施例10
与实施例3的区别仅在于，该实施例汽车转向动力缸活塞中的微纳石墨烯片的大小为8*2mm，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
实施例11
与实施例3的区别仅在于，该实施例汽车转向动力缸活塞中的微纳石墨烯片的大小为13*6mm，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
实施例12
与实施例3的区别仅在于，该实施例汽车转向动力缸活塞采用普通熔融方法制备而成，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
实施例13
与实施例3的区别仅在于，该实施例汽车转向动力缸活塞的制备过程中采用普通一步烧结工艺，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
实施例14
与实施例3的区别仅在于，该实施例汽车转向动力缸活塞的制备过程中微米铝粉没有经过预处理，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
实施例15
与实施例3的区别仅在于，该实施例汽车转向动力缸活塞的制备过程中采用普通非石墨烧结模具，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
实施例16
与实施例3的区别仅在于，该实施例汽车转向动力缸活塞的制备过程中石墨模具中不含有石墨烯，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
实施例17
与实施例3的区别仅在于，该实施例汽车转向动力缸活塞的制备过程中石墨模具表面没有Bi涂层，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
对比例1
与实施例3的区别仅在于，该对比例汽车转向动力缸活塞采用普通市售合金钢材料制得，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
对比例2
与实施例3的区别仅在于，该对比例汽车转向动力缸活塞的合金钢材料组成中不含有微米铝粉，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
对比例3
与实施例3的区别仅在于，该对比例汽车转向动力缸活塞的合金钢材料中不含有微纳米石墨烯片，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
将实施例1-17及对比例1-3的汽车转向动力缸活塞进行性能检测，检测结果如表1所示：
表1：实施例1-17及对比例1-3的汽车转向动力缸活塞性能检测结果
从上述结果可以看出，本发明对金属元素进行软化处理，能够保证制得的活塞制件均匀，密度较高；同时，在石墨模具中添加Bi元素，Bi元素在整个过程中不但起润滑作用，还起稳定剂的作用，优化摩擦界面，减少脆性相石墨的剥落，提高复合材料的润滑、抗磨损性能。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。
Claims (9)
1.一种汽车转向动力缸活塞，其特征在于，所述汽车转向动力缸活塞由合金钢材料制得，所述合金钢材料由如下质量百分数的组分组成：C：0.1-0.2％，Si：0.5-0.62％，Ti：0.25-0.32％Cr：6.5-8.0％，Mo：2.2-2.4％，P：≤0.05％，微米铝粉：0.1-0.8％，微纳石墨烯片：0.2-0.65％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种汽车转向动力缸活塞，其特征在于，所述微米铝粉的粒径为5-10μm。
3.根据权利要求1所述的一种汽车转向动力缸活塞，其特征在于，所述微纳石墨烯片的大小为(10-12)mm*(3-5)mm。
4.一种如权利要求1所述的汽车转向动力缸活塞的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括如下步骤：
混粉：称取合金钢的材料进行球磨成混粉；
成型：将混粉进行单向压制成型并保压成坯件；
烧结：将保压后的坯件放入石墨模具中进行烧结得汽车转向动力缸活塞半成品；
机加工：将汽车转向动力缸活塞半成品进行机加工后滚光制得汽车转向动力缸活塞成品。
5.根据权利要求4所述的一种汽车转向动力缸活塞的制备方法，其特征在于，所述单向压制成型的压力为180-200MPa，速率为3-5mm/min，保压时间为60-70s。
6.根据权利要求4所述的一种汽车转向动力缸活塞的制备方法，其特征在于，所述烧结步骤在真空热压烧结炉中进行，所述烧结包括如下步骤：按照10-12℃/min的速率，从室温将温度升到800-820℃，保温30-32min，然后以5-7℃/min温升到1380-1400℃，保压32-34MPa，保压时间为40-42min，之后继续保温30-32min。
7.根据权利要求4所述的一种汽车转向动力缸活塞的制备方法，其特征在于，所述微米铝粉为经过预处理的微米铝粉，所述预处理方法包括如下步骤：在氧气环境中以20-25℃·min-1的升温速率对微米铝粉缓慢加热至650-700℃。
8.根据权利要求4所述的一种汽车转向动力缸活塞的制备方法，其特征在于，所述石墨模具由如下重量份数的成分组成：石墨60-80份，石墨烯：5-10份。
9.根据权利要求8所述的一种汽车转向动力缸活塞的制备方法，其特征在于，所述石墨模具表面涂覆有Bi涂层，所述Bi涂层的厚度为2-5nm。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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