一种高强度拖拉机连杆及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强度拖拉机连杆及其制备方法，属于拖拉机零部件加工技术领域，所述拖拉机连杆由铝基复合材料组成，所述铝基复合材料由以下组分及质量百分比组成：铈粉：0.05‑1％、铜粉：0.2‑1.5％、硅粉：2.5‑5％、锰粉：0.02‑1.2％、氧化石墨烯：5‑12％、碳纳米管：1.5‑6％、余量为铝粉及不可避免的杂质；通过在原料中添加增强体，并在制备过程中采用超声和球磨双重分散，使增强体均匀的分散于铝基体表面，最大程度的改善铝基复合材料的力学性能。

High strength tractor connecting rod and preparation method thereof

The invention relates to a high-strength tractor connecting rod and a preparation method thereof, belonging to the technical field of tractor parts processing. The connecting rod of the tractor is composed of an aluminum matrix composite material, which is composed of the following components and a mass percentage: cerium powder: 0.05_1%, copper powder: 0.2_1.5%, silicon powder: 2.5_5%, and so on. Manganese powder: 0.02 1.2%, graphene oxide: 5 12%, carbon nanotubes: 1.5 6%, aluminum powder and unavoidable impurities were added into the raw materials, and ultrasonic and ball milling were used to disperse the reinforcement evenly on the surface of aluminum matrix, thus improving the aluminum matrix composite to the greatest extent. Mechanical properties of materials.

【技术实现步骤摘要】
一种高强度拖拉机连杆及其制备方法
本专利技术涉及一种高强度拖拉机连杆及其制备方法，属于拖拉机零部件加工

技术介绍
连杆是连接活塞和曲轴的部件，它将活塞所受作用力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。在运动转变过程中连杆受到压缩、拉伸等交变载荷作用很容易被损坏，因此连杆作为主运动系部件，其强度、韧性、刚度和质量对提高发动机的动力性和可靠性至关重要。机械强度和疲劳强度不足，往往会造成连杆体或连杆螺栓断裂，进而产生整机破坏的重大事故。若刚度不足，则会造成杆体弯曲变形及连杆大头的失圆变形，导致活塞、汽缸、轴承和曲柄销等的偏磨。现有技术中拖拉机连杆材料多采用传统的调质钢、非调质钢，调质钢加工工艺为：下料-锻造-正火-调质-机加工，工艺过程周期长、能耗高、氧化脱碳严重、成本较高。非调质钢虽是一种廉价的节能钢种，但其制品的韧性及强度受到极大限制。同时，减轻连杆重量可以减少发动机振动和惯性力，提高其灵敏度响应性，而上述两种合金钢制备的连杆的重量较重。金属基复合材料制备的连杆重量轻、比钢质连杆减轻大约30％，抗拉强度和疲劳强度高，线膨胀系数小，可满足连杆工作时性能的要求，但传统的加工工艺因过程复杂、生产成本高昂而使其应用范围受到很大的限制。中国专利技术专利(CN104911379A)公开了一种高性能金属基复合材料的制备方法，将高强度、高硬度、热稳定性好的高熵合金作为金属基复合材料的强化相，制备的复合材料致密度高，界面良好，力学性能优异，但制备条件比较苛刻，实现工业化生产有一定的难度。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种具有良好化学稳定性和力学性能的高强度拖拉机连杆。本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种高强度拖拉机连杆，所述拖拉机连杆由铝基复合材料组成，所述铝基复合材料由以下组分及质量百分比组成：铈粉：0.05-1％、铜粉：0.2-1.5％、硅粉：2.5-5％、锰粉：0.02-1.2％、氧化石墨烯：5-12％、碳纳米管：1.5-6％、余量为铝粉及不可避免的杂质。本专利技术铜粉中的铜原子在烧结过程中与铝粉中的铝原子通过各自的颗粒边界相互扩散到对方晶粒中，形成一定的浓度梯度，颗粒边界处浓度最高，而晶界扩散相对于体扩散属于短程扩散，所以晶界处最先达到共晶所需成分条件而形成共晶Al2Cu液相，直至所有铜熔解，Al2Cu液体被吸入铝颗粒中，最终实现液相烧结，并且铜粉与硅粉产生协同作用，使Al2Cu液相与铝基体之间的润湿性进一步提高，从而促进烧结致密化。但当铜粉含量过高时(超过1.5％)，生成的Al2Cu相进一步增多，彼此之间开始相互接触，严重割裂基体，导致合金性能恶化。进一步的，本专利技术微量铈粉中的铈院子与Cu原子之间具有较低的弹性交互作用势能，促使Cu原子结合能的增加，从而与Al原子形成更多的共晶相Al2Cu，同时Ce原子自身可与Al原子形成A12Ce/A13Ce相，分布在晶内的A12Ce/A13Ce相以有效钉扎位错，引起位错塞积；分布在晶界的A12Ce/A13Ce相起到了阻碍晶界滑移的作用，这样在烧结过程中Ce原子具有固溶强化和弥散强化的双重作用，大幅度提高合金的强度。本专利技术中少量锰粉与铈粉协同作用，大大的阻碍晶界移动，抑制枝晶的发展，从而细化晶粒。另外，本专利技术中氧化石墨烯与碳纳米管作为增强体协同作用，大幅度降低了制品的重量，且二者形成的三维网络结构与铝基体紧密结合大大提高了铝基复合材料的力学性能。作为优选，氧化石墨烯与碳纳米管的质量比为(1.6-5):1。碳纳米管与氧化石墨烯有相似的π-π结构，且氧化石墨烯的含氧官能团具有亲水性，故可以作为碳纳米管的分散剂，且二者共同构成具有高强度和模量的三维网络空间结构。本专利技术中氧化石墨烯与碳纳米管的质量比小于1.6:1时，氧化石墨烯对碳纳米管的分散作用受到限制，碳纳米管极易在铝基体中发生偏析或团聚形成弱相。弱相易引发断裂、脆性晶界面，使得晶界处强度降低，从而降低了铝基复合材料的综合性能。氧化石墨烯与碳纳米管的质量比超过5:1时，氧化石墨烯片层结构堆叠，使其与碳纳米管形成的三维网络结构发生扭曲，进而使铝基复合材料的抗疲劳强度大幅度下降。作为优选，铈粉、铜粉、硅粉、锰粉的粒径为20-50μm，铝粉的粒径为15-90μm。在相同的压制力作用和烧结条件下，原料粉末越细，越容易填充粉末之间堆积而成的孔隙，从而增加烧结体的致密度，使产品具有良好的性能；但是粒度过小，原料粉末过细，流动性差，颗粒间容易形成搭桥孔洞，搭桥和相互粘附，妨碍了颗粒相互移动，压制和烧结时容易在坯体内部和表面形成过多孔洞，反而会降低烧结体的致密度，降低产品性能。本专利技术的另一目的是提供一种上述高强度拖拉机连杆的制备方法，所述的制备方法为：按上述铝基复合材料的组分及质量百分比称取原料，先将氧化石墨烯与碳纳米管溶于无水乙醇并于25-60Hz条件下进行超声分散得均一混合液；将铈粉、铜粉、硅粉、锰粉、铝粉及混合液置于转速为380-500r/min球磨机中进行2-5h湿法球磨，其中球料比为(7-10)：1，最后干燥得混合料；将混合料置于钢模中压制成型，得生坯；将生坯先烧结，最后浸油、精整得拖拉机连杆成品。本专利技术中由于碳纳米管具有较大的比表面积，在范德华力的作用下极易团簇，而团簇的碳纳米管具有较低的强度和较高的孔隙率，造成复合材料性能的不连续性，因此除了在选料中让其与氧化石墨烯组合使用外，还在制备过程中进行超声和球磨双重分散，以使其均匀的分散于铝基体表面，最大程度的改善铝基复合材料的力学性能。球磨过程中球磨机转速不宜超过500r/min，因为转速过大，碳纳米管的结构容易遭到破坏。在上述高强度拖拉机连杆的制备方法中，球磨过程中加入占铝基复合材料总质量为0.5-1.0％的润滑剂和1.5-3％的分散剂。本专利技术复合材料增强体氧化石墨烯与碳纳米管由于自身特性的限制，很容易发生偏析或团聚，因此，在球磨过程需要添加分散剂，但分散剂的添加量不宜超过3％，过量的分散剂会损害碳纳米管的结构。同时，在球磨过程中添加适量润滑剂有助于增大金属粉末颗粒间的接触面积，在烧结过程中更容易相互扩散，促进合金元素分布更加均匀，从而提高铝基复合材料的抗弯强度。但润滑剂加入量超过1.5％时会在烧结过程中阻碍基体铝粉颗粒之间形成烧结颈，降低铝基复合材料的抗弯强度。作为优选，润滑剂由硬脂酸锌和乙烯基双硬脂酰胺按质量比(1-3):1复配而成，分散剂为柠檬酸铵。本专利技术中的分散剂柠檬酸铵产生的离子使金属颗粒表面电荷发生变化，产生静电位阻，阻止金属颗粒间的团聚，同时柠檬酸铵通过吸附作用使氧化石墨烯与碳纳米管增强颗粒的有效半径增大，产生空间位阻，有效阻止偏析或团聚的发生，且在柠檬酸铵的作用下，硬脂酸锌与乙烯基双硬脂酰胺复配使用，在金属粉末表面形成一层薄膜改善粉末表面的粗糙度，有利于减小颗粒间的滑动阻力，减少粉末拱桥效应，提高粉末流动性和松装密度，还有效降低了烧结后残留的Zn的氧化物对烧结炉的污染及对产品外观的破坏，同时复配润滑剂具有良好的内润滑和外润滑效能，在压制成型过程中可有效阻止氧化石墨烯和碳纳米管的堆积。但本专利技术中硬脂酸锌和乙烯基双硬脂酰胺质量比小于1:1时，在混料过程中容易结块，导致润滑剂在铝基粉末颗粒表面分布不均匀，不能充分起到润本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强度拖拉机连杆，其特征在于，所述拖拉机连杆由铝基复合材料制成，所述铝基复合材料由以下组分及质量百分比组成：铈粉：0.05‑1％、铜粉：0.2‑1.5％、硅粉：2.5‑5％、锰粉：0.02‑1.2％、氧化石墨烯：5‑12％、碳纳米管：1.5‑6％、余量为铝粉及不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种高强度拖拉机连杆，其特征在于，所述拖拉机连杆由铝基复合材料制成，所述铝基复合材料由以下组分及质量百分比组成：铈粉：0.05-1％、铜粉：0.2-1.5％、硅粉：2.5-5％、锰粉：0.02-1.2％、氧化石墨烯：5-12％、碳纳米管：1.5-6％、余量为铝粉及不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的一种高强度拖拉机连杆，其特征在于，所述的氧化石墨烯与碳纳米管的质量比为(1.6-5):1。3.根据权利要求1所述的一种高强度拖拉机连杆，其特征在于，所述的铈粉、铜粉、硅粉、锰粉的粒径均为20-50μm，铝粉的粒径为15-90μm。4.一种如权利要求1所述的高强度拖拉机连杆的制备方法，其特征在于，所述的制备方法为：按如权利要求1所述的铝基复合材料的组分及质量百分比称取原料，先将氧化石墨烯与碳纳米管溶于无水乙醇并于25-60Hz条件下进行超声分散得均一混合液；将铈粉、铜粉、硅粉、锰粉、铝粉及混合液置于转速为380-500r/min球磨机中进行2-5h湿法球磨，其中球料比为(7-10)：1，干燥得混合料；将混合料置于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王良飞，王益飞，
申请(专利权)人：宁波至晟机械制造有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33