[发明专利]一种活塞用纳米陶瓷颗粒增强铝合金及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，尤其是涉及一种活塞用纳米陶瓷颗粒增强 铝合金及其制作方法。

背景技术

活塞被称为发动机的心脏，在发动机的工作过程中承受着持续交变的机械 载荷和热载荷，属于发动机中工作条件最为恶劣的关键零件。由于活塞在高温 高压高速的工况下工作，活塞用材料必须有较高的高温强度和较低的热膨胀系 数，以维持发动机稳定的工作效率。当前主要使用的活塞材料是耐高温铝合金， 铸铁和铸钢材料。其中，以耐高温铝合金的应用最为广泛。但是，随着载重汽 车，铁路机车和船舶用发动机都在向高功率，高负荷，严苛排放要求方向发展， 现有的耐高温铝合金已经越来越难以适应需求。然而，铸铁和铸钢的密度过大， 难以满足现代高效能发动机对活塞的综合性能需求。

相比与普通铝合金，纳米陶瓷颗粒增强铝合金具有高比强度，高比模量， 良好的耐高温性及耐摩性，和低热膨胀系数，在汽车，航空，航天和国防等工 业领域有着广泛的应用。经现有技术文献的检索发现，中国专利申请公布号： CN102410102A，申请公布日为：2012.04.11，发明名称为：一种自生AlNi₃和 Si混合颗粒局部增强铝合金活塞及其制备方法。本质上是一种使用微米级的 AlNi₃和Si颗粒局部增强铝合金基体后在作为活塞材料的使用。此发明的材料 使用离心铸造的方法制备。由于使用颗粒对活塞材料进行局部增强，使得活塞 材料在力学，热膨胀以及耐摩擦性能上呈现出不均一性，不利于活塞整体设计 的考虑，亦不利于材料制备过程中的材料性能控制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种满足现 代高效能发动机对活塞的高温强度，工作温度区间的尺寸稳定性和耐磨性等性 能的综合要求的活塞用纳米陶瓷颗粒增强铝合金。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种活塞用纳米陶瓷颗粒增强铝合金，由以下重量百分比含量的组分构 成：Si9～20％、Mg0.2～3％、Cu1～6％、Ni1～4％、Fe0.1～1.2％、Mn0.1～ 1.2％、Zr0.05～1.2％、V0.05～1.2％、TiB₂颗粒0.1～25％，余量为Al。

优选地，TiB₂颗粒为粒径在10-350nm的纳米颗粒，形状为六方形或长方 形。TiB₂颗粒均匀分布在铝合金中，界面干净且无界面反应。

活塞用纳米陶瓷颗粒增强铝合金的制造方法，采用以下步骤：

(1)熔化铝锭，然后用高温覆盖剂覆盖熔体，升温至850～1050℃；

(2)将KBF₄、K₂TiF₆按质量比为1:1.2-2.0均匀混合，烘干后加入熔体中， 进行机械搅拌，同时向熔体中通入Ar；

(3)取出反应熔渣，加入Si、Mg以及Al-Cu、Al-Ni、Al-Fe、Al-Mn、 Al-V和Al-Zr二元金属合金，在熔体中加入铝合金精炼剂进行除气精炼，扒 去浮渣，静置后浇注到模具中，得到纳米陶瓷颗粒增强铝合金。

优选地，高温覆盖剂为市售的JZF-03型高温覆盖剂。铝合金精炼剂为市售 的JZJ型无害铝合金精炼剂。

与现有技术相比，本发明中的Si颗粒提供了一定的高温强度和耐磨性能； Cu，Mg，Ni，Fe和Mg能在铝合金中形成稳定且扩散速率低的第二相，在高 温下能起到强化作用；Zr和V在形成具有热稳定性的第二相的同时，还能细化 铝合金组织以起到强化作用。最重要的是，TiB₂颗粒是从铝熔体中原位反应自 生的，与铝基体结合良好，且其作为陶瓷相高温强度稳定性优异。此外，TiB₂颗粒尺度细小，均匀弥散的分布在合金基体上，有利于提高铝合金的高温性能。 本发明制作得到的铝合金在350℃时抗拉强度>110MPa，线膨胀系数 15～18×10^-6/℃，适合用于制造活塞。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明的组分及其质量百分比为：Si12％、Mg2％、Cu5％、Ni2.2％、Fe 0.5％、Mn0.2％、Zr0.05％、V0.05％、TiB₂颗粒2％，余量为Al。