本发明涉及汽车活塞用颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术：
铝及铝合金很适合作金属基复合材料的基体，因为铝的资源丰富，且容易获得，价格合理，密度小，质量轻，比强度与比弹性模量大，熔点不高，可塑性良好，制造工艺与设备不甚复杂，易于与增强材料复合和进行第二次加工。此外，还有很好的导电性、导热性与抗蚀性等。这些都是复合材料为满足使用要求所应具备的特性，也是铝基复合材料得到快速发展的重要原因。铝基复合材料具有优异的综合性能，但往往由于工艺复杂、成本昂贵、界面问题以及增强体易偏聚等因素，使其应用受到限制。随着科学技术的不断发展，铝基复合材料研究和应用越来越广泛，加工工艺水平得到极大提高，成本也大大降低。与均质的其他材料相比，铝基复合材料具有如下突出特性：
(1)高比强度和高比弹性模量；
(2)高疲劳强度；
(3)良好的耐磨性能；
(4)良好的高温性能；
(5)良好的尺寸稳定性；(6)其他性能，铝基复合材料由于基体体积分数一般为60％以上，所以具有良好的导电、导热性能，此外还具有良好的抗腐蚀、耐蠕变等特殊物理性能。与其他聚合物基复合材料相比，铝基复合材料性能相对稳定、组织较致密，一般不容易发生分解、也不容易吸潮、老化。
近些年来，随着汽车工业的飞速发展，传统的汽车材料已不能适应人们追求高速与轻量化的要求。节能、环保、安全日益成为当今世界汽车界研究的热点，降低油耗、减少尾气排放成为目前汽车行业亟待解决的问题。许多汽车厂家都积极研究和利用新材料以达到上述要求，汽车轻量化无疑是解决这些问题的最佳途径之一。据报道，汽车质量减少50公斤，1升燃油行驶距离可增加2公里；汽车质量减少10％，燃油经济性可提高5.5％。许多种类型的复合材料都在车身轻量化过程中得到了施展才能的舞台，并在汽车的轻量化进程中大显身手。铝基复合材料具有高比模量、高比强度、良好的耐腐蚀性和耐磨性、高热导性以及低膨胀系数等优点，成为汽车轻量化的首选材料，逐渐受到世界各国汽车制造商的青睐，已逐步应用于汽车领域，且取得了良好的成效。随着新型材料研究工作的不断深入，以及复合材料制备技术的不断突破，复合材料在车身轻量化进程中的作用必将更加突出。
随着现代发动机朝着大功率、高转速、高热效率和低能耗化的方向发展，活塞材料也从常使用的铸铁、铸钢、铝合金发展为新型铝基复合材料活塞。
表1对这几种活塞材料的物理力学性能进行了比较，可从中了解到铝基复合材料相对于其它几种材料所表现的优越性能。
表1几种活塞材料的物理力学性能比较
由于传统的铝合金活塞已经达到或接近使用的极限，为此，铝基复合材料的开发受到国内外高度关注。目前，铝基复合材料活塞的增强体主要是以短纤维和颗粒的形式加入到基体中。铝基复合材料活塞的颗粒增强相通常有sic、al2o3、c颗粒、ti2b等，特殊处理后，加入并使其弥散分布于铝基体中，可使得活塞得到整体或局部增强。利用复合材料对铝活塞进行局部增强，根据发动机的具体情况，图1列举了复合材料活塞的三种常见强化方式：(a)增强第一道环槽区域，提高活塞环槽耐磨性；(b)增强第一道环槽及顶部凹形燃烧室口，除了提高活塞环槽的耐磨性外，还可解决因热强度不足而造成燃烧室口的裂纹；(c)对第一道环槽区域及整个顶平面(包括燃烧室口)的增强，除提高活塞环槽的耐磨性外，还提高了整个活塞顶部承受热负荷的能力。
第三种增强方式，可以很好地适应于当前大功率柴油发动机的要求。活塞顶部饼状坯料可由挤压后柱状坯料锻造而成，锻造活塞经塑性加工成型，晶粒可以得到细化且呈流线分布，材料内部孔隙等缺陷被焊后内部组织更加致密，不仅力学性能有所提高，导热和抗高压能力也明显增强，增加了活塞工作的可靠性。
自20世纪60年代开始，各国都对铝基复合材料进行了系统全面的研究，取得了丰硕的成果。国外从70年代初开始研究纤维增强铝活塞。1983年丰田汽车公司制成了sic颗粒局部增强铝基复合材料汽车发动机活塞；日本本田公司成功应用铝基复合材料制造了发动机活塞环槽，且性能和寿命均优于传统的铸铁镶块环槽，2000年该公司又推出氧化铝纤维增强活塞顶的铝活塞；美国duralcan用sic颗粒增强铝基复合材料制造了汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件，这种汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、良好的耐高温性能和抗咬合性能，同时热膨胀系数更小，导热性更好；美国dwa公司成功采用sic/al基复合材料制造摩托车活塞，大大提高了活塞的耐磨性；1984年，英国ae公司制备出陶瓷纤维增强铝基活塞，在法拉利一级方程式赛车上应用整体采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料锻件的发动机活塞，活塞性能得到提高，取得很好的效果。
国内在新型活塞材料上的研究还比较落后于日本、欧美等国。近年，国内一些高校和研究单位也开展了这方面的研究工作。东南大学研制了陶瓷纤维增强铝基复合材料活塞，并将其应用于汽车发动机、大马力柴油机上，使得活塞的寿命提高了3-5倍，且明显提高了发动机的功率，大大减少汽车油耗和尾气排放，这种陶瓷纤维增强铝基复合材料与普通铝合金材料相比，高温抗拉强度提高了20％-40％，线膨胀系数降低了20％。曲阜金皇活塞有限公司研制的sicp/al复合材料活塞，通过主机厂家的试验验证，性能优良，发动机功率提高5％-8％。活塞耐磨性能是普通si/al活塞的3倍以上，高温强度≥140mpa。其生产的活塞装配在“千红鸟牌”摩托车上，在发动机、车架等主要零部件无更换、无大修的情况下，采取换人不换车的方式连续行驶100天，其中qh125型摩托车行驶里程为108000公里，qh125-6摩托车行驶里程为108013公里，创下两项吉尼斯世界纪录。西安工业大学和西安康博新材料科技有限公司，共同研制了纳微米粒子混杂增强铝基复合材料专有技术，以及金属型整体铸造高功率增压柴油机活塞全套技术。该技术生产的混杂增强铝基复合材料，耐磨性比铝合金提高3-5倍，热膨胀系数减少10％以上，抗拉强度提高20％-30％，刚度(弹性模量)提高10％-15％，使用温度提高50-100℃。而其成本仅与铝合金价格基本相当或略高于铝合金价格。目前，运用该材料生产的军用高功率增压柴油机活塞已通过了发动机800h台架试验和1.0×104km跑车试验，其综合性能优于德国马勒公司产品，完全达到进口活塞的材质要求。刘怀喜等以zl101为基体，加入适量sic增强相及润滑材料mos2，采用适当的加工工艺，制备了一种新型活塞材料。该材料保留了铝合金低密度、高导热性，明显提高了其强度、耐磨性，但由于基体为zl101铝合金耐热性差、高温强度不高。特别是在油膜遭到破坏的情况下，该材料仍具有良好的耐磨性和较好自润滑性。
技术实现要素：
本发明针对目前活塞用颗粒增强铝基复合材料高温强度不高(现在重载车发动机活塞要求在350℃的抗拉强度不小于180mpa)的实际情况，提出一种汽车活塞用颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，包括铝合金粉末制备、增强颗粒与铝合金粉末混合、颗粒增强铝基复合材料挤压锭坯(包套、预压实、抽真空)、加热、挤压、锻造、机加工。该产品具有比重小、膨胀系数低、高耐磨、室温和高温强度高等特点。
本发明的一个目的是提供一种汽车活塞用颗粒增强铝基复合材料，其包括化学成分组成为fe8-10wt％(优选8.3-9.5wt％)、v0.8-1.5wt％(优选1.0-1.3wt％)、si1.4-2.2wt％(优选1.6-2.0wt％)、其余为al的铝合金基体粉末75-91体积％，优选78-89体积％、碳化硅8-25体积％，优选10-20体积％、石墨粉0.5-4体积％，优选1-2体积％，所述体积％是以铝合金基体粉末、碳化硅和石墨粉的总体积为基准计，
所述铝基复合材料是通过将铝合金基体粉末、碳化硅和石墨粉混合均匀，然后压实以将所得混合物制成挤压锭坯，然后加热至450-520℃，优选470-500℃下保温，按挤压比8以上(例如8-13，优选9-12)挤压，再锻造，任选地(可有可无)进一步机加工而制备的。
进一步地，所述铝合金基体粉末中的fe和v通过中间合金的形式加入。
进一步地，所述铝合金基体粉末是通过在中频感应炉中在1550℃～1650℃，优选1580～1620℃下熔配a1-40fe，a1-40fe-10v中间合金，然后再添加适量的纯铝和纯硅在1000-1050℃，优选1010～1030℃，更优选约1020℃熔配al-8.5fe-1.3v-1.7si母合金，然后用氮气雾化粉末而获得的。
进一步地，在挤压工艺中，挤压速度为挤压速度0.4mm/s-1mm/s。
进一步地，挤压锭坯加热中，加热速度为10-60℃/小时，优选30-50℃/小时，保温时间为3-12小时，优选4-8小时。
进一步地，铝合金基体粉末除了fe、v、si、al以外可含有不可避免的杂质，例如ti0.05～0.1wt％、cr0.10-0.15wt％，mn0.10-0.15wt％，0.20-0.30wt％zn等。
进一步地，在锻造工艺中，锻造加热温度480-540℃，保温时间30-60分钟，压下速度1mm/s-5mm/s，模具温度400-450℃，锻压比不小于5，例如5-6，优选5.3-5.8。
进一步地，所述铝基复合材料具有如下性能：
室温力学性能：σb>400mpa，尤其428-445mpa，σs>350mpa，δ>3％，尤其3.1-3.9％；
350℃高温力学性能：σb>180mpa，尤其185-195mpa，σs>140mpa，δ>6％，尤其6.3-7.2％；
20℃时的线膨胀系数：cte＝16-20×10-6/℃。
本发明进一步涉及制备上述汽车活塞用颗粒增强铝基复合材料的方法，该方法包括如下步骤：
将化学成分组成为fe8-10wt％(优选8.3-9.5wt％)、v0.8-1.5wt％(优选1.0-1.3wt％)、si1.4-2.2wt％(优选1.6-2.0wt％)、其余为al的铝合金基体粉末75-91体积％，优选78-89体积％、碳化硅8-25体积％，优选10-20体积％、石墨粉0.5-4体积％，优选1-2体积％混合均匀，然后压实以将所得混合物制成挤压锭坯，然后加热至450-520℃，优选470-500℃下保温，按挤压比8以上(例如8-13，优选9-12)挤压，再锻造，任选地进一步机加工。
进一步地，在所述方法中，所述铝合金基体粉末中的fe和v通过中间合金的形式加入。
进一步地，在所述方法中，所述铝合金基体粉末是通过在中频感应炉中在1550℃～1650℃，优选1580～1620℃下熔配a1-40fe，a1-40fe-10v中间合金，然后再添加适量的纯铝和纯硅在1000-1050℃，优选1010～1030℃，更优选约1020℃熔配al-8.5fe-1.3v-1.7si母合金,然后用氮气雾化粉末而获得的。
进一步地，在挤压工艺中，挤压速度为挤压速度0.4mm/s-1mm/s。
进一步地，挤压锭坯加热中，加热速度为10-60℃/小时，优选30-50℃/小时，保温时间为3-12小时，优选4-8小时。
本发明的优点：
使用本发明的方法获得的铝基复合材料，提高了高温力学性能，具有高温耐磨和尺寸稳定的特性。
附图说明
图1是复合材料活塞的三种强化方式示意图，其中(a)增强第一道环槽区域；(b)增强第一道环槽及顶部凹形燃烧室口；(c)增强第一道环槽区域及整个顶平面(包括燃烧室口)。
具体实施方式
以下通过实施例来进一步说明本发明，然而，这些实施例仅用于示例的目的，不构成对本发明的任何限制。
实施例1
按本发明铝合金基体粉末的重量分数配制合金，基体合金中fe和v以a1-40fe和a1-40fe-10v中间合金的形式加入。首先在中频感应炉中在1600℃左右熔配a1-40fe，a1-40fe-10v中间合金，然后再添加适量的纯铝和纯硅在1020℃熔配al-8.5fe-1.3v-1.7si母合金,然后用氮气雾化粉末，其化学成份如表1中的合金一；随后再按体积分数占比为10％的sic颗粒和2％的石墨混合均匀，混合后装入5mm厚3003铝合金管内经压实、真空脱气制成尺寸为ф152×450mm挤压锭坯，相对密度约为78％。
加热温度470-480℃，加热速度50℃/小时，保温时间4小时；模具温度420-430℃加热，在1400t挤压机(挤压筒ф158mm)挤压成ф52mm，挤压速度0.6mm/s，挤压比λ＝9.23。然后切取ф52×106.6mm的挤压棒料在630t压力机上锻压成ф120×20mm的镶块，锻造加热温度480-490℃，保温时间30分钟，压下速度1mm/s，模具温度420-430℃，锻压比λ＝5.33。锻造后的实测锻件的主要性能如表2。
实施例2
按本发明铝合金基体粉末的重量分数配制合金，基体合金中fe和v以a1-40fe和a1-40fe-10v中间合金的形式加入。首先在中频感应炉中在1600℃左右熔配a1-40fe，a1-40fe-10v中间合金，然后再添加适量的纯铝和纯硅在1020℃熔配al-8.5fe-1.3v-1.7si母合金，然后用氮气雾化粉末，其化学成份如表1中的合金一；随后再按体积分数占比为15％的sic颗粒和1％的石墨混合均匀，混合后装入5mm厚3003铝合金管内经压实、真空脱气制成尺寸为ф175×550mm挤压锭坯，相对密度约为72％。
加热温度490-500℃，加热速度40℃/小时，保温时间5小时；模具温度420-430℃加热，在1800t挤压机(挤压筒ф180mm)挤压成ф55mm，挤压速度0.4mm/s，挤压比λ＝10.71。然后将ф55×111.7mm的挤压棒在630t压力机上锻压成ф130×20mm的镶块，锻造加热温度490-500℃，保温时间60分钟，压下速度1mm/s，模具温度420-430℃，锻压比λ＝5.59。
锻造后的实测锻件的主要性能如表2。
实施例3
按本发明铝合金基体粉末的重量分数配制合金，基体合金中fe和v以a1-40fe和a1-40fe-10v中间合金的形式加入。首先在中频感应炉中在1600℃左右熔配a1-40fe，a1-40fe-10v中间合金，然后再添加适量的纯铝和纯硅在1020℃熔配al-8.5fe-1.3v-1.7si母合金，然后用氮气雾化粉末，其化学成份如表1中的合金一；随后再按体积分数占比为20％的sic颗粒和1％的石墨混合均匀，混合后装入5mm厚3003铝合金管内经压实、真空脱气制成尺寸为ф175×550mm挤压锭坯，相对密度约为71％。
加热温度490-500℃，加热速度40℃/小时，保温时间5小时；模具温度420-430℃加热，在1800t挤压机(挤压筒ф180mm)挤压成ф55mm，挤压速度0.4mm/s，挤压比λ＝10.71。然后将ф55×111.7mm的挤压棒在630t压力机上锻压成ф130×20mm的镶块，锻造加热温度490-500℃，保温时间60分钟，压下速度1mm/s，模具温度420-430℃，锻压比λ＝5.59。
锻造后的实测锻件的主要性能如表2。
实施例4
按本发明铝合金基体粉末的重量分数配制合金，基体合金中fe和v以a1-40fe和a1-40fe-10v中间合金的形式加入。首先在中频感应炉中在1600℃左右熔配a1-40fe，a1-40fe-10v中间合金，然后再添加适量的纯铝和纯硅在1020℃熔配al-9.5fe-1.5v-2si母合金,然后用氮气雾化粉末，其化学成份如表1中的合金二；随后再按体积分数占比为15％的sic颗粒和1.5％的石墨混合均匀，混合后装入5mm厚3003铝合金管内经压实、真空脱气制成尺寸为ф175×550mm挤压锭坯，相对密度约为71％。
加热温度490-500℃，加热速度40℃/小时，保温时间5小时；模具温度420-430℃加热，在1800t挤压机(挤压筒ф180mm)挤压成ф55mm，挤压速度0.4mm/s，挤压比λ＝10.71。然后将ф55×111.7mm的挤压棒在630t压力机上锻压成ф130×20mm的镶块，锻造加热温度490-500℃，保温时间60分钟，压下速度1mm/s，模具温度420-430℃，锻压比λ＝5.59。
锻造后的实测锻件的主要性能如表2。
表1基体铝合金的主要化学成分(wt％)
表2锻造后的实测锻件的主要性能
现行的铸造铝zl109合金活塞本体材料(国标jbt9762(镶圈活塞技术条件))要求的性能如下：抗拉强度σb大于或等于200mpa，平均线膨胀系数：20～100℃时，19.9×10–6/℃；20～200℃时，21.3×10–6/℃；20～300℃时，22.3×10–6/℃。耐磨镶圈材料为高镍奥氏体铸铁，其性能如下：抗拉强度σb大于或等于170mpa，20～200℃时平均线膨胀系数α大于或等于18×10–6/℃。从以上可以看出，本发明实施例具有优异的室温和高温力学性能(室温和350℃时的σb、室温和350℃时的σ0.2/mpa)以及20℃线膨胀系数性能。