专利名称:中间合金法制造石墨铝合金的制作方法
本发明属于金属基粒子型复合材料内燃机中的活塞、汽缸，其它滑动部件如轴瓦等一般采用不含固体润滑剂的合金。当连续的润滑油膜被破坏时，摩擦副运动受阻，甚至损坏。如果合金成分中含有固体润滑剂的话，就可依靠固体润滑剂起自润滑作用。这种补充润滑作用是十分重要的。众所周知，石墨是一种优良的固体润滑剂。因此国内外大力研制各种含石墨的合金。石墨铝合金即为其中之一。它既具有自润滑特性，又有密度小的优点。然而制造石墨铝合金相当困难，因为石墨在铝液中溶解度极微，约为0.05%，铝和碳难以形成合金。石墨与铝液不润湿，润湿角约为160°，石墨与铝液还存在较大密度差。所以石墨很难混入铝液，暂时混入铝液的石墨也极易漂浮排出。
在以往的发明中，制造石墨铝合金都采用特殊工艺，如惰性气体喷入法〔1〕通过喷枪，利用惰性气体将表面包复镍层的石墨粒子喷入熔融的铝液中。
旋涡法〔2〕采用机械搅拌装置搅拌铝液，造成旋涡，然后将表面包复镍层的石墨粒子加入旋涡中，使石墨粒子混入铝液并弥散开去。
压块法〔3〕取表面包复镍层的石墨粒子两份，铝液一份，混合均匀并压成块，再用钟罩将压块压入铝液中，待压块熔净后取出钟罩，搅拌铝液。
超声波法〔4〕将铝液加热至液相线以上温度20～25℃，向铝液表面投撒预热过的石墨粒子，然后在15～20千周的超声波作用下，使石墨粒子混入铝液中。
流变法(又称复合铸造法)〔5〕将铝合金加热至固液相共存区间，待凝固析出的固相组分达50%左右时，采用机械搅拌方法搅拌合金液，使其呈浆状，再将预热过的石墨粒子投入浆料，混入合金中去。
上述发明均需要专用设备及掌握特殊技巧。如旋涡法，混入石墨粉后，至浇注允许停留的时间很短，甚至只有几十秒，动作稍一迟缓，石墨就全部从铝液中排出。制得的有些材料在750℃浇注，铸件就出现严重偏析，升温至800℃，石墨就全部排出〔6〕。根据国际镍公司(INCO)的试验结果〔7〕，材料经二次重熔，石墨损失严重。而在生产实际中，要回收废铸件，浇口、冒口等，因而材料必须能反复重熔。
本发明的目的在于提供一种简单的制造石墨铝合金的方法，使只具备传统冶炼手段，又不掌握特殊技巧的铸造厂也能制造多种铝合金系的石墨铝合金产品，并使制得的石墨铝合金可以反复重熔，可以加热至800℃。
本发明的要点是采用铝-石墨中间合金，将它与铝合金液混合，使中间合金中的石墨粒子均匀地分布到铝液中去，然后浇成锭坯或零件。
实行本发明的工艺有两种办法。第一种首先计算好铝合金炉料数量，按传统工艺熔炼，精炼后，扒除铝液表面的复盖剂。待露出洁净的铝液表面时，按预先计算好的数量，投入预热过的铝-石墨中间合金(图1)。接着加上压盖，压盖先预热，其直径比熔池表面略小，以便压盖放下和提起。压盖采用比铝液密度小，且不与铝液反应的材料。加上压盖的同时，朝压盖与坩埚间的缝隙处喷吹惰性气体，尽量减少合金液的氧化。待铝-石墨中间合金全部熔化，铝液温度调整至浇注温度，就可揭去压盖，进行浇注。
第二种将铝-石墨中间合金加热至半固态，或接近液相线温度的全液态。加热过程中，可加压盖或喷吹惰性气体，减少氧化。同时，将计算好的铝合金炉料加热至温度超过正常的浇注温度30～50℃，精炼后到入盛放中间合金的坩埚中，调整温度至浇注温度，即可浇注。
图1，是含石墨26%(体积)的铝-石墨中间合金的金相照片(200倍)。
实施例1，称取Al-4%Cu合金1900克，及含石墨26%(体积)的铝-石墨中间合金约900克。先将Al-4%Cu合金放在一口径110mm的铸铁坩埚内，在4千瓦电阻炉内加热，待铝液温度升至680～700℃时通干燥氮气精炼，然后扒掉表面的复盖剂，将250℃预热的中间合金加入铝合金液中去，并迅速加上250℃预热的压盖。压盖用废电板加工而成，形状呈园饼状，直径105mm厚20mm。同时在压盖与坩埚缝隙处喷吹氮气，待合全液升温至720～740℃，揭去压盖立即浇注。制得的石墨铝合金，石墨粒子分布均匀，含量约为11%(体积)，其金相照片见图2。
实施例2，称取Z1109合金1840克，及含石墨26%(体积)的铝-石墨中间合金150克。将中间合金放在一口径110mm的铸铁坩埚底部，一起在4千瓦电阻炉内加热。同时通入干燥氮气，以免材料氧化。待温度达550℃左右，保温待用。另外用传统冶炼方法加热Z1109合金，升温至740～760℃后，扒去表面复盖剂。将铝合金液倾入放有中间合金的铸铁坩埚内，迅速加上压盖，并在压盖与坩埚缝隙处喷吹氮气，待铝合金液温度达680～720℃，揭去压盖立即浇注。制得的石墨粒子分布均匀，含量约为2%(体积)。
实施例3，与实例1相同的方法，但基体铝合金采用铝镁锰系合金。结果与实施例1相同。金相照片见图3。
实施例4，与实施例1相同的方法，但基体合金采用铝锡系合金。结果与实施例1相同。金相照片见图4。
实施例5，与实施例2相同的方法，但基体合金采用活塞用铝合金。结果与实施例2相同。加工成的活塞实物照片见图5。
实施例6，实施例1～2得到的石墨铝合金，用金属型浇注成直径100mm的园柱体，横断面上各处石墨粒子分布均匀，含量相等。
实施例7，实施例1～2得到的石墨铝合金，经5次重熔。各次重熔后石墨粒子分布均匀，含量基本不变。
实施例8，实施例1～2得到的石墨铝合金，加热至800℃，石墨粒子不会从基体合金中排出。
用本发明工艺制造的石墨铝合金，可用于内燃机活塞、气缸性能优良，可提高发动机功率，降低机油耗和燃油耗。此外还可以制成轴承、轴瓦等滑动材料。还可作为吸振材料。它的振动衰减率与密度的比值要比灰铸铁高许多倍。
图2是用本发明实施例1制得的石墨铝合金的金相照片(100倍)。
图3是用本发明实施例3制得的石墨铝合金的金相照片(100倍)。
图4是用本发明实施例4制得的石墨铝合金的金相照片(100倍)。
图5是用本发明实施例5制得的石墨铝合金加工得到的活塞实物照片。图1～5中，1为石墨粒子。2为铝合金基体。
参考文献〔1〕F A Badia，P K Rohatgi Trans AFS 77(1969)402〔2〕F A Badia Trans AFS 79(1971)265〔3〕B C Pai J Mat Sci 2(1978)329〔4〕В.Г.Горбунов и др.Литейное проиэводство.8 1974 22〔5〕R.Mehrabian Met Trans 5(1974)1899〔6〕Trans AFS 88(1980)〔7〕Robert.C.Cornell SDcE-79 Paper NOG-T79-07权利要求
1.一种制造石墨铝合金的工艺，其特征在于将铝-石墨中间合金与铝合金液混合，使中间合金中的石墨粒子均匀地分布到铝合金液中去，制造出含石墨小于26%(体积)的石墨铝合金。
2.按照权利要求
1所述的制造石墨铝合金的工艺，其特征在于所述的工艺是加热铝合金至熔融状态，然后将预热过的铝-石墨中间合金加入到铝合金液中，最后浇注成锭或零件。
3.按照权利要求
1所述的制造石墨铝合金的工艺，其特征在于所述的工艺是加热铝-石墨中间合金至半固态或全液态，然后将熔融的铝合金液加入到铝-石墨中间合金中，最后浇注成锭或零件。
专利摘要
本发明属于金属基粒子型复合材料。在以往的发明中，生产石墨铝合金采用特殊工艺，如惰性气体喷入法，旋涡法，压块法，超声波法和复合铸造法等等。这些工艺都需要专用设备，并需掌握特殊的操作技巧。本发明采用铝-石墨中间合金制造石墨铝合金，工艺简单。本发明生产的石墨铝合金可以反复重熔，升温至800℃石墨粒子不会从合金基体中排出。用本发明生产的石墨铝合金可用作活塞、缸套，各种耐磨零件，及吸振零件等。
文档编号C22C21/00GK85100579SQ85100579
公开日1986年8月20日 申请日期1985年4月1日
发明者杨静煜, 朱明光, 舒光冀 申请人:南京工学院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan