本發(fā)明屬金屬材料領(lǐng)域，涉及一種活塞高溫耐磨高強(qiáng)原位Al₂O₃顆粒增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

活塞作為汽車發(fā)動機(jī)的“心臟”，主要受交變的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷作用，是發(fā)動機(jī)中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一，提高活塞合金的物理和機(jī)械性能已成為大勢所趨，而針對活塞零件整體不同的工況要求，尤其頂部300°C~400°C的工作環(huán)境，對活塞材料的設(shè)計和鑄造工藝就有了新的發(fā)展需要。Al-Si系合金，是一種可熱處理強(qiáng)化的合金，密度小、質(zhì)量輕、熱傳導(dǎo)性好、熱膨脹系數(shù)小，并具有足夠的高溫強(qiáng)度、耐磨和耐蝕性能、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)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、成本低廉的特點，國內(nèi)目前主要的Al-12Si合金牌號為ZL108和ZL109。綜上所述，制備活塞的材料就需要較高的機(jī)械強(qiáng)度和較高的耐高溫強(qiáng)度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明屬金屬材料領(lǐng)域，涉及一種活塞高溫耐磨高強(qiáng)原位Al₂O₃顆粒增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明解決了活塞頭部在高溫工況下強(qiáng)度不足易開裂的問題。

本發(fā)明是通過以下方式實現(xiàn)的：

一種高溫耐磨高強(qiáng)活塞鋁合金復(fù)合材料，由基體和增強(qiáng)相組成，基體合金包括硅、鎳、銅、鎂、鈦、鋁元素，其特征是基體合金各組分的質(zhì)量百分比(wt.%)為硅11.0~16.0%，鎳3.0~5.0%，銅2.0~4.0%，鎂0.5~2.0%，鈦0.5~1.5%，其余為鋁；增強(qiáng)相為原位反應(yīng)生成的Al₂O₃顆粒。

一種高溫耐磨高強(qiáng)活塞鋁合金復(fù)合材料的制備方法，其特征包括以下步驟：

(1)按質(zhì)量百分比稱取原料，工業(yè)結(jié)晶硅11.0~16.0%，鎳3.0~5.0%，銅2.0~4.0%，鎂0.5~2.0%，鈦0.5~1.5%，其余為鋁；

(2)混粉，以300r/min球磨(Al+B₂O₃)粉末，球磨完的粉末預(yù)熱200℃，3h；

(3)在熔煉爐中將工業(yè)純鋁、結(jié)晶硅、銅、鎳、鎂和鈦在750℃-900℃熔煉制備成鋁合金基體；

(4)以20℃/min給基體材料降溫至540℃~600℃半固態(tài)區(qū)間，緩慢添加球磨預(yù)熱200℃的(Al+B₂O₃)粉末，以40℃/min升溫至900℃，保溫1h；

(5)采用高壓低速金屬型鑄造或擠壓鑄造澆注活塞毛坯，澆注溫度為720℃~760℃；

(6) 對澆鑄毛坯進(jìn)行T6熱處理、機(jī)加工及表面處理，得到成品。本發(fā)明步驟(1)的原料均為市場銷售的產(chǎn)品。

上述一種高溫耐磨高強(qiáng)活塞鋁合金復(fù)合材料及其制備方法，其特征主要是步驟(2)，采用500目Al粉和500目的B₂O₃粉末，按不同的體積比例混合，以300r/min球磨。

上述一種高溫耐磨高強(qiáng)活塞鋁合金復(fù)合材料及其制備方法，其特征主要是步驟(4)，控制半固態(tài)區(qū)間在540℃~600℃，在機(jī)械攪拌的狀態(tài)下緩慢添加球磨預(yù)熱200℃的(Al+B₂O₃)粉末，之后以40℃/min升溫至900℃，保溫1h；

上述一種高溫耐磨高強(qiáng)活塞鋁合金復(fù)合材料及其制備方法，其特征主要是步驟(6)，T6熱處理工藝參數(shù)：固溶520±10℃，60~100℃水淬；時效180±10℃，空冷。

本發(fā)明的特點是增強(qiáng)相采用Al₂O₃顆粒，增強(qiáng)粒子通過在鋁熔體中緩慢添加球磨預(yù)熱200℃的(Al+B₂O₃)粉末原位反應(yīng)生成，粒子表面無污染，與基體合金潤濕性好，粒子偏聚傾向小，而且熱穩(wěn)定性高。生成的亞微米Al₂O₃粒子不僅能夠變質(zhì)和細(xì)化Al-Si活塞合金中的初晶硅，而且能夠強(qiáng)化鋁合金基體。本發(fā)明在常溫常壓下，采用普通鋁合金熔煉設(shè)備下即可以進(jìn)行生產(chǎn)，工藝簡便，設(shè)備投資少，生產(chǎn)成本低。

由于通過Al₂O₃顆粒進(jìn)行了變質(zhì)處理，該材料的室溫性能好，其室溫強(qiáng)度為300~340MPa。Al₂O₃增強(qiáng)粒子熔點高，熱穩(wěn)定性好，從而具有優(yōu)異的高溫性能，其350℃時的高溫強(qiáng)度超過100MPa，遠(yuǎn)大于常規(guī)活塞合金的高溫強(qiáng)度(75-90MPa)。同時該復(fù)合材料體積穩(wěn)定性好，在350℃保溫6小時(體積穩(wěn)定性試驗標(biāo)準(zhǔn))的尺寸變化率為0.01~0.02%。另外，用該復(fù)合材料制備的活塞在其工作表面Al₂O₃顆粒處易形成微孔，可儲存潤滑油，從而能夠提高材料的耐磨性能，能夠顯著提高活塞的使用壽命，尤其適用于大功率柴油機(jī)活塞的制造。

具體實施方式

本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。下面本發(fā)明最佳的2個實施例。

實施方式1：

本發(fā)明的高溫耐磨高強(qiáng)活塞鋁合金復(fù)合材料是按以下步驟制備的：

(1)按質(zhì)量百分比稱取原料，工業(yè)結(jié)晶硅12%，鎳4.0%，銅3.0%，鎂1.0%，鈦1.0%，其余為鋁；

(2)混粉，以300r/min球磨(Al+B₂O₃)粉末，顆粒粒徑100目，體積分?jǐn)?shù)(vol.%)5%，球磨完的粉末預(yù)熱200℃，3h；

(3)在熔煉爐中將工業(yè)純鋁、結(jié)晶硅、銅、鎳、鎂和鈦在800℃熔煉制備成鋁合金基體；

(4)以20℃/min給基體材料降溫至580℃半固態(tài)區(qū)間，緩慢添加球磨預(yù)熱200℃的(Al+B₂O₃)粉末，以40℃/min升溫至900℃，保溫1h；

(5)采用高壓低速金屬型鑄造或擠壓鑄造澆注活塞毛坯，澆注溫度為740℃；

(6) 對澆鑄毛坯進(jìn)行T6熱處理、機(jī)加工及表面處理，得到成品。

按照上述配比得到一種最佳成分的原位Al₂O₃鋁基復(fù)合材料，其化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)為：硅12，銅3，鎳4，鎂1，鈦1，其余為鋁。該復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度明顯高于現(xiàn)有活塞鋁合金，尤其高溫強(qiáng)度，比常用活塞鋁合金提高10%以上。

實施方式2：

本發(fā)明的高溫耐磨高強(qiáng)活塞鋁合金復(fù)合材料是按以下步驟制備的：

(1)按質(zhì)量百分比稱取原料，工業(yè)結(jié)晶硅13%，鎳3.0%，銅4.0%，鎂2.0%，鈦1.0%，其余為鋁；

(2)混粉，以300r/min球磨(Al+B₂O₃)粉末，顆粒粒徑500目，體積分?jǐn)?shù)(vol.%)3%，球磨完的粉末預(yù)熱200℃，3h；

(3)在熔煉爐中將工業(yè)純鋁、結(jié)晶硅、銅、鎳、鎂和鈦在760℃熔煉制備成鋁合金基體；

(4)以20℃/min給基體材料降溫至60℃半固態(tài)區(qū)間，緩慢添加球磨預(yù)熱200℃的(Al+B₂O₃)粉末，以40℃/min升溫至900℃，保溫1h；

(5)采用高壓低速金屬型鑄造或擠壓鑄造澆注活塞毛坯，澆注溫度為720℃；

(6) 對澆鑄毛坯進(jìn)行T6熱處理、機(jī)加工及表面處理，得到成品。

按照上述配比得到一種最佳成分的原位Al₂O₃鋁基復(fù)合材料，其化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)為：硅13，銅4，鎳3，鎂2，鈦1，其余為鋁。該復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度明顯高于現(xiàn)有活塞鋁合金，尤其高溫強(qiáng)度，比常用活塞鋁合金提高12%以上。