CN103352978B - Al3Ti/Al3Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了Al₃Ti/Al₃Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞及制备方法。所公开的复合活塞包括活塞本体和设在活塞本体的端部和环形槽区域表面上的增强耐磨层，活塞本体材料为硅铝合金，增强耐磨层的材料为硅铝合金和分布于硅铝合金中的Al₃Ti颗粒和Al₃Ni颗粒。所公开的制备方法是在活塞模具内壁布置石墨纸，在石墨纸上放置钛镍合金丝网，之后，在电磁场作用下，于活塞模具内浇注硅铝合金熔体，待硅铝合金凝固后，停止施加电磁场，最后经锻造、热处理、机械加工和打磨处理，得到复合活塞。本发明的复合活塞抗氧化性和耐磨性较好。

Description

Al3Ti/Al3Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞及制备方法

技术领域

本发明涉及高硅铝基活塞，具体涉及一种电磁场法原位合成Al₃Ti/Al₃Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞及其制备方法。

背景技术

近年来，随着汽车轻量化的发展，越来越多的汽车采用了铝基材料发动机，活塞作为发动机中重要的组成部件，使用的活塞材料主要有铸铁、铸钢、铝合金,以及新开发出的活塞材料，如铝基复合材料、陶瓷材料、碳材料、耐热镁合金材料、镁基复合材料等。而目前研究和使用最多的是Al‐Si系多元合金，在成分选择上经历了由亚共晶、共晶、过共晶的发展过程,且Al‐Si活塞产品多采用重力金属型铸造、低压铸造、挤压铸造和半固态成形技术。

活塞在工作时，活塞环形槽与活塞、活塞裙与缸壁往复运动分别构成了摩擦副。活塞端部直接与高温高压燃气相接触，承受较大的热负荷和机械负荷，又因在润滑条件极差的缸套内高速往复运动，承受极大的惯性力，因此，活塞环槽、活塞裙以及活塞端部磨损迅速，活塞失效主要是活塞环槽和活塞端部失效。为提高活塞的使用寿命，开发出颗粒增强铝基复合活塞，即利用高硬度、高模量的陶瓷颗粒增强活塞的易失效部位，以提高活塞的寿命，目前主要是将SiC颗粒加入到熔融的基体材料中，在重力或外力作用下浇铸成型得到复合活塞，但这种外加颗粒的方法制备出复合活塞的缺陷是：颗粒与基体的界面结合较差，结合力较低，在使用过程中，增强相容易脱落，其次增强相不稳定，在高温下易分解。基于此又开发出原位合成法制备复合活塞的制备技术，即在体系中形成所期望的增强体，其特点是增强体并非外界引入，而是在金属基体内通过原位形核、长大得到表面无污染、与基体界面结合强度高、热力学较稳定的增强相，确保增强颗粒与基体较好的界面结合，以及在基体中良好的热力学稳定性，利于高温工况下工作，从而扩大了颗粒增强复合活塞的应用领域。

本发明的目的之一在于提供一种Al₃Ti/Al₃Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞。

相应地，本发明提供的Al₃Ti/Al₃Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞包括活塞本体和设在活塞本体端部和环形槽区域表面上的增强耐磨层，所述活塞本体的材料为硅铝合金，所述增强耐磨层的材料为Al₃Ti、Al₃Ni和硅铝合金。

所述增强耐磨层的材料为Al₃Ti颗粒、Al₃Ni颗粒、Al₃Ti颗粒与Al₃Ni颗粒间的硅铝合金。

所述增强耐磨层的厚度为1～5mm。

所述增强耐磨层是用Ti与Ni的摩尔比为（1～10）:（1～10）的钛镍合金丝制备的。

所述钛镍合金丝的直径为50～150μm。

本发明的另一目的在于提供上述Al₃Ti/Al₃Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞的制备方法，该方法具体是在电磁场作用下原位合成Al₃Ti/Al₃Ni颗粒。

方法包括以下步骤：

在活塞模具内壁布置石墨纸，在石墨纸上放置钛镍合金丝网，之后，在电磁场中，于活塞模具内浇注硅铝合金熔体，待硅铝合金凝固后，停止施加电磁场，得到半成品；

对半成品进行锻造、热处理、机械加工和打磨处理；

之后得到成品。

所述钛镍合金丝网为20～100目的钛镍合金丝网。

所述电磁场的频率为2000～3000Hz、功率为20～30KW。

上述制备方法中在硅铝合金熔体开始凝固时，降低电磁场的强度，且在硅 铝合金凝固过程中逐步降低电磁场的功率，待硅铝合金熔体完全凝固后，电磁场的功率降为零。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

（1）活塞的端部及环形槽部为合金在凝固过程中原位生成的Al₃Ti/Al₃Ni颗粒与铝基体形成的增强区域，具有较好的耐磨性和抗高温氧化性；活塞裙部及销孔为无颗粒的非增强区域，具有较好的抗拉强度；增强区域和非增强区域间形成冶金结合；

（2）增强体分布均匀：微米级直径的钛镍合金丝网的选用，为原位反应生成分布均匀的Al₃Ti/Al₃Ni颗粒增强体奠定了基础，同时节约大量的贵金属。

（3）施加电磁场作用：①铸模和钛镍合金丝均为导磁性物质，施加电磁场可快速预热铸模，避免铸模和丝网因温度低，造成凝固壳的形成；②能够起到细化晶粒的效果；③能够对原位反应合成的两种颗粒起到均匀化分布的效果；④颗粒增强的复合区，其基体为球状的α‐Al基体，重熔加热至550℃～570℃时，触变性较好，适宜锻造成形、利于组织致密化。

（4）结合力强：原位合成的增强体与基体的界面干净、结合牢固，能非常有效地传递应力，保证复合材料耐磨性和高温机械性能的发挥，进而延长活塞的使用寿命。

（5）抗氧化性增强：复合活塞的外表面含有大量的Al₃Ti/Al₃Ni增强体，在高温时形成致密的氧化铝薄膜，而非氧化铝和氧化钛形成的混合膜，表现出较好的抗氧化性能；

（6）耐磨性好：大量的Al₃Ti/Al₃Ni增强体除了与基体较好的结合力外，还具有较高的硬度。

（7）本发明的方法制备的复合活塞参数密度为1.9‐2.3g/cm³；抗弯强度为90‐115Mpa；膨胀系数为(7‐9)×10^‐6/℃；摩擦系数为0.035‐0.074；导热率为 80‐140W/mK。

一种优选的Al₃Ti/Al₃Ni颗粒协同增强铝基复合活塞的制备方法包括以下步骤：

（1）在活塞模具内壁布置一层石墨纸，再将钛镍合金丝网紧贴石墨纸布置；

（2）浇注前开始施加频率为2000～3000Hz、功率为20～30KW的电磁场，先将活塞模具和钛镍合金丝网预热到200～300℃；

然后将熔融的硅铝合金液浇注于活塞模具中，浇注温度为700～760℃，硅铝合金液流量为5～15Kg/min；

浇注完5～10min后，按3～5KW/min的速度降低电磁场功率，至硅铝合金熔体完全凝固后，停止施加电磁场，得铸造态复合活塞；

（3）将铸造态复合活塞重熔加热至550℃～570℃，然后送入锻模机的锻模型腔内，进行触变锻压处理，得到锻造态复合活塞，锻造时模型腔内预热温度为：100～300℃，锻造变形速度为5～15mm/s；

（4）将锻造态复合活塞在450～500℃条件下处理8～10h，接着在150～200℃条件下处理3～6h；

对经步骤（4）处理后的活塞进行机械加工和打磨，得到Al₃Ti/Al₃Ni两种颗粒协同增强的硅铝基复合活塞。

上述优选的制备方法中：

石墨纸的作用主要是避免熔体和模具的粘连，若连接后造成铸造品表面不光滑。

浇注完后，继续施加电磁场，在感应加热作用下，促使液态的铝液与固态的钛镍合金丝网反应，形成Al₃Ti/Al₃Ni两种金属间化合物颗粒，且均匀分布于 活塞的端部和环形槽区域；反应5～10min后，按3～5KW/min的速率降低电磁功率，乃至金属液完全凝固后，停止施加电磁场，从模具中取出铸件，冷却至室温，即可得到两种颗粒协同增强铸造态铝基复合活塞；该过程中铸造态复合活塞的凝固是在电磁场作用下进行的，根据半固态成型原理，基体的组织主要为球状的α‐Al，利于触变锻压处理；并且熔体在外加电磁场产生的洛伦磁力作用下处于强烈的混合对流运动状态，传热和传质速度明显提高，增加了高温铝液和钛镍合金丝间的接触机会，反应界面扩大，增强相Al₃Ti、Al₃Ni颗粒的生成数量增加；并且原位反应合成的Al₃Ti增强体可通过合金元素Ni转变为L12结构，合金化后的A1₃Ti的室温脆性有了较大的改观，从而提高复合材料的韧性。

采用上述优选方法制得的复合活塞显微组织均匀致密、晶粒细小，具有较好的热导率和低的热膨胀系数、耐高温性能提高，抗拉强度：280～300MPa，硬度：HB>100，相对于单一的硅铝合金活塞而言，耐磨性增加1.5～2.0倍，在400～500℃范围内的抗氧化性能提高1倍左右。相对于铸铁类的活塞质量减轻2～3倍，可大大提高活塞内燃机效率，降低发动机重量，减少油耗和排放量等优点。

采用上述优选方法制造的复合活塞与过热液态熔体铸造的硅铝合金活塞相比，半固态金属含有一定体积分数的球状初生固相，可重熔加热和利于触变锻造处理，减少组织中气孔、成分偏析等缺陷，大大提高组织的致密性。

附图说明

图1为本发明的Al₃Ti/Al₃Ni颗粒协同增强铝基复合活塞的制备过程中的局部结构参考示意图；

图2为实施例1制备的铸造态复合活塞的显微组织图；

图3为实施例2制备的铸造态复合活塞的显微组织图；

图4为实施例3制备的铸造态复合活塞的显微组织图；

图中：1-电磁感应线圈、2-模具、3-钛镍合金丝网。

具体实施方式

与陶瓷颗粒相比较而言，Al‐Ti、Al‐Ni系金属间化合物不仅具有低的密度，高的硬度和高的熔点，而且与金属Al基体有相似的晶格结构和相近的热膨胀系数，本发明在已成熟的高强度硅铝活塞基体中，加入Al₃Ti和Al₃Ni两种金属间化合物颗粒，一方面提高抗摩擦、磨损性能，另一方面降低热膨胀系数和提高热传导率，从而确保复合活塞的抗高温性能。

本发明结合Al₃Ti、Al₃Ni金属间化合物、电磁感应预热效应、液固反应、锻造成形等特点，提供一种施加电磁场原位合成Al₃Ti/Al₃Ni两种颗粒协同增强硅铝基复合活塞及其制备方法，以更有效满足活塞耐磨性和高温机械性能的要求。

本发明公开了Al₃Ti/Al₃Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞及制备方法。所公开的复合活塞包括活塞本体和设在活塞本体的端部和环形槽区域表面上的增强耐磨层，活塞本体材料为硅铝合金，增强耐磨层3（参考图1）的材料为硅铝合金和分布于硅铝合金中的Al₃Ti颗粒和Al₃Ni颗粒，其厚度为1～5mm；所述的Al₃Ti/Al₃Ni两种颗粒由钛镍合金丝与硅铝合金熔体中的铝基体在电磁感应线圈1（参考图1）的作用下原位反应得到。

本发明的增强相来自钛镍合金丝编织成的丝网，只对活塞的端部和环形槽区域进行强化，大大节约了资源；关于方法中所用的钛镍合金丝网：将Ti原子与Ni原子摩尔比为（1～10）:（1～10）、直径为50～150μm的钛镍合金丝编织成网孔规格为20～100目的网，然后根据活塞端部和环形槽待增强区的形状、尺寸和厚度，选择适当层数的合金丝网，并将其进行裁剪和叠加，得到带底面的圆桶形钛镍合金丝网；

本发明制备方法中所用的活塞模具含碳量<0.30%，磁导率为1000～3000，模具的壁厚可选择在10～15mm之间。

本发明的活塞本体材料硅铝合金，根据活塞基体材质的要求，确定硅铝基材料的化学成分，在750～820℃下熔炼硅铝合金。

以下是发明人给出的具体实施例，需要说明的是本发明不限于这些实施例，在本发明给出的范围内，均能够制造合格的Al₃Ti/Al₃Ni两种颗粒协同增强高硅铝基复合活塞。

实施例1：

本实施例制备的活塞尺寸为外径为150mm，活塞端部和环形槽的增强层为2～3mm厚的Al₃Ti/Al₃Ni两种金属间化合物颗粒增强硅铝基复合材料，其中Al₃Ti/Al₃Ni的摩尔比为10:1，硅铝基合金基体材料为：硅：18.0、铜：4.0、镁：0.7、锌：0.2、镍：1.0、铁：1.0、其余为铝。

本实施例的制备工艺步骤如下：

第一步，将Ti/Ni含量原子摩尔比为10:1、直径为150μm的钛镍合金丝编织成网孔规格为100目钛镍合金丝网，然后根据活塞外表面待增强区的厚度、形状与尺寸，截取三张直径约为200mm的圆片，将其重叠制制成直径为的圆桶状丝网预制体，圆桶的尺寸为Ф150mm×50mm；

第二步，根据活塞的尺寸和形状，准备活塞模具；

第三步，布置石墨纸和钛镍合金丝网预制体：参考图1，将石墨纸和步骤一中得到的钛镍合金丝网3预制体分别布置于活塞模具1内，石墨纸位于模具内壁和预制体之间，预制体所处位置为活塞端部和环形槽待增强区在低碳钢模具内的相应位置；

第四步，将活塞基体材料在790‐820℃下熔炼，静置15min后，得到熔融 的活塞基体材料；

第五步，在浇注前三分钟，施加频率3000Hz，功率为30KW的电磁场，利用电磁场将铸模和丝网预制体预热到200‐300℃，以避免浇注熔体时，遇到冷的铸模，造成凝固壳的形成，然后将熔融的活塞基体金属液浇注到步骤三得到的活塞低碳钢模具中，其中浇注温度为740‐760℃，金属液流量10Kg/min；

第六步，浇注完后，继续施加电磁场，在感应加热作用下，促使贴近铸壁内壁的金属铝液仍处于液相区，实现液相铝液和固态的钛镍合金丝反应形成Al₃Ti金属间化合物，形成的颗粒分布于铸模的内壁（主要指活塞的端部和环形槽区域），5‐10min后，按5KW/min速度降低电磁场的功率，乃至完全凝固后，停止施加电磁场，得到金属间化合物增强硅铝基铸造态复合活塞；

第七步：锻造态复合活塞的获取：将铸造态复合活塞在电阻炉内重熔加热至560±5℃，然后送入锻模机的锻模型腔内，进行触变锻压成形，得到组织致密的锻造态复合活塞，锻造时的模具预热温度为250℃,锻造变形速度为10mm/s；

第八步，热处理态复合活塞的获取：将经步骤七加工过的活塞半成品在480±5℃条件下放置10h，然后在155±5℃条件下放置5h；

第九步，机械加工和打磨处理：对经步骤八得到的热处理态复合活塞进行机械加工和打磨，得到Al₃Ti颗粒增强铝基复合活塞。

该实施例制备的复合活塞参数密度为2.1g/cm³、抗弯强度为105Mpa、膨胀系数为(7‐9)×10^‐6/℃、摩擦系数为0.055‐0.070、导热率为110‐130W/mK、硬度为HB>100、相对于单一的硅铝合金活塞而言，耐磨性增加1.8倍以上，在400‐500℃范围内的抗氧化性能提高1倍左右。

相对于铸铁类的活塞质量减轻约2/3。在400‐500℃范围内的抗氧化性能提 高1倍左右。

该实施例制备的铸造态复合活塞增强耐磨区的显微组织图如图2所示。图2中上部复合区的大量的灰色颗粒为Al₃Ti，少许的白色颗粒以及棒状组织为Al₃Ni颗粒。下部没有颗粒的区域为硅铝合金基体区。

实施例2：

本实施例制备尺寸为外径：100mm的铝基复合活塞，其增强层为1～2mm厚的Al₃Ti/Al₃Ni两种金属间化合物颗粒增强铝基复合材料，其中Al₃Ti/Al₃Ni的分数比为4：1，基体材料为A390高硅铝合金，化学成分为：硅：17.0、铜：4.5、镁：0.6、锌：0.1、镍：0.7、铁：0.5、其余为铝。

该实施例与实施1不同之处在于：（1）增强体Al₃Ti/Al₃Ni的比例不同;（2）基体的化学成分不同，主要指硅的含量不同;（3）增强体的厚度不同。

将Ti/Ni含量原子比为4:1，直径为50μm的钛镍合金丝编织成网孔规格为60目的丝网，然后根据活塞外表面待增强区的厚度、形状与尺寸，截取两张直径约150mm的圆形网片，将其重叠制成圆桶状丝网预制体，圆桶的尺寸为Ф100mm×50mm；

将活塞基体材料在750‐780℃进行熔炼，静置10min，得到熔融的活塞基体材料；

在浇注前三分钟，施加频率为2500Hz、功率为25KW的电磁场，利用电磁场将铸模和丝网预制体预热到200～300℃，然后将熔融的活塞基体金属液浇注到步骤三得到的活塞低碳钢模具中，其中浇注温度为720～750℃，金属液流量为15Kg/min；

浇注完5‐10min后，按3KW/min速度降低电磁场的功率，至完全凝固后，停止施加电磁场；

将上述的铸造态复合活塞在电阻炉内重熔加热至565±5℃，然后送入锻模机的锻模型腔内，进行触变锻造成形，得到组织致密的锻造态复合活塞；锻造时的模具预热温度为100℃，锻造变形速度为5mm/s；

该实施例制备的复合活塞参数密度为2.2g/cm³、抗弯强度为110Mpa、膨胀系数为（7.5‐8.5）×10^‐6/℃、摩擦系数为0.045‐0.060、导热率为110‐130W/mK、硬度为HB>100、相对于单一的铝合金活塞而言，耐磨性增加1.5倍以上，与单一的硅铝合金活塞相比较耐磨性增加1.8倍以上，在400‐500℃范围内的抗氧化性能提高1倍左右。相对于铸铁类的活塞质量减轻约2/3。在400‐500℃范围内的抗氧化性能提高1倍左右。

该实施例制备的铸造态复合活塞增强耐磨区的显微组织图如图3所示。图3中复合区大量的灰色颗粒为Al₃Ti，白色颗粒以及棒状组织为Al₃Ni颗粒。

实施例3：

本实施例制备复合活塞外径尺寸为70mm，其增强层为1～2mm厚的Al₃Ti/Al₃Ni两种金属间化合物增强的铝基复合材料，其中Al₃Ti/Al₃Ni的摩尔比为2：1，基体材料化学成分为：硅：7.5～.9.0、铜：≤0.3（杂质）、镁：0.35～0.55、锌：≤0.3（杂质）、锰：≤0.1（杂质）、钛：0.10～0.30、铍：0.15～0.40、其余为铝。

该实施例与实施1不同之处在于：（1）增强体Al₃Ti/Al₃Ni的比例不同;（2）基体的化学成分不同，主要指硅的含量不同;（3）增强体的厚度不同。

先将Ti/Ni含量原子比为2：1，直径为100μm的钛镍合金丝编织成网孔规格为100目的丝网，然后根据活塞待增强区的厚度、形状与尺寸，截取两张直径约120mm的钛镍合金丝网片，将其重叠制成圆桶状丝网预制体，圆桶的尺 寸为Ф70mm×50mm；

在浇注前三分钟，施加频率为2000Hz、功率为20KW的电磁场，利用电磁场将活塞模具和丝网预制体预热到200‐300℃，然后将熔融的活塞基体金属液浇注到步骤三得到的活塞低碳钢模具中，其中浇注温度为720‐750℃，金属液流量5Kg/min；

将铸造态复合活塞在电阻炉内重熔加热至560±5℃，然后送入锻模机的锻模型腔内，进行触变锻压成形，得到组织致密的锻造态复合活塞，锻造时的模具预热温度为300℃，锻造变形速度为5mm/s；

该实施例制备的复合活塞参数密度为1.9g/cm³、抗弯强度为97Mpa、膨胀系数为(6.7‐7.9)×10^‐6/℃、摩擦系数为0.040‐0.065、导热率为110‐130W/mK、硬度为HB>100、相对于单一的硅铝合金活塞而言，耐磨性增加1.6倍以上，在400‐500℃范围内的抗氧化性能提高1倍左右，相对于铸铁类的活塞质量减轻约2/3，在400‐500℃范围内的抗氧化性能提高1倍左右。

该实施例制备的铸造态复合活塞增强耐磨区的显微组织图如图4所示。图4中复合区的大量灰色颗粒为Al₃Ti；白色颗粒以及棒状组织为Al₃Ni颗粒。

Claims (6)

1.Al₃Ti/Al₃Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞，该复合活塞包括活塞本体和设在活塞本体端部和环形槽区域表面上的增强耐磨层，所述活塞本体的材料为硅铝合金，其特征在于，

所述增强耐磨层的材料为Al₃Ti颗粒、Al₃Ni颗粒、Al₃Ti颗粒与Al₃Ni颗粒间的硅铝合金，所述增强耐磨层是用Ti与Ni的摩尔比为(1～10):(1～10)的钛镍合金丝制备的，所述钛镍合金丝的直径为50～150μm。

2.如权利要求1所述的Al₃Ti/Al₃Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞，其特征在于，所述增强耐磨层的厚度为1～5mm。

3.权利要求1或2所述的Al₃Ti/Al₃Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在活塞模具内壁布置石墨纸，在石墨纸上放置钛镍合金丝网，之后，在电磁场环境下，于活塞模具内浇注硅铝合金熔体，待硅铝合金凝固后，停止施加电磁场，得到半成品；并且在硅铝合金开始凝固时，降低电磁场的强度，且在硅铝合金凝固过程中逐渐降低电磁场的功率，待硅铝合金完全凝固时，电磁场的功率降为零；

对半成品进行锻造、热处理、机械加工和打磨处理；

经上述步骤后得到成品。

4.如权利要求3所述的Al₃Ti/Al₃Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞的制备方法，其特征在于，所述钛镍合金丝网为20～100目的钛镍合金丝网。

5.如权利要求3所述的Al₃Ti/Al₃Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞的制备方法，其特征在于，所述电磁场的频率为2000～3000Hz、功率为20～30KW。

6.如权利要求3所述的Al₃Ti/Al₃Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)在活塞模具内壁布置一层石墨纸，再将钛镍合金丝网紧贴石墨纸布置；

(2)浇注前开始施加频率为2000～3000Hz、功率为20～30KW的电磁场，先将活塞模具和钛镍合金丝网预热到200～300℃；

然后将熔融的硅铝合金熔体浇注于活塞模具中，浇注温度为700～760℃，硅铝合金熔体流量为5～15Kg/min；

浇注完5～10min后，按3～5KW/min的速率降低电磁场功率，待硅铝合金完全凝固后，停止施加电磁场，得铸造态复合活塞；

(3)将铸造态复合活塞重熔加热至550℃～570℃，然后送入锻模机的锻模型腔内，进行触变锻压处理，得到锻造态复合活塞，锻造时模型腔内预热温度为：100～300℃，锻造变形速度为5～15mm/s；

(4)将锻造态复合活塞在450～500℃条件下处理8～10h，接着在150～200℃条件下处理3～6h；

对经步骤(4)处理后的活塞进行机械加工和打磨，得到Al₃Ti/Al₃Ni两种颗粒协同增强的硅铝基复合活塞。