CN1323911A - 石墨－铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铝基合金,特别是变质铝硅合金,其特征在于:将颗粒小于100μm的石墨粉置于处理炉中<400℃的温度下预热4小时;热处理后的压块加入设置有搅拌设备的熔炼炉中与铝基合金熔体相熔融,控制在720～850℃温度,搅拌速度250～300r/min,其产品强度高,比刚度大,质轻耐磨,热膨胀系数小,耗油低和噪音少等性能。同时生产工艺流程短,原材料消耗低,生产效率高。

Description

石墨-铝基复合材料及其制备方法
本发明制备材料的方法属于金属铸造，尤其是有色金属的铸造；本材料涉及铝基合金，特别是变质铝硅合金，适应于制造工作强度大，直接受高温、高压作用小机械构件：如气缸、活塞、轴承壳或类似薄壁件。
含硅成份较多的Al-Si系的铝合金，由于重量轻，而且热膨胀率低，过去多用作活塞的材料。近年来，对活塞构件的低燃料消耗率、高输出功率和低噪音等性能的要求越来越高，因此，制造活塞用的Si-Al系合金材料也难以适应这种要求。
石墨材料具备密度低，热膨胀率小，有自润滑性能，在高温下温度也不降低等特性，使石墨与金属材料复合化，例如使石墨与铝合金复合的活塞，在日本特开平1-132736号公报中记载的使石墨粉末与铝合金粉末混合后进行烧结的方法或在特开昭57-124564号公报中揭示的将石墨粉末加入铝合金熔液中进行铸造的方法。然而，采用这种方法的主要目的只是通过添加石墨粉末使铝合金活塞材料具有润滑性，而并非着眼于石墨的低热膨胀性和高温强度。因此，在粉末烧结法中石墨粉末的添加量限于5％左右(重量百分比)；在铸造法中，从操作方面来说，加入3％以上(重量百分比)的石墨粉末也是不可能的。这样，为了发挥石墨固有的低热膨胀性和高温强度性，其添加量是不足的。
本发明的目的是提供一种石墨-铝基复合材料的制备方法，并赋予产品强度高，比刚度大，质轻耐磨，热膨胀系数小，降低油耗和减少噪音等优异性能。同时生产工艺流程短，原材料消耗低，生产效率高。
本发明的技术方案：首先将颗粒小于100μm的石墨粉置于处理炉中＜400℃的温度下预热4小时；然后将(重量百分比)0.5～3.5％石墨粉，2％钛粉，10％硅粉，10％铝粉混合2-3小时后；均匀装模，在10～15N压力下压制成型；接着将成型压块置于真空热处理炉中，控制温度700～850℃，真空度＜400Pa，进行热处理，并保温1～3小时；热处理后的压块加入设置有搅拌设备(另申请专利)的熔炼炉中与铝基合金熔体相熔融，控制在720～850℃温度，搅拌速度250～300r/min；接着加入变质剂搅拌20～30分钟，再加入六氯乙烷去气；金属材料完全熔融后，以55～65秒/模浇注速度浇注到预热的模具中；铸锭在250±5℃温度下固溶处理8小时，再经机加工得到合格的产品。
本发明的优点是：
①采用上述制备的石墨-铝硅复合材料，对其断面组织进行检查后，可以确认铝合金均匀地分散填充到了石墨气孔组织的内部形成致密而又稳定的填充形态；
②根据GB/1148-93标准，将Gr-Al-Si与Al-Si合金制造的活塞，其性能对比如表1、表2所示；
表1
性能 亚共晶Al-Si合金 共   晶Al-Si合金 过共晶Al-Si合金     实施例1共  晶Gr-Al-Si合金     实施例2过共晶Gr-Al-Si合金
抗拉强度(300℃) 69MPA 69MPA 83MPA 140MPA 110MPA
硬度(HB)  95～130  95～130  95～130     95     100
热膨胀系数     24.5  23.5  23     22     20
体积稳定性％＜= 0.03D 0.03D 0.02D 0.02D 0.02D
摩擦系数     0.380  0.385  0.390     0.370     0.360
磨损量     0.160  0.098  0.070     0.060     0.050
以上产品标准数据是根据我年来试验结果得到的规律性概括。材料的性能、活塞体积稳定性达到或超过GB/T1148国标的要求。
表2
    品    名     实施例3 Al-Ti-C     Al-Ti-B
    成分(％) Al余量Ti5％ C0.25％     Al余量Ti5％ B1％
按TP-1晶粒细化标准 99.7％(Al可达162μm以下) 99.7％(Al可达165μm以下)
Al-Ti-C替代Al-Ti-B作晶粒细化剂用，不仅细化效果好，而且成本价格大大降低，每吨节约上万元。
③采用本材料加工的活塞设置于摩托车(NY125型)、汽车(奥拓型)的发动机内，对发动机的性能进行了测试。实践证明：本发明所提供的石墨铝基复合材料，重量轻，能够满足活塞低燃料消耗率，高输出功率和低噪音等性能要求。
下面结合附图与实施例作进一步的描述。
图1为本发明的工艺流程示意图：
①石墨粉预热：将颗粒小于100μm的石墨粉置于热处理炉中，在小于400℃的温度下预热4小时；
②配料混合：按重量百分比将0.5～3％石墨粉，1～2％钛粉，10％硅粉，10％铝粉进行2～3小时混合后，均匀装模；
③压制成型：控制压力10～15N将装好的模混合料压制成型；
④真空热处理：把成型压块置于真空热处理炉中，调整温度700～850℃，真空度＜400Pa，进行热处理，并保温1～3小时；
⑤熔炼：往盛有Al-Si熔体的熔炼炉中加入热处理后的压块，在700～850℃温度下随着搅拌设备250～300r/min速度的搅拌30分钟加入六氯乙烷，除去熔体中的气体，再加磷复合变质剂，对熔体作变质处理，直至完全熔融；
⑥浇注：将熔体以55～65秒/模浇注速度浇注到预热的模具中；铸锭在250±5℃温度下，固熔处理8小时，再经机加工得到合格的产品。
本发明生产工艺流程短，原材料消耗低，生产效率高。
实施例：
实施例1：共晶硅石墨-铝硅复合材料按图1所示工艺流程制备，其特征在于：将(重量百分比)经预热处理的小于0.5％石墨粉，1％钛粉，10％铝粉，10％硅粉，少量卤化物盐类或粘结剂混合，均匀装模，在压力10N加压成型后，置于真空热处理炉，控制温度700℃，在真空度＜400Pa进行热处理，并保温1小时；再将其加入熔炼炉中，控制熔融温度720℃，搅拌速度280r/min，加入复合磷复合变质剂，搅拌20分钟之后，加入六氯乙烷去气，将完全熔融的熔体达720℃时以55秒/模的浇注速度浇注到预热模具中。
实施例2：过共晶石墨-铝硅复合材料，按图1所示工艺流程制备，其特征在于：将(重量百分比)经预热处理的0.8％石墨粉，2％钛粉，10％铝粉，10％硅粉，少量卤化盐类均匀混合，装模后以在15N压力下加压成型；接着置于真空热处理炉，控制温度800℃，真空度＜400Pa进行热处理保温2小时；再将其加入熔炼炉中与铝基合金充分搅拌熔融，控制熔融温度850℃，搅拌速度300r/min，接着加入10％石墨粉促使金属合金熔体变质，搅拌30分钟后再加六氯乙烷去气；当熔体温度达到850℃时，以60秒/模的浇注速度将它浇注到模具中。
实验例3：铝-钛-炭复合材料，按图1所示工艺流程制备，其特征在于：将(重量百分比)0.8％石墨粉，5.2％钛粉，5％铝粉，卤化物盐类3％混合，在15N压力下成型，在850℃，真空度＜400Pa下处理2小时，加入到铝液中，制成合格产品，代替铝-钛-硼作晶粒细化剂用。细化效果优良。

Claims (4)

1．石墨-铝基复合材料及其制备方法涉及铝基合金，特别是变质铝硅合金，或属于金属铸造，尤其是有色金属的铸造；其特征在于：首先将颗粒小于100μm的石墨粉置于处理炉中＜400℃的温度下预热4小时；然后将(重量百分比)0.5～3.5％石墨粉，2％钛粉，10％硅粉，10％铝粉混合2-3小时后；均匀装模，在10～15N压力下压制成型；接着将成型压块置于真空热处理炉中，控制温度700～850℃，真空度＜400Pa，进行热处理，并保温1～3小时；热处理后的压块加入设置有搅拌设备(另申请专利)的熔炼炉中与铝基合金熔体相熔融，控制在720～850℃温度，搅拌速度250～300r/min；接着加入变质剂搅拌20～30分钟，再加入六氯乙烷去气；金属材料完全熔融后，以55～65秒/模浇注速度浇注到预热的模具中；铸锭在250±5℃温度下固溶处理8小时，再经机加工得到合格的产品。
2．根据权利要求1所述的石墨-铝基复合材料，其特征在于：共晶硅石墨-铝硅复合材料是将(重量百分比)经预热处理的小于0.5％石墨粉，1％钛粉，10％铝粉，10％硅粉，少量卤化物盐类或粘结剂混合，均匀装模，在压力10N加压成型后，置于真空热处理炉，控制温度700℃，在真空度＜400Pa进行热处理，并保温1小时；再将其加入熔炼炉中，控制熔融温度720℃，搅拌速度280r/min，加入复合磷复合变质剂，搅拌20分钟之后，加入六氯乙烷去气，将完全熔融的熔体达720℃时以55秒/模的浇注速度浇注到预热模具中。
3．根据权利要求1所述的石墨-铝基复合材料，其特征在于：过共晶石墨-铝硅复合材料是将(重量百分比)经预热处理的0.8％石墨粉，2％钛粉，10％铝粉，10％硅粉，少量卤化盐类均匀混合，装模后以在15N压力下加压成型；接着置于真空热处理炉，控制温度800℃，真空度＜400Pa进行热处理保温2小时；再将其加入熔炼炉中与铝基合金充分搅拌熔融，控制熔融温度850℃，搅拌速度300r/min，接着加入10％石墨粉促使金属合金熔体变质，搅拌30分钟后再加六氯乙烷去气；当熔体温度达到850℃时，以60秒/模的浇注速度将它浇注到模具中。
4．根据权利要求1所述的石墨-铝基复合材料，其特征在于：铝-钛-炭复合材料是将(重量百分比)0.8％石墨粉，5.2％钛粉，5％铝粉，卤化物盐类3％混合，在15N压力下成型，在850℃，真空度＜400Pa下处理2小时，加入到铝液中，制成代替铝-钛-硼作晶粒细化剂用的合格产品。
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