本发明属金属材料领域，涉及一种活塞高温耐磨高强原位Al2O3颗粒增强铝合金复合材料及其制备方法。
背景技术：
活塞作为汽车发动机的“心脏”，主要受交变的机械负荷和热负荷作用，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一，提高活塞合金的物理和机械性能已成为大势所趋，而针对活塞零件整体不同的工况要求，尤其顶部300°C~400°C的工作环境，对活塞材料的设计和铸造工艺就有了新的发展需要。Al-Si系合金，是一种可热处理强化的合金，密度小、质量轻、热传导性好、热膨胀系数小，并具有足够的高温强度、耐磨和耐蚀性能、尺寸稳定性好等优良特性，Al-12Si合金主要是指含Si含量在11%~13%的Al-Si系合金，具有容易制造、成本低廉的特点，国内目前主要的Al-12Si合金牌号为ZL108和ZL109。综上所述，制备活塞的材料就需要较高的机械强度和较高的耐高温强度。
技术实现要素：
本发明属金属材料领域，涉及一种活塞高温耐磨高强原位Al2O3颗粒增强铝合金复合材料及其制备方法。本发明解决了活塞头部在高温工况下强度不足易开裂的问题。
本发明是通过以下方式实现的：
一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料，由基体和增强相组成，基体合金包括硅、镍、铜、镁、钛、铝元素，其特征是基体合金各组分的质量百分比(wt.%)为硅11.0~16.0%，镍3.0~5.0%，铜2.0~4.0%，镁0.5~2.0%，钛0.5~1.5%，其余为铝；增强相为原位反应生成的Al2O3颗粒。
一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料的制备方法，其特征包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取原料，工业结晶硅11.0~16.0%，镍3.0~5.0%，铜2.0~4.0%，镁0.5~2.0%，钛0.5~1.5%，其余为铝；
(2)混粉，以300r/min球磨(Al+B2O3)粉末，球磨完的粉末预热200℃，3h；
(3)在熔炼炉中将工业纯铝、结晶硅、铜、镍、镁和钛在750℃-900℃熔炼制备成铝合金基体；
(4)以20℃/min给基体材料降温至540℃~600℃半固态区间，缓慢添加球磨预热200℃的(Al+B2O3)粉末，以40℃/min升温至900℃，保温1h；
(5)采用高压低速金属型铸造或挤压铸造浇注活塞毛坯，浇注温度为720℃~760℃；
(6) 对浇铸毛坯进行T6热处理、机加工及表面处理，得到成品。本发明步骤(1)的原料均为市场销售的产品。
上述一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料及其制备方法，其特征主要是步骤(2)，采用500目Al粉和500目的B2O3粉末，按不同的体积比例混合，以300r/min球磨。
上述一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料及其制备方法，其特征主要是步骤(4)，控制半固态区间在540℃~600℃，在机械搅拌的状态下缓慢添加球磨预热200℃的(Al+B2O3)粉末，之后以40℃/min升温至900℃，保温1h；
上述一种高温耐磨高强活塞铝合金复合材料及其制备方法，其特征主要是步骤(6)，T6热处理工艺参数：固溶520±10℃，60~100℃水淬；时效180±10℃，空冷。
本发明的特点是增强相采用Al2O3颗粒，增强粒子通过在铝熔体中缓慢添加球磨预热200℃的(Al+B2O3)粉末原位反应生成，粒子表面无污染，与基体合金润湿性好，粒子偏聚倾向小，而且热稳定性高。生成的亚微米Al2O3粒子不仅能够变质和细化Al-Si活塞合金中的初晶硅，而且能够强化铝合金基体。本发明在常温常压下，采用普通铝合金熔炼设备下即可以进行生产，工艺简便，设备投资少，生产成本低。
由于通过Al2O3颗粒进行了变质处理，该材料的室温性能好，其室温强度为300~340MPa。Al2O3增强粒子熔点高，热稳定性好，从而具有优异的高温性能，其350℃时的高温强度超过100MPa，远大于常规活塞合金的高温强度(75-90MPa)。同时该复合材料体积稳定性好，在350℃保温6小时(体积稳定性试验标准)的尺寸变化率为0.01~0.02%。另外，用该复合材料制备的活塞在其工作表面Al2O3颗粒处易形成微孔，可储存润滑油，从而能够提高材料的耐磨性能，能够显著提高活塞的使用寿命，尤其适用于大功率柴油机活塞的制造。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。下面本发明最佳的2个实施例。
实施方式1：
本发明的高温耐磨高强活塞铝合金复合材料是按以下步骤制备的：
(1)按质量百分比称取原料，工业结晶硅12%，镍4.0%，铜3.0%，镁1.0%，钛1.0%，其余为铝；
(2)混粉，以300r/min球磨(Al+B2O3)粉末，颗粒粒径100目，体积分数(vol.%)5%，球磨完的粉末预热200℃，3h；
(3)在熔炼炉中将工业纯铝、结晶硅、铜、镍、镁和钛在800℃熔炼制备成铝合金基体；
(4)以20℃/min给基体材料降温至580℃半固态区间，缓慢添加球磨预热200℃的(Al+B2O3)粉末，以40℃/min升温至900℃，保温1h；
(5)采用高压低速金属型铸造或挤压铸造浇注活塞毛坯，浇注温度为740℃；
(6) 对浇铸毛坯进行T6热处理、机加工及表面处理，得到成品。
按照上述配比得到一种最佳成分的原位Al2O3铝基复合材料，其化学成分(质量百分比)为：硅12，铜3，镍4，镁1，钛1，其余为铝。该复合材料的硬度和强度明显高于现有活塞铝合金，尤其高温强度，比常用活塞铝合金提高10%以上。
实施方式2：
本发明的高温耐磨高强活塞铝合金复合材料是按以下步骤制备的：
(1)按质量百分比称取原料，工业结晶硅13%，镍3.0%，铜4.0%，镁2.0%，钛1.0%，其余为铝；
(2)混粉，以300r/min球磨(Al+B2O3)粉末，颗粒粒径500目，体积分数(vol.%)3%，球磨完的粉末预热200℃，3h；
(3)在熔炼炉中将工业纯铝、结晶硅、铜、镍、镁和钛在760℃熔炼制备成铝合金基体；
(4)以20℃/min给基体材料降温至60℃半固态区间，缓慢添加球磨预热200℃的(Al+B2O3)粉末，以40℃/min升温至900℃，保温1h；
(5)采用高压低速金属型铸造或挤压铸造浇注活塞毛坯，浇注温度为720℃；
(6) 对浇铸毛坯进行T6热处理、机加工及表面处理，得到成品。
按照上述配比得到一种最佳成分的原位Al2O3铝基复合材料，其化学成分(质量百分比)为：硅13，铜4，镍3，镁2，钛1，其余为铝。该复合材料的硬度和强度明显高于现有活塞铝合金，尤其高温强度，比常用活塞铝合金提高12%以上。