CN1422971A - 一种活塞用铝基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,涉及一种活塞用铝基复合材料及其制备方法。该活塞用铝基复合材料由基体合金和增强相组成,基体合金中各组分的质量百分比为硅9～16%,铜0.5～2.5,镍0.5～2.0,镁0.2～1.5,钛0.2～2.0,其余为铝；增强相为原位反应生成的Al2O3和TiC粒子。该复合材料的制备方法包括如下步骤:配制基体合金,并对基体合金进行复合处理；再进行变质处理、精练处理；毛坯浇注,T6热处理。本发明的特点是采用反应生成的Al2O3－TiC粒子复合增强,粒子尺寸细小、分布均匀,热稳定性高；工艺稳定性好、便于批量生产；设备投资少、便于操作、生产成本低。
Description
技术领域：本发明属金属材料领域，特别是涉及一种活塞用铝基复合材料及其制备方法。
背景技术：为了减少能耗、降低大气污染、提高内燃机的效率，提高燃烧温度已成为内燃机的重要发展趋势，相应的对内燃机配件(尤其活塞)的高温强度及高温耐磨性提出了更高的要求。Al-Si合金的热膨胀系数小、耐磨性较高、重量较轻，是最常用的活塞材料。但Al-Si合金的高温强度较低，为改善合金的高温性能，国内外已进行了大量研究。专利号为5,996,471的美国专利公开了一种含V的Al-Si-Cu-Mg的活塞铝合金(Cu2～5，Si 13～16，Mn 0.2～1.3，Ni 1.0～2.5，V0.05～0.2，P 0.004～0.02)，具有有良好的高温强度和耐磨性；专利号为5,162,065的美国专利公开了一种含高镍、铜的活塞铝合金(Si 9～14％，Ni 3.1～7％，Cu 1.5～6％，0.005～0.3％Sr，并含有Mg，Mn，V，Sc，Fe，Ti，Sr，Zn，B和Cr中的至少一种元素)；专利好为85102457的中国专利公开了一种共晶铝硅铜镁镍碲系活塞铝合金。这些合金的高温强度虽然比普通Al-Si合金高，但其在250～300℃的高温性能还是较低。为了进一步提高活塞材料的高温性能及耐磨性，近年来开发了铝基复合材料活塞。如用挤压浸渗法制备碳纤维、碳化硅纤维、Al2O3纤维等铝基复合材料，该工艺包括预制体的制造、预热、压力浸渗等过程，不仅工艺复杂、设备要求高，而且由于陶瓷增强相与基体合金熔体润湿性差，往往导致浸渗不彻底，孔洞较多等缺陷；为改善润湿性，专利号为6,432,557的美国专利公开了一种以Fe-Cr-Si金属纤维增强铝基复合材料活塞，纤维直径为20～100μm，纤维体积分数为10～40％，先用烧结的方法将纤维预成形，然后用挤压铸造的方法成形。该法不仅工艺复杂，且超细金属纤维制备难度大、成本高、高温易氧化、易与铝反应生成脆性相等问题。
发明内容：本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种性能优良、成本低廉、工艺稳定性好的活塞用铝基复合材料及其制备方法。
本发明是通过以下方式实现的：
一种活塞用铝基复合材料，由基体合金和增强相组成，基体合金包括硅、铜、镍、镁、钛、铝元素，其特征是基体合金各组分的质量百分比为硅9～16％，铜0.5～2.5，镍0.5～2.0，镁0.2～1.5，钛0.2～2.0，其余为铝；增强相为原位反应生成Al2O3和TiC粒子。
上述活塞用铝基复合材料的制备方法，其特征是包括如下步骤：
(1)按上述成分配制基体合金，并将基体合金熔体过热到800～920℃；当低于800℃时反应速度慢、时间长、生产率低，且组织中易出现条状Al3Ti化合物，增加脆性、降低力学性能，反之若温度太高，不仅能耗大，而且反应速度太快、粒子尺寸大，易造成分布均匀性差、工艺稳定性差；
(2)向基体合金熔体中吹入二氧化碳和氩气组成的混合气体进行复合处理；其中氩气为稀释剂，用于调节反应速度及粒子生长速度，含量为5～50％；二氧化碳为反应添加物，通过与基体合金熔体反应生成Al2O3和TiC增强粒子；主要反应如下：
(3)再用铝-磷中间合金进行变质处理，细化初晶硅；用氩气和熔剂复合喷吹精练处理，除渣除气；并静置10～15分钟；
(4)采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为720～780℃，以弥补粘度增加导致的流动性降低。也可以采用低压铸造、压力铸造、挤压铸造等其他工艺制造活塞毛坯；
(5)对复合材料活塞毛坯进行T6热处理，热处理工艺为：固溶处理温度为480～500℃，时间2～5小时；时效温度为210～240℃，时间3～5小时。其中时效温度比普通活塞铝合金的高，在保证高强度的条件下，改善体积稳定性；
(6)最后进行成品机加工及表面处理，得到成品。
本发明的特点是采用Al2O3-TiC粒子复合增强，增强粒子是在铝合金熔体中反应生成的，粒子表面无污染、与基体合金润湿性好，粒子偏聚倾向小，复合材料中粒子分布均匀，而且热稳定性高。增强尺寸细小(0.2～2μm)，由比重差导致的上浮/下沉速度小、工艺稳定性好、便于批量生产。该复合材料可在大气条件下、普通铝合金熔炼设备下进行生产，活塞毛坯可采用金属型重力铸造、低压铸造、挤压铸造等工艺生产。设备投资少、便于操作、生产成本低。
该复合材料活塞可在常规机械加工设备上进行加工，因增强粒子尺寸细小、分布均匀，其加工性能、刀具磨损、表面质量、尺寸精度明显好于SiC增强铝基复合材料。
该材料的室温性能好，其室温强度为240～300Mpa，硬度为110～140 HBS。又由于增强粒子熔点高、热稳定性好，不象时效析出相那样随温度的升高、时间延长而便粗大、甚至溶解到基体中而失去强化作用，从而具有优异的高温性能。其300℃时高温强度为120～140Mpa，远大于常规活塞铝合金的高温强度(70～80MPa)。同时该复合材料活塞具有良好的体积稳定性，在250℃保温5小时(体积稳定性试验标准)的尺寸变化率为0.01～0.02％(好于国家标准)。可显著提高活塞的使用寿命，尤其适应于大功率内燃机活塞的制造。
具体实施方式：
下面给出本发明的两个最佳实施例：实施例一：在电阻熔炼炉中熔炼基体合金，合金成分的质量百分比为：硅11.4，镁0.508，镍0.735，钛0.21，其余为铝；待其熔化并过热到850℃，扒渣，用混合气体(CO2 60％+40％Ar)对合金熔体进行复合处理，气体压力0.03Mpa，气体流量0.015m3/min，时间5分钟，然后再铝-磷中间合金进行变质处理，再用氩气进行精练处理，静置10分钟后浇注金属型试棒及活塞样品，活塞样品采用重力金属型铸造，浇注温度为760℃。将试棒及活塞进行T6处理(固溶处理温度为490℃，保温时间为2小时，时效处理温度为210℃，保温时间为3小时)，并进行性能测试。复合材料的室温强度为285Mpa，300℃时的高温强度为133Mpa，硬度为HBS131，即复合处理后材料的室温强度，尤其硬度和高温强度比基体合金显著提高。其高温强度显著高于现有的活塞铝合金。本发明制备的复合材料活塞的体积稳定性明显优于基体合金及常用活塞铝合金，在250℃保温5小时后径向尺寸变化率为0.011％，常用活塞铝合金的一般为0.02～0.03％，国家标准规定应小于0.025％。实施例二：在电阻熔炼炉中熔炼基体合金，合金成分的质量百分比为：硅15.6，镁0.928，镍1.235，钛1.23，其余为铝；待其熔化并过热到900℃，扒渣，用混合气体(CO2 90％+10％Ar)对合金熔体进行复合处理，气体压力0.08Mpa，气体流量0.025m3/min，时间10分钟，然后再铝-磷中间合金进行变质处理，再用氩气进行精练处理，静置10分钟后浇注金属型试棒及活塞样品，活塞样品采用重力金属型铸造，浇注温度为780℃。将试棒及活塞进行T6处理(固溶处理温度为490℃，保温时间为2小时，时效处理温度为240℃，保温时间为3小时)，并进行性能测试。复合材料的室温强度为315Mpa，300℃时的高温强度为143Mpa，硬度为HBS140，即复合处理后材料的室温强度，尤其硬度和高温强度比基体合金显著提高。其高温强度显著高于现有的活塞铝合金。本发明制备的复合材料活塞的体积稳定性明显优于基体合金及常用活塞铝合金，在250℃保温5小时后径向尺寸变化率为0.08％，常用活塞铝合金的一般为0.02～0.03％，国家标准规定应小于0.025％。
Claims (4)
1、一种活塞用铝基复合材料，由基体合金和增强相组成，基体合金包括硅、铜、镍、镁、钛、铝元素，其特征是基体合金各组分的质量百分比为硅9～16％，铜0.5～2.5，镍0.5～2.0，镁0.2～1.5，钛0.2～2.0，其余为铝；增强相为原位反应生成的Al2O3和TiC粒子。
2、上述活塞用铝基复合材料的制备方法，其特征是包括如下步骤：
(1)配制基体合金，并将基体合金熔体过热到800～920℃；
(2)向基体合金熔体中吹入二氧化碳和氩气组成的混合气体进行复合处理；
(3)再用铝-磷中间合金进行变质处理，细化初晶硅；用氩气和熔剂复合喷吹精练处理，除渣除气；
(4)采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为720～780℃；
(5)对复合材料活塞毛坯进行T6热处理；
3、根据权利要求2所述的活塞用铝基复合材料制备方法，其特征是：步骤(2)混合气体中的氩气为稀释剂，用于调节反应速度及粒子生长速度，含量为5～50％；二氧化碳为反应添加物，通过与基体合金熔体反应生成Al2O3和TiC增强粒子；混合气体压力为0.02～0.20Mpa，流量为0.01～0.1m3/min，复合处理时间为3～10分钟。
4、根据权利要求2所述的活塞用铝基复合材料制备方法，其特征是步骤(5)中固溶处理温度为480～500℃，时间2～5小时；时效处理温度为210～240℃，时间3～5小时。
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