一种发动机气缸活塞用复合材料的制备方法
【专利摘要】一种发动机气缸活塞用复合材料的制备方法，属于金属基复合材料领域。先将金刚石微粉、氧化铝纤维、碳化钛纤维增强体粉末以及聚乙烯醇溶液按照体积占比为20～25％，5～10％，5～10％，55～70％的比例混合均匀后进行压制成形得到增强体坯体，坯体在空气中于50～60℃烘干4～5小时后置于熔渗炉石墨模具中进行预热，然后将成分为Al～(10～12)Si％、温度为700～750℃的熔融铝合金倒入石墨模具中进行加压，加压完成后得到金刚石颗粒、氧化铝纤维以及由碳化钛与铝硅合金熔渗过程中原位反应生成的钛硅碳纤维复合增强的铝基复合材料块体，然后按照最终活塞尺寸进行加工得到成品。本发明制备的活塞质量轻、使用过程中尺寸稳定性高、散热性及耐磨性能好，能全面提高气缸工作的稳定性和可靠性。
【专利说明】一种发动机气缸活塞用复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属基复合材料领域，涉及一种发动机气缸活塞用复合材料的制备方 法。
【背景技术】
[0002] 随着汽车发动机转速的不断提高，活塞速度也随之提高，汽油机活塞速度可达 ll-16m/s，柴油机活塞速度可达6-8. 5m/s，或更高一些。发动机的高速化，使作用在活塞上 的惯性力亦越来越大，发动机的压缩比也相应提高，燃烧室内的燃烧速度急剧增大，气缸内 容易形成局部压力差，使活塞发生强制振动，从而引起穴蚀或敲缸现象。另外，活塞头部在 交变热应力的作用下，容易产生热变形或热裂现象。所以，除对活塞材料的常温强度、硬度、 延伸率、热膨胀系数等性能有一定的要求外，还对其高温性能，如高温拉伸强度、高温疲劳 强度、导热率及耐磨性能有较高的要求。目前正在使用的铝合金材料、铸铁材料以及铸钢等 由于各自存在一定的性能缺点，如铝合金材料虽然密度小，但膨胀系数大、高温性能差，铸 铁和铸钢密度过大等，难以满足现代高性能汽车对活塞的综合性能要求。
【发明内容】
[0003] 本发明目的是制备一种综合性能优异的活塞材料，弥补现有材料的性能不足，满 足现代高性能汽车对活塞的耐磨性、工作过程尺寸温度性、导热性、高温力学性能等的综合 性能要求。
[0004] 一种发动机气缸活塞用复合材料的制备方法，即在现有铝合金的基础上，通过添 加一定量的金刚石颗粒、氧化铝纤维以及通过碳化钛和铝硅合金原位生成的钛硅碳纤维进 行混合增强，可以进一步提高现有铝合金活塞的尺寸稳定性，导热性以及高温力学性能，尤 其是耐磨性。具体工艺：先制备由金刚石颗粒、氧化铝纤维以及碳化钛纤维组成的多孔增强 体坯体，然后通过熔渗工艺获得致密的金刚石、氧化铝纤维和钛硅碳纤维混合增强的铝基 复合材料，增强相中的钛硅碳纤维通过碳化钛与铝硅合金原位反应生成。多孔增强体的制 备是先配制浓度为4?5 %的聚乙烯醇溶液，然后将聚乙烯醇溶液与10-20 μ m金刚石微粉、 直径10 μ m的氧化铝纤维、直径5-10 μ m的碳化钛纤维增强体粉末按（55?70% ) : (20? 25%) ; (5?10%) : (5?10%)的体积比进行混合均匀并置于钢模中压制成坯体，坯体 的尺寸根据最终活塞的尺寸进行灵活确定，然后将坯体放在烘箱中于50?60°C烘干4?5 小时后得到多孔增强体坯体。熔渗过程为，先将多孔增强体坯体置于熔渗炉石墨模具中，并 预热至300?350°C，然后将成分为A1?（10?12) Si %、温度为700?750°C的熔融铝合 金倒入装有坯体的石墨模具中进行加压熔渗，加压压力为5?lOMPa，加压速度为3?5_/ min，熔渗过程中坯体中的碳化钛纤维将与熔融Al-Si合金中的Si发生原位反应生成钛硅 碳纤维，这样加压完成后得到金刚石颗粒、氧化铝纤维以及由碳化钛与铝硅合金熔渗过程 中原位反应生成的钛硅碳纤维复合增强的铝基复合材料块体，然后按照最终活塞尺寸进行 加工得到成品。
[0005] 采用上述工艺制备的活塞材料，由于添加了金刚石颗粒，因此材料的耐磨性能、尺 寸稳定性，尤其是导热率得到大幅度提高，可以显著增加活塞工作时的散热能力，添加适量 的氧化铝纤维后能够有效增加材料的摩擦稳定性和高温力学性能，而通过原位反应生成的 钛硅碳较氧化铝和碳化钛具有更好的韧性和导热率，可以进一步提高材料的散热性能、耐 磨性能以及高温性能，也可以弥补氧化铝纤维在韧性方面的不足。总之采用熔渗工艺通过 在铝硅合金中添加适量的金刚石、氧化铝纤维以及钛硅碳纤维所制备的活塞具有优异的综 合性能，如高的导热率、耐磨损、尺寸温度性高、膨胀系数小以及高温性能优异等，能够很好 的满足现代发动机气缸对活塞材料的苛刻性能要求。
【专利附图】
【附图说明】：
[0006] 图1为本发明的工艺流程图：
【具体实施方式】：
[0007] (1)制备尺寸为Φ 200mm(外径）X 30mm(厚）的活塞毛述
[0008] 首先按金刚石、氧化铝纤维和碳化钛纤维在最终复合材料中体积占比分别为 20%、5%、5%进行原料粉末混合，所采用的金刚石粒度为ΙΟμπι，氧化铝纤维直径ΙΟμπι， 碳化钛纤维直径10 μ m，根据相应的密度计算，三种原料的质量分别为670克，186克和222 克，原料混合均匀后倒入盛有565毫升的5%聚乙烯醇溶液中进行搅拌均匀，然后将搅拌料 置于Φ200πιπι的钢模中进行压制成形，压制压力为3-5MPa。将成形坯置于50°C烘箱中烘干 5小时，然后将坯体置于熔渗炉石墨模具中进行预热，石墨模具直径为Φ200πιπι，预热温度 350°C，再将成分为Α1?10Si%、温度为750°C质量为1500克的铝合金倒入模具中然后进 行机械加压，加压压力为lOMPa，加压速度为3mm/min，待铝合金全部渗入坯体中后撤压即 得到活塞毛坯，然后根据成品尺寸进行精加工。
[0009] ⑵制备尺寸为Φ 100mm(外径）X 20mm(厚）的活塞毛述
[〇〇1〇] 首先按金刚石、氧化铝纤维和碳化钛纤维在最终复合材料中体积占比分别 为25<%、10%、10(%进行原料粉末混合，所采用的金刚石粒度为2(^111，氧化铝纤维直径 10 μ m，碳化钛纤维直径5 μ m，根据相应的密度计算，三种原料的质量分别为140克，62克和 74克，原料混合均匀后倒入盛有86毫升的5%聚乙烯醇溶液中进行搅拌均匀，然后将搅拌 料置于Φ 100mm的钢模中进行压制成形，压制压力为3-5MPa。将成形坯置于50°C烘箱中烘 干4小时，然后将坯体置于熔渗炉石墨模具中进行预热，石墨模具直径为Φ 100mm，预热温 度300°C，将成分为A1?12Si %、温度为700°C、质量为230克的铝合金倒入模具中然后进 行机械加压，加压压力为5MPa，加压速度为5mm/min，待铝合金全部渗入坯体中后撤压即得 到活塞毛坯，然后根据成品尺寸进行精加工。
【权利要求】
1. 一种发动机气缸活塞用复合材料的制备方法，其特征是先将10-20 μ m金刚石微粉、 直径10 μ m的氧化铝纤维、直径5-10 μ m的碳化钛纤维增强体粉末以及浓度为4?5 %的聚 乙烯醇溶液按照体积占比为20?25%，5?10%，5?10%，55?70%的比例混合均匀后 进行压制成形得到增强体坯体，坯体在空气中于50?60°C烘干4?5小时后置于熔渗炉 石墨模具中进行预热，预热温度为300?350°C，然后将成分为A1?（10?12) Si %、温度 为700?750°C的熔融铝合金倒入石墨模具中进行加压，加压压力为5?lOMPa，加压速度 为3?5mm/min，加压完成后得到金刚石颗粒、氧化铝纤维以及由碳化钛与铝硅合金熔渗过 程中原位反应生成的钛硅碳纤维复合增强的铝基复合材料块体，然后按照最终活塞尺寸进 行加工得到成品。
【文档编号】C22C101/00GK104087878SQ201410306561
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】任淑彬, 许慧, 洪庆楠, 何新波, 曲选辉 申请人:北京科技大学