[发明专利]Al3Ti/Al3Ni颗粒协同增强硅铝基复合活塞及制备方法

说明书

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。