本發(fā)明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(lǐng)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。
背景技術(shù)：
活塞是發(fā)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(cè)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(fā)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(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(fā)高功率的發(fā)動機時，爆發(fā)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(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)組合活塞有很多問題，所以全鋼活塞也出現(xiàn)了。因此分開制造的目的為減輕活塞重量。
活塞是發(fā)動機的關(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(nèi)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(zhì)量輕、強度高、耐磨性好、尺寸穩(wěn)定性高、導熱性好等。
隨著發(fā)動機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，從傳統(tǒng)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(yōu)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(yīng)用于活塞的性能(如耐磨性、高溫力學性能、尺寸穩(wěn)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(jīng)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(zhì)量。結(jié)果表明，這兩種復合材料在300℃下的線膨脹系數(shù)均比ZL108鋁合金降低了20％～30％，可見其在高溫環(huán)境中尺寸穩(wěn)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(yīng)用帶來很大困難。針對以上技術(shù)難題本發(fā)明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(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明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。
本發(fā)明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(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級合金熔煉爐或50kg級中頻感應(yīng)爐或50kg級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多級快速凝固制粉設(shè)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(jù)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(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(nèi)的空氣通過真空設(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、將棒料機械加工成汽車活塞所設(shè)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(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％有機硅(硅烷偶聯(lián)劑類例如硅烷偶聯(lián)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(yīng)釜中，在溫度40℃-60℃條件下充分攪拌(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(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(shù)滿足汽車活塞的使用要求。
附圖說明
圖1為本發(fā)明加工工藝的流程圖。
具體實施方式
以下通過具體實施方式來說明本發(fā)明。
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Al Fe0.8-1.0V0.8-1.5Si1.4-2.2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(shè)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(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(shù)的包括有機硅(硅烷偶聯(lián)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(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。將分離出來的碳化硅粉清洗、烘干，檢測粉體性能。
結(jié)果分散性在2×10-5、濕潤性在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中攪拌45min均勻混合。
E、將混合均勻的粉通過液壓機采用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，再通過機械加工至活塞所需的尺寸、形狀，即可獲得碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的汽車活塞。
所獲得汽車活塞碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的性能如下：
室溫力學性能：σb＝400～420MPa，σs＝350～360Mpa，δ>6％。
350℃高溫力學性能：σb＝180～200Mpa，σs＝150～180Mpa，δ>6％。
20℃時的線膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion)：CTE＝18～21×10-6/℃。
此外，該鋁基復合材料的熱疲勞性能，磨損率等技術(shù)指標均能夠滿足汽車發(fā)動機活塞的使用要求。