一種汽車活塞碳化硅顆粒增強鋁基復合材料及加工工藝制造技術

本發明專利技術涉及一種汽車活塞碳化硅顆粒增強鋁基復合材料及加工工藝，所述加工工藝包括選取AlFe0.8-1.0V0.8-1.5Si1.4-2.2合金為基體合金，在爐內將合金熔煉，將上述熔煉的合金熔液通過多級快速凝固制粉設備霧化制得合金粉，通過篩分獲得不同粒徑段的合金粉；將碳化硅粉預處理；依據級配理論，按合金粉:碳化硅粉分別倒入球磨混料機中攪拌均勻混合；將上述混合均勻的粉末通過液壓機壓制成一定形狀的生坯料，用擠壓型鋁套將生坯料包裹；除去包套內的空氣，優化高密度坯錠，再放置于真空加熱設備中保溫，使坯錠致密化；將致密化后的坯錠迅速放入熱擠壓設備擠壓成棒料；將棒料機械加工成汽車活塞所設計尺寸、形狀。

【技術實現步驟摘要】
一種汽車活塞碳化硅顆粒增強鋁基復合材料及加工工藝
本專利技術涉及一種汽車活塞碳化硅顆粒增強鋁基復合材料及加工工藝，其屬于汽車活塞加工領域，提供了一種汽車活塞碳化硅顆粒增強鋁基復合材料及加工工藝。
技術介紹
活塞是發動機中工作條件最復雜的零件，作用在活塞上的有氣體力和往復慣性力，活塞頂部與高溫燃氣直接接觸，使活塞頂部的溫度很高，同時活塞在側壓力的作用下沿氣缸壁面高速滑動，由于潤滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴重。為了保證發動機可靠工作，對活塞特別是其頂部有嚴格的要求。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、強度等力學性能。活塞頭部分的工況惡劣，而裙部大多是導向的作用，磨損要小很多。在開發高功率的發動機時，爆發壓力增加了，而原來使用的鋁合金活塞不能用了，因此使用鑄鐵或鋼生產活塞，但這樣活塞也變重了，為了減輕活塞的重量，就出現了組合活塞。但現在有發現組合活塞有很多問題，所以全鋼活塞也出現了。因此分開制造的目的為減輕活塞重量。活塞是發動機的關鍵零部件之一，所處的工作環境非常惡劣：承受著交變的機械負荷和熱負荷，工作溫度很高(頂部高達600～700K)，頂部承受氣體壓力很大(在汽油機中達到3～5MPa)；在氣缸內往復運動的速度很高(10～14m/s)。因此，活塞材料有著苛刻的要求：質量輕、強度高、耐磨性好、尺寸穩定性高、導熱性好等。隨著發動機朝著大功率和高熱效率的方向發展，活塞材料也在不斷改進，從傳統的鑄鐵、鑄鋼到鋁合金再到最新研究的鋁基復合材料活塞。表1對這幾種活塞材料的物理力學性能進行了比較，從中可更清楚地了解到鋁基復合材料的優越性。表1幾種活塞材料的物理力學性能比較鋁基復合材料應用于活塞的性能(如耐磨性、高溫力學性能、尺寸穩定性)研究已取得一些進展。鋁基復合材料的顆粒增強相可以是Al2O3、Al2O3+SiO2、SiC、C或Ti2B等，將這些顆粒材料經過特殊處理后用特種方法加入鋁液而使其彌散分布，可增強活塞整體和局部的耐磨性并大大減輕其質量。結果表明，這兩種復合材料在300℃下的線膨脹系數均比ZL108鋁合金降低了20％～30％，可見其在高溫環境中尺寸穩定性更好。目前鋁基復合材料的制備工藝復雜、成本高、工藝不完善，在活塞上的應用帶來很大困難。針對以上技術難題本專利技術專利提供一種汽車活塞碳化硅顆粒增強鋁基復合材料及加工工藝。
技術實現思路
本專利技術專利提供一種汽車活塞碳化硅顆粒增強鋁基復合材料及加工工藝。本專利技術專利所采用的汽車活塞碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的加工工藝包括如下步驟：A、選取(AlFe0.8-1.0V0.8-1.5Si1.4-2.2)合金(即8009鋁合金)為基體合金，在爐內例如箱式電阻爐150kg級合金熔煉爐或50kg級中頻感應爐或50kg級真空熔煉爐中將合金熔煉，例如600-1500℃，優選1000～1200℃熔煉保溫2-10h；B、將上述熔煉的合金熔液通過多級快速凝固制粉設備霧化制得合金粉，通過篩分獲得不同粒徑段的合金粉；C、將碳化硅粉預處理；D、依據級配理論，通過將步驟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中攪拌均勻混合；E、將上述混合均勻的粉末通過液壓機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、將上述包套內的空氣通過真空設備除去包套內的空氣，優化高密度坯錠，再放置于真空加熱設備中保溫一段時間(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、將棒料機械加工成汽車活塞所設計尺寸、形狀，即可獲得碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的汽車活塞，所述碳化硅粉的預處理包括：將碳化硅粉和酸性溶液(1～30wt％鹽酸溶液，優選5％鹽酸溶液)加入除雜反應釜中環境溫度(25℃-40℃)1-2h充分反應除去雜質(如Fe2O3等)后加入弱堿(例如5-10％氫氧化鋁[Al(OH)3]溶液，優選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％有機硅(硅烷偶聯劑類例如硅烷偶聯劑Z-6040)、5-15％有機氟(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釜中，在溫度40℃-60℃條件下充分攪拌(攪拌轉速300-1000r/min)2-6h；將碳化硅粉沉積分離，用去離子水清洗，烘干得產品。檢測碳化硅粉體性能，分散性在1-5*10-5之間、濕潤性在10-30％之間、接觸角0-25°。所述碳化硅粉純度98％以上。上述預處理可以按照中國專利201410172870.7的方法來進行。所述擠壓型鋁鋁套優選為鋁6061、鋁6063。優選地，在步驟D中，20-30體積份，優選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，優選10體積份W40-45(中值直徑40-45微米)的碳化硅粉混合。本專利技術還涉及通過上述加工工藝制備的汽車活塞碳化硅顆粒增強鋁基復合材料。該復合材料的室溫力學性能、350℃高溫力學性能、20℃時的線膨脹系數滿足汽車活塞的使用要求。附圖說明圖1為本專利技術加工工藝的流程圖。具體實施方式以下通過具體實施方式來說明本專利技術。實施例1制備S20的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的汽車活塞。如圖1所示，制備過程包括：A、將AlFe0.8-1.0V0.8-1.5Si1.4-2.2合金50kg級真空熔煉爐中以800℃高溫熔煉保溫4h。B、通過多級快速凝固制粉設備霧化制得合金粉，通過篩分獲得不同粒徑段的合金粉。C、按照碳化硅粉按專利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、鹽酸溶液加入反應釜中(環境溫度為25℃-40℃)1.5h充分反應后沉積分離。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％體積分數的包括有機硅(硅烷偶聯劑Z-6040)40wt％、有機氟(含氟羧酸BYK-P104S)表面活性劑10wt％，乙醇40wt％、水10wt％的混合溶液，加入表面處理反應釜中，在50℃恒溫條件下攪拌3h(攪拌轉速500r/min)。上述在反應釜中充分反應后，沉積分離。將分離出來的碳化硅粉清洗本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種汽車活塞碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的加工工藝，其包括如下步驟：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，在爐內例如箱式電阻爐150kg級合金熔煉爐或50kg級中頻感應爐或50kg級真空熔煉爐中將合金熔煉，例如600?1500℃，優選1000～1200℃熔煉保溫2?10h；B、將上述熔煉的合金熔液通過多級快速凝固制粉設備霧化制得合金粉；C、將碳化硅粉預處理；D、依據級配理論，通過將步驟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中攪拌均勻混合；E、將上述混合均勻的粉末通過液壓機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、將上述包套內的空氣通過真空設備除去包套內的空氣，優化高密度坯錠，再放置于真空加熱設備中保溫一段時間(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、將棒料機械加工成汽車活塞所設計尺寸、形狀，即可獲得碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的汽車活塞，所述碳化硅粉的預處理包括：將碳化硅粉和酸性溶液(1～30wt％鹽酸溶液，優選5％鹽酸溶液)加入除雜反應釜中環境溫度(25℃?40℃)1?2h充分反應除去雜質(如Fe...

【技術特征摘要】
1.一種汽車活塞碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的加工工藝，其包括如下步驟：A、選取AlFe0.8-1.0V0.8-1.5Si1.4-2.2合金(即8009鋁合金)為基體合金，在爐內例如箱式電阻爐150kg級合金熔煉爐或50kg級中頻感應爐或50kg級真空熔煉爐中將合金熔煉，例如600-1500℃，優選1000～1200℃熔煉保溫2-10h；B、將上述熔煉的合金熔液通過多級快速凝固制粉設備霧化制得合金粉；C、將碳化硅粉預處理；D、依據級配理論，通過將步驟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中攪拌均勻混合；E、將上述混合均勻的粉末通過液壓機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、將上述包套內的空氣通過真空設備除去包套內的空氣，優化高密度坯錠，再放置于真空加熱設備中保溫一段時間(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、將棒料機械加工成汽車活塞所設計尺寸、形狀，即可獲得碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的汽車活塞，所述碳化硅粉的預處理包括：將碳化硅粉和...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉海洋，牛小城，張輝，牛仕龍，
申請(專利權)人：湖南恒裕新材料科技發展有限公司，
類型：發明
國別省市：湖南,43