本發(fā)明涉及一種汽車(chē)活塞碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及加工工藝，其屬于汽車(chē)活塞加工領(lǐng)域，提供了一種汽車(chē)活塞碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及加工工藝。
背景技術(shù)：
活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最復(fù)雜的零件，作用在活塞上的有氣體力和往復(fù)慣性力，活塞頂部與高溫燃?xì)庵苯咏佑|，使活塞頂部的溫度很高，同時(shí)活塞在側(cè)壓力的作用下沿氣缸壁面高速滑動(dòng)，由于潤(rùn)滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴(yán)重。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠工作，對(duì)活塞特別是其頂部有嚴(yán)格的要求。在使用中，活塞頂部由于受到高溫、高壓、燃燒和腐蝕作用，其主要失效形式為頂部熱裂紋、燒蝕、燒穿等，所以活塞頂部應(yīng)有較好的耐高溫和耐腐蝕性能、良好的散熱性和足夠的剛度、強(qiáng)度等力學(xué)性能。
活塞頭部分的工況惡劣，而裙部大多是導(dǎo)向的作用，磨損要小很多。在開(kāi)發(fā)高功率的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，爆發(fā)壓力增加了，而原來(lái)使用的鋁合金活塞不能用了，因此使用鑄鐵或鋼生產(chǎn)活塞，但這樣活塞也變重了，為了減輕活塞的重量，就出現(xiàn)了組合活塞。但現(xiàn)在有發(fā)現(xiàn)組合活塞有很多問(wèn)題，所以全鋼活塞也出現(xiàn)了。因此分開(kāi)制造的目的為減輕活塞重量。
活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，所處的工作環(huán)境非常惡劣：承受著交變的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，工作溫度很高(頂部高達(dá)600～700K)，頂部承受氣體壓力很大(在汽油機(jī)中達(dá)到3～5MPa)；在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度很高(10～14m/s)。因此，活塞材料有著苛刻的要求：質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐磨性好、尺寸穩(wěn)定性高、導(dǎo)熱性好等。
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)朝著大功率和高熱效率的方向發(fā)展，活塞材料也在不斷改進(jìn)，從傳統(tǒng)的鑄鐵、鑄鋼到鋁合金再到最新研究的鋁基復(fù)合材料活塞。表1對(duì)這幾種活塞材料的物理力學(xué)性能進(jìn)行了比較，從中可更清楚地了解到鋁基復(fù)合材料的優(yōu)越性。
表1幾種活塞材料的物理力學(xué)性能比較
鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于活塞的性能(如耐磨性、高溫力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性)研究已取得 一些進(jìn)展。鋁基復(fù)合材料的顆粒增強(qiáng)相可以是Al2O3、Al2O3+SiO2、SiC、C或Ti2B等，將這些顆粒材料經(jīng)過(guò)特殊處理后用特種方法加入鋁液而使其彌散分布，可增強(qiáng)活塞整體和局部的耐磨性并大大減輕其質(zhì)量。結(jié)果表明，這兩種復(fù)合材料在300℃下的線膨脹系數(shù)均比ZL108鋁合金降低了20％～30％，可見(jiàn)其在高溫環(huán)境中尺寸穩(wěn)定性更好。目前鋁基復(fù)合材料的制備工藝復(fù)雜、成本高、工藝不完善，在活塞上的應(yīng)用帶來(lái)很大困難。針對(duì)以上技術(shù)難題本發(fā)明專(zhuān)利提供一種汽車(chē)活塞碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及加工工藝。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明專(zhuān)利提供一種汽車(chē)活塞碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及加工工藝。
本發(fā)明專(zhuān)利所采用的汽車(chē)活塞碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的加工工藝包括如下步驟：
A、選取(Al Fe0.8-1.0V0.8-1.5Si1.4-2.2)合金(即8009鋁合金)為基體合金，在爐內(nèi)例如箱式電阻爐150kg級(jí)合金熔煉爐或50kg級(jí)中頻感應(yīng)爐或50kg級(jí)真空熔煉爐中將合金熔煉，例如600-1500℃，優(yōu)選1000～1200℃熔煉保溫2-10h；
B、將上述熔煉的合金熔液通過(guò)多級(jí)快速凝固制粉設(shè)備霧化制得合金粉，通過(guò)篩分獲得不同粒徑段的合金粉；
C、將碳化硅粉預(yù)處理；
D、依據(jù)級(jí)配理論，通過(guò)將步驟B的合金粉篩分獲得中值粒徑(D50)為5微米以上且35微米以下的合金粉，將步驟C的碳化硅粉篩分獲得中值粒徑為10微米以上且50微米以下的碳化硅粉，按合金粉:碳化硅粉＝60～95:40～5，優(yōu)選60～80:40～20的體積比，將中值粒徑為10微米以上且50微米以下的碳化硅粉、中值粒徑為5微米以上且35微米以下的合金粉分別倒入球磨混料機(jī)中攪拌均勻混合；
E、將上述混合均勻的粉末通過(guò)液壓機(jī)壓制成一定形狀的生坯料(例如在100-1500MPa的壓力下)，用擠壓型鋁套將生坯料包裹；
F、將上述包套內(nèi)的空氣通過(guò)真空設(shè)備除去包套內(nèi)的空氣，優(yōu)化高密度坯錠，再放置于真空加熱設(shè)備中保溫一段時(shí)間(例如在350-600℃溫度保溫1-6H)，使坯錠致密化；
G、將致密化后的坯錠迅速放入熱擠壓設(shè)備在400-580℃溫度下以400-1500t壓力以擠壓速度0.4mm/s-1mm/s、擠壓比10-25擠壓成棒料；
H、將棒料機(jī)械加工成汽車(chē)活塞所設(shè)計(jì)尺寸、形狀，即可獲得碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的汽車(chē)活塞，
所述碳化硅粉的預(yù)處理包括：將碳化硅粉和酸性溶液(1～30wt％鹽酸溶液，優(yōu)選5％鹽酸溶液)加入除雜反應(yīng)釜中環(huán)境溫度(25℃-40℃)1-2h充分反應(yīng)除去雜質(zhì)(如Fe2O3等)后加入弱堿(例如5-10％氫氧化鋁[Al(OH)3]溶液，優(yōu)選8％氫氧化鋁溶液)至中性；
將碳化硅粉沉積分離，再用蒸餾水清洗干燥；
將碳化硅粉體加入含有包括35～45wt％有機(jī)硅(硅烷偶聯(lián)劑類(lèi)例如硅烷偶聯(lián)劑Z-6040)、5-15％有機(jī)氟(含氟羧酸例如氟羧酸BYK-P104S)、35～45wt％乙醇，5～15wt％水的處理劑的表面處理反應(yīng)釜中，在溫度40℃-60℃條件下充分?jǐn)嚢?攪拌轉(zhuǎn)速300-1000r/min)2-6h；
將碳化硅粉沉積分離，用去離子水清洗，烘干得產(chǎn)品。
檢測(cè)碳化硅粉體性能，分散性在1-5*10-5之間、濕潤(rùn)性在10-30％之間、接觸角0-25°。所述碳化硅粉純度98％以上。
上述預(yù)處理可以按照中國(guó)專(zhuān)利201410172870.7的方法來(lái)進(jìn)行。
所述擠壓型鋁鋁套優(yōu)選為鋁6061、鋁6063。
優(yōu)選地，在步驟D中，20-30體積份，優(yōu)選25體積份W5-8(中值直徑50為5-8微米)的合金粉、35-45體積份，優(yōu)選40體積份W10-14(中值直徑10-14微米)的合金粉、10-20體積份，優(yōu)選15體積份W25-30(中值直徑25-30微米)的合金粉與5-15體積份，優(yōu)選10體積份W10-12(中值直徑10-12微米)的碳化硅粉、5-15體積份，優(yōu)選10體積份W40-45(中值直徑40-45微米)的碳化硅粉混合。
本發(fā)明還涉及通過(guò)上述加工工藝制備的汽車(chē)活塞碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。該復(fù)合材料的室溫力學(xué)性能、350℃高溫力學(xué)性能、20℃時(shí)的線膨脹系數(shù)滿(mǎn)足汽車(chē)活塞的使用要求。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明加工工藝的流程圖。
具體實(shí)施方式
以下通過(guò)具體實(shí)施方式來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例1
制備S20的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的汽車(chē)活塞。
如圖1所示，制備過(guò)程包括：
A、將Al Fe0.8-1.0V0.8-1.5Si1.4-2.2合金50kg級(jí)真空熔煉爐中以800℃高溫熔煉保溫4h。
B、通過(guò)多級(jí)快速凝固制粉設(shè)備霧化制得合金粉，通過(guò)篩分獲得不同粒徑段的合金粉。
C、按照碳化硅粉按專(zhuān)利201410172870.7的方法，碳化硅粉的體積百分比為70％，5％鹽酸溶液的體積百分比為30％，將上述配比好的碳化硅粉、鹽酸溶液加入反應(yīng)釜中(環(huán)境溫度為25℃-40℃)1.5h充分反應(yīng)后沉積分離。
先用弱堿性溶液(8％氫氧化鋁溶液)洗至中性，再用去離子水清洗、干燥，檢測(cè)干燥好的碳化硅粉體性能。
將50體積％碳化硅粉體及50％體積分?jǐn)?shù)的包括有機(jī)硅(硅烷偶聯(lián)劑Z-6040)40wt％、有機(jī) 氟(含氟羧酸BYK-P104S)表面活性劑10wt％，乙醇40wt％、水10wt％的混合溶液，加入表面處理反應(yīng)釜中，在50℃恒溫條件下攪拌3h(攪拌轉(zhuǎn)速500r/min)。
上述在反應(yīng)釜中充分反應(yīng)后，沉積分離。將分離出來(lái)的碳化硅粉清洗、烘干，檢測(cè)粉體性能。
結(jié)果分散性在2×10-5、濕潤(rùn)性在20％之間、接觸角10°。
D、將上述獲得的合金粉和碳化硅粉進(jìn)行篩分，獲得W5-8(是指中值粒徑D50在5-8微米，下同)、W10-14(中值粒徑為10-14微米)、W25-30(中值粒徑25-30微米)的合金粉以及W10-12(中值粒徑10-12微米)，W40-45(中值粒徑為40-45微米)的碳化硅粉，依據(jù)級(jí)配理論，選用25體積份W5-8的合金粉、40體積份W10-14的合金粉、15體積份W25-30的合金粉以及10體積份W10-12的碳化硅粉、10體積份W40-45的碳化硅粉，分別倒入球磨混料機(jī)中攪拌45min均勻混合。
E、將混合均勻的粉通過(guò)液壓機(jī)采用600MPa的壓力壓制成圓柱形生坯料。
F、將上述生坯料采用6061鋁套包裹，使用真空泵去除鋁套內(nèi)及鋁套內(nèi)生坯料中的氣體，將上述坯錠放止于真空加熱設(shè)備中以580℃保溫2h使其致密化。
G、將上述致密化的坯錠迅速在1200t的熱擠壓機(jī)中以擠壓速度0.5mm/s、擠壓比20擠壓成棒料。
H、將所得棒料去除包裹的鋁，再通過(guò)機(jī)械加工至活塞所需的尺寸、形狀，即可獲得碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的汽車(chē)活塞。
所獲得汽車(chē)活塞碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能如下：
室溫力學(xué)性能：σb＝400～420MPa，σs＝350～360Mpa，δ>6％。
350℃高溫力學(xué)性能：σb＝180～200Mpa，σs＝150～180Mpa，δ>6％。
20℃時(shí)的線膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion)：CTE＝18～21×10-6/℃。
此外，該鋁基復(fù)合材料的熱疲勞性能，磨損率等技術(shù)指標(biāo)均能夠滿(mǎn)足汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的使用要求。