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

本发明专利技术属金属材料领域，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。本发明专利技术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Al

【技术实现步骤摘要】
一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料及其制备方法
本专利技术属金属材料领域，涉及一种活塞高温耐磨高强原位Al2O3颗粒增强铝合金复合材料及其制备方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术属金属材料领域，涉及一种活塞高温耐磨高强原位Al2O3颗粒增强铝合金复合材料及其制备方法。本专利技术解决了活塞头部在高温工况下强度不足易开裂的问题。本专利技术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、铝元素，其特征是基体合金各组分的质量百分比(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。一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：(1)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；(2)混粉，以300r/min球磨(Al+B2O3)粉末，球磨完的粉末预热200℃，3h；(3)在熔炼炉中将工业纯铝、结晶硅、铜、镍、镁和钛在750℃-900℃熔炼制备成铝合金基体；(4)以20℃/min给基体材料降温至540℃~600℃半固态区间，缓慢添加球磨预热200℃的(Al+B2O3)粉末，以40℃/min升温至900℃，保温1h；(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。本专利技术步骤(1)的原料均为市场销售的产品。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(2)，采用500目Al粉和500目的B2O3粉末，按不同的体积比例混合，以300r/min球磨。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(4)，控制半固态区间在540℃~600℃，在机械搅拌的状态下缓慢添加球磨预热200℃的(Al+B2O3)粉末，之后以40℃/min升温至900℃，保温1h；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℃，60~100℃水淬；时效180±10℃，空冷。本专利技术的特点是增强相采用Al2O3颗粒，增强粒子通过在铝熔体中缓慢添加球磨预热200℃的(Al+B2O3)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Al2O3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。本专利技术在常温常压下，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。由于通过Al2O3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。Al2O3增强粒子熔点高，热稳定性好，从而具有优异的高温性能，其350℃时的高温强度超过100MPa，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℃保温6小时(体积稳定性试验标准)的尺寸变化率为0.01~0.02%。另外，用该复合材料制备的活塞在其工作表面Al2O3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。具体实施方式本专利技术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。下面本专利技术最佳的2个实施例。实施方式1：本专利技术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12%，镍4.0%，铜3.0%，镁1.0%，钛1.0%，其余为铝；(2)混粉，以300r/min球磨(Al+B2O3)粉末，颗粒粒径100目，体积分数(vol.%)5%，球磨完的粉末预热200℃，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；(4)以20℃/min给基体材料降温至580℃半固态区间，缓慢添加球磨预热200℃的(Al+B2O3)粉末，以40℃/min升温至900℃，保温1h；(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740℃；(6)对浇铸毛坯进行T6热处理、机加工及表面处理，得到成品。按照上述配比得到一种最佳成分的原位Al2O3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1，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10%以上。实施方式2：本专利技术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13%，镍3.0%，铜4.0%，镁2.0%，钛1.0%，其余为铝；(2)混粉，以300r/min球磨(Al+B2O3)粉末，颗粒粒径500目，体积分数(vol.%)3%，球磨完的粉末预热200℃，3h；(3)在熔炼炉中将工业纯铝、结晶硅、铜、镍、镁和钛在760℃熔炼制备成铝合金基体；(4)以20℃/min给基体材料降温至60℃半固态区间，缓慢添加球磨预热200℃的(Al+B2O3)粉末，以40℃/min升温至900℃，保温1h；(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℃；(6)对浇铸毛坯进行T6热处理、机加工及表面处理，得到成品。按照上述配比得到一种最佳成分的原位Al2O3铝基复合材料，其化学成分(质量百分比)为：硅13，铜4，镍3，镁2，钛1，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12%以上。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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、铝元素，其特征是基体合金各组分的质量百分比(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Al

【技术特征摘要】
1.一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、铝元素，其特征是基体合金各组分的质量百分比(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。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，其特征包括以下步骤：(1)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；(2)混粉，以300r/min球磨(Al+B2O3)粉末，球磨完的粉末预热200℃，3h；(3)在熔炼炉中将工业纯铝、结晶硅、铜、镍、镁和钛在750℃-900℃熔炼制备成铝合金基体；(4)以20℃/min给基体材料降温至540℃~600℃半固态区间，缓慢添加球磨预热200℃的(A...

【专利技术属性】
技术研发人员：张松利，张炳荣，张冬梅，周祥，陈宝和，
申请(专利权)人：镇江创智特种合金科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32