技术领域
[0001] 本
发明涉及到耐磨
铝合金及
纳米材料的制备及应用领域，具体的说是一种活塞用耐磨超硬铝合金材料及其制备方法。
背景技术
[0002] 活塞是
发动机中最重要的零件之一，被称为发动机的心脏，活塞承受气体压
力，并通过
活塞销传给
连杆驱使
曲轴旋转。在发动机工作时，工作环境对活塞的考验非常严峻。活塞直接与瞬时
温度2200℃的高温气体
接触，其顶部温度达300℃ 400℃，且温度分布不均~匀；在做功行程时活塞顶部承受着很大的气体压力，
汽油机达4MPa～5MPa，柴油机高达8MP～9MPa，甚至更高；此外，活塞在
气缸内往复运动线速度可达11m/s～16m/s。活塞承受着高温、高压的热负荷和机械负荷以及高速的往复摩擦。因此活塞作为
汽车发动机中传递
能量的一个非常重要的构件，对其材料具有特殊的要求：
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。工业生产中还应具有容易制造、成本低廉的特点。伴随着汽车发动机的不断发展与进步，活塞材料的研究与应用是汽车研发中一个重要的研究领域。
[0003] 现在在汽车发动机上应用最广泛的材料为Al-Si合金，活塞材料为ZLl09G(Mahlel24、AC8A，具体成分（wt%）：Si：11～13，Cu：0.5～1.5，Mg：0.8～1.3，Ni：0.8～1.3，余量为Al)，国内外著名发动机制造厂(如玉柴、
锡柴、Cummins、Renault等)均采用该材料制造的活塞。
[0004] 近年来，为改善铝合金活塞综合性能，尤其是
耐磨性，活塞铝基
复合材料的研究及应用得到了重视：
[0006] 粒度为5微米～10微米，含量为5%～7%的SiC陶瓷颗粒，经过特殊处理后用流变
铸造法加入到ZLl09中然后挤
压铸造成型，可用于活塞的整体或局部增强。国内研制的碳化硅颗粒局部增强铝合金活塞经上海50型
拖拉机田间试验证明，第一道环槽导热得到了较大改善，燃烧喉口得到加强，耐磨性比镶奥氏体
铸铁圈的活塞要好，活塞质量也得到了加强；
[0007] （2）
氧化铝、
硅酸铝和
硼酸铝短纤增强铝合金活塞(CFR)
[0008] 该材料采用陶瓷
纤维氧化铝或硅酸铝、硼酸铝短纤维增强基体材料(一般为共晶性或亚共晶性Al-Si合金)的活塞(CFR活塞)，与基体铝合金相比，在300℃时的
抗拉强度极限提高20%以上，
热膨胀系数降低15%，导热率降低25%，而密度基本不变，耐磨性能优异，
热稳定性好、具有更好的高温综合性能。由于引入了陶瓷氧化铝等硬质点，该材料的耐磨性能得到了提高。采用
挤压铸造工艺生产的局部增强复合材料活塞，界面结合牢固可靠，成品率高，工艺宽容好，特别适合于经
增压、强化的工作条件苛刻的
柴油发动机。
发明内容
[0009] 本发明的目的是提供一种活塞用耐磨超硬铝合金材料及其制备方法，从而在提高活塞耐磨性的同时，提升其韧性和抗热震性能。
[0010] 本发明为实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种活塞用耐磨超硬铝合金材料，由铝合金基料和
纳米晶氧化铝制成，按照重量百分比，组成铝合金基料的各元素以及纳米晶氧化铝的含量分别为：11～14%的Si，4～6%的Cu，0.2～1.2%的Mg，1～4%的Ni，0.01～0.4%的Ti，0.05～0.2%的V，0.1～0.3%的Mn，0.1～0.3%的Zn，0.2～10%的纳米晶氧化铝，其余为铝；所述纳米晶氧化铝为
纳米级勃姆石
煅烧后得到。
[0011] 所述纳米级勃姆石煅烧得到纳米晶氧化铝的操作为：先将纳米级勃姆石在500～600℃预烧30min～1h，预烧后以100～200℃/min的降温速率急速冷却至常温，得到纳米氧化铝粉体；再将得到的纳米氧化铝粉体在1100～1300℃温度下煅烧1～3h，煅
烧结束后以
200～500℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化铝。
[0012] 上述活塞用耐磨超硬铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013] 1）使用纳米级勃姆石煅烧制备纳米晶氧化铝
[0014] 先将纳米级勃姆石在500～600℃预烧30min～1h，预烧后以100～200℃/min的降温速率急速冷却至常温，得到纳米氧化铝粉体；再将得到的纳米氧化铝粉体在1100～1300℃温度下煅烧1～3h，煅烧结束后以200～500℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化铝；
[0015] 2）按照上述比例称取步骤1）制备的纳米晶氧化铝及其它组成原料，备用；
[0016] 3）先将步骤2）中称取的Cu和Ni完全
熔化，然后分两次向其中加入步骤2）中称量好的纯铝，待纯铝完全熔化后，向其中加入步骤2）中称取的Si，然后进行搅拌，以使硅粉完全融入，从而得到熔融金属液，备用；
[0017] 4）将步骤3）制得的熔融金属液加热到850～900℃，保持该温度直至金属液变为橙黄色，然后搅拌使硅粉完全熔化，再继续升温至1000℃，并保持该温度3-5h，备用；
[0018] 5）将步骤2）中称取的Mg、Zn、Mn、Ti和V加入到步骤4）保温后的金属液内，并加入金属液总重量5%的市售除渣剂，保持该温度10-15min后，搅拌以使各物料充分熔化并混合均匀；
[0019] 6）向步骤5）中加入步骤2）中称取的纳米晶氧化铝，充分搅拌均匀，然后以常规方式进行精炼、变质和除气处理，冷却后即得到产品。
[0020] 所述变质是向金属液体中加入一些细小的形核剂(又称为孕育剂或变质剂)，使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，达到提高材料性能的目的。
[0021] 本发明中所用的纳米级勃姆石是依照
专利号为201210395756.1、专利名称为一种勃姆石纳米晶或纳米晶须的制备方法的记载制备出的纳米级勃姆石。
[0022] 由于纳米材料本身的颗粒细小，
比表面积巨大，因此，极容易出现团聚现象，常规意义上说的纳米材料是在透射电镜（国家标准以透射电镜为准）下显示的单个颗粒为几个到100纳米粒径，但是在
马尔文激光粒度仪上显示时基本为几十微米的粒径，究其原因，是因为纳米材料本身的团聚效应，团聚后的纳米材料在外观上显示已经达到几十微米的粒径，这样使得即使加入纳米级的颗粒材料，实际上仍然为微米级，除非经过一系列的处理使团聚的纳米颗粒分散；
[0023] 本发明中，通过对纳米级勃姆石进行烧结之后并急速冷却，这样制得的纳米材料并不会出现团聚现象，也就是说，烧结后形成的氧化铝颗粒是处于单个纳米颗粒分散状态，并不会表现出团聚现象，这样就使得其在加入其余物料时仍表现出纳米级颗粒的性质，由于颗粒呈现出纳米级别，因此，在加入后可以认为是仍处于单相体系，不仅弥散性好、分布均匀，而且结合也更加紧密。
[0024] 有益效果：本发明通过对纳米级勃姆石进行煅烧、然后急速冷却从而得到呈分散状态的纳米氧化铝，与常规的微米级氧化铝相比，纳米氧化铝作为弥散硬质点加入到合金成分中，不仅增强了合金材料的高温硬度，同时由于其特殊的尺寸范围，在材料中弥散分布，还能使材料保持较高的韧性，并能够明显抑制材料的脆性断裂、显著提高材料的抗热震性能，从而提高了活塞的使用寿命。
附图说明
[0025] 图1为
实施例1所制得的纳米晶氧化铝的XRD图；
[0026] 图2为实施例1最后制得的铝合金金
相图。
具体实施方式
[0027] 下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述，以下各实施例所用的纳米级勃姆石是依照专利号为201210395756.1、专利名称为一种勃姆石纳米晶或纳米晶须的制备方法的记载制备出的纳米级勃姆石；其余原料均为金属材料领域的常规材料。
[0028] 实施例1
[0029] 一种活塞用耐磨超硬铝合金材料，由铝合金基料和纳米晶氧化铝制成，按照重量百分比，组成铝合金基料的各元素以及纳米晶氧化铝的含量分别为：12.5%的Si，5%的Cu，0.7%的Mg，2.5%的Ni，0.2%的Ti，0.13%的V，0.2%的Mn，0.2%的Zn，5.1%的纳米晶氧化铝，其余为铝；所述纳米晶氧化铝为纳米级勃姆石煅烧后得到；
[0030] 所述纳米级勃姆石煅烧得到纳米晶氧化铝的操作为：先将纳米级勃姆石在550℃预烧45min，预烧后以150℃/min的降温速率急速冷却至常温，得到纳米氧化铝粉体；再将得到的纳米氧化铝粉体在1200℃温度下煅烧2h，煅烧结束后以350℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化铝。
[0031] 上述活塞用耐磨超硬铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
[0032] 1）使用纳米级勃姆石煅烧制备纳米晶氧化铝
[0033] 先将纳米级勃姆石在550℃预烧45min，预烧后以150℃/min的降温速率急速冷却至常温，得到纳米氧化铝粉体；再将得到的纳米氧化铝粉体在1200℃温度下煅烧2h，煅烧结束后以350℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化铝；
[0034] 2）按照上述比例称取步骤1）制备的纳米晶氧化铝及其它组成原料，备用；
[0035] 3）先将步骤2）中称取的Cu和Ni完全熔化，然后分两次向其中加入步骤2）中称量好的纯铝，待纯铝完全熔化后，向其中加入步骤2）中称取的Si，然后进行搅拌，以使硅粉完全融入，从而得到熔融金属液，备用；
[0036] 4）将步骤3）制得的熔融金属液加热到875℃，保持该温度直至金属液变为橙黄色，然后搅拌使硅粉完全熔化，再继续升温至1000℃，并保持该温度4h，备用；
[0037] 5）将步骤2）中称取的Mg、Zn、Mn、Ti和V加入到步骤4）保温后的金属液内，并加入金属液总重量5%的市售除渣剂，保持该温度13min后，搅拌以使各物料充分熔化并混合均匀；
[0038] 6）向步骤5）中加入步骤2）中称取的纳米晶氧化铝，充分搅拌均匀，然后以常规方式进行精炼、变质和除气处理，冷却后即得到产品。
[0039] 实施例2
[0040] 一种活塞用耐磨超硬铝合金材料，由铝合金基料和纳米晶氧化铝制成，按照重量百分比，组成铝合金基料的各元素以及纳米晶氧化铝的含量分别为：11%的Si，4%的Cu，0.2%的Mg，1%的Ni，0.01%的Ti，0.05%的V，0.1%的Mn，0.1%的Zn，0.2%的纳米晶氧化铝，其余为铝；所述纳米晶氧化铝为纳米级勃姆石煅烧后得到；
[0041] 所述纳米级勃姆石煅烧得到纳米晶氧化铝的操作为：先将纳米级勃姆石在500℃预烧1h，预烧后以100℃/min的降温速率急速冷却至常温，得到纳米氧化铝粉体；再将得到的纳米氧化铝粉体在1100℃温度下煅烧3h，煅烧结束后以200℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化铝。
[0042] 上述活塞用耐磨超硬铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
[0043] 1）使用纳米级勃姆石煅烧制备纳米晶氧化铝
[0044] 先将纳米级勃姆石在500℃预烧1h，预烧后以100℃/min的降温速率急速冷却至常温，得到纳米氧化铝粉体；再将得到的纳米氧化铝粉体在1100℃温度下煅烧3h，煅烧结束后以200℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化铝；
[0045] 2）按照上述比例称取步骤1）制备的纳米晶氧化铝及其它组成原料，备用；
[0046] 3）先将步骤2）中称取的Cu和Ni完全熔化，然后分两次向其中加入步骤2）中称量好的纯铝，待纯铝完全熔化后，向其中加入步骤2）中称取的Si，然后进行搅拌，以使硅粉完全融入，从而得到熔融金属液，备用；
[0047] 4）将步骤3）制得的熔融金属液加热到850℃，保持该温度直至金属液变为橙黄色，然后搅拌使硅粉完全熔化，再继续升温至1000℃，并保持该温度3h，备用；
[0048] 5）将步骤2）中称取的Mg、Zn、Mn、Ti和V加入到步骤4）保温后的金属液内，并加入金属液总重量5%的市售除渣剂，保持该温度10min后，搅拌以使各物料充分熔化并混合均匀；
[0049] 6）向步骤5）中加入步骤2）中称取的纳米晶氧化铝，充分搅拌均匀，然后以常规方式进行精炼、变质和除气处理，冷却后即得到产品。
[0050] 实施例3
[0051] 一种活塞用耐磨超硬铝合金材料，由铝合金基料和纳米晶氧化铝制成，按照重量百分比，组成铝合金基料的各元素以及纳米晶氧化铝的含量分别为：14%的Si，6%的Cu，1.2%的Mg，4%的Ni，0.4%的Ti，0.2%的V，0.3%的Mn，0.3%的Zn，10%的纳米晶氧化铝，其余为铝；所述纳米晶氧化铝为纳米级勃姆石煅烧后得到；
[0052] 所述纳米级勃姆石煅烧得到纳米晶氧化铝的操作为：先将纳米级勃姆石在600℃预烧30min，预烧后以200℃/min的降温速率急速冷却至常温，得到纳米氧化铝粉体；再将得到的纳米氧化铝粉体在1300℃温度下煅烧1h，煅烧结束后以500℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化铝。
[0053] 上述活塞用耐磨超硬铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
[0054] 1）使用纳米级勃姆石煅烧制备纳米晶氧化铝
[0055] 先将纳米级勃姆石在600℃预烧30min，预烧后以200℃/min的降温速率急速冷却至常温，得到纳米氧化铝粉体；再将得到的纳米氧化铝粉体在1300℃温度下煅烧1h，煅烧结束后以500℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化铝；
[0056] 2）按照上述比例称取步骤1）制备的纳米晶氧化铝及其它组成原料，备用；
[0057] 3）先将步骤2）中称取的Cu和Ni完全熔化，然后分两次向其中加入步骤2）中称量好的纯铝，待纯铝完全熔化后，向其中加入步骤2）中称取的Si，然后进行搅拌，以使硅粉完全融入，从而得到熔融金属液，备用；
[0058] 4）将步骤3）制得的熔融金属液加热到900℃，保持该温度直至金属液变为橙黄色，然后搅拌使硅粉完全熔化，再继续升温至1000℃，并保持该温度5h，备用；
[0059] 5）将步骤2）中称取的Mg、Zn、Mn、Ti和V加入到步骤4）保温后的金属液内，并加入金属液总重量5%的市售除渣剂，保持该温度15min后，搅拌以使各物料充分熔化并混合均匀；
[0060] 6）向步骤5）中加入步骤2）中称取的纳米晶氧化铝，充分搅拌均匀，然后以常规方式进行精炼、变质和除气处理，冷却后即得到产品。
