專利名稱：石墨－鋁基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明制備材料的方法屬于金屬鑄造，尤其是有色金屬的鑄造；本材料涉及鋁基合金，特別是變質(zhì)鋁硅合金，適應(yīng)于制造工作強(qiáng)度大，直接受高溫、高壓作用小機(jī)械構(gòu)件如氣缸、活塞、軸承殼或類似薄壁件。
含硅成份較多的Al-Si系的鋁合金，由于重量輕，而且熱膨脹率低，過去多用作活塞的材料。近年來，對活塞構(gòu)件的低燃料消耗率、高輸出功率和低噪音等性能的要求越來越高，因此，制造活塞用的Si-Al系合金材料也難以適應(yīng)這種要求。
石墨材料具備密度低，熱膨脹率小，有自潤滑性能，在高溫下溫度也不降低等特性，使石墨與金屬材料復(fù)合化，例如使石墨與鋁合金復(fù)合的活塞，在日本特開平1-132736號公報中記載的使石墨粉末與鋁合金粉末混合后進(jìn)行燒結(jié)的方法或在特開昭57-124564號公報中揭示的將石墨粉末加入鋁合金熔液中進(jìn)行鑄造的方法。然而，采用這種方法的主要目的只是通過添加石墨粉末使鋁合金活塞材料具有潤滑性，而并非著眼于石墨的低熱膨脹性和高溫強(qiáng)度。因此，在粉末燒結(jié)法中石墨粉末的添加量限于5％左右(重量百分比)；在鑄造法中，從操作方面來說，加入3％以上(重量百分比)的石墨粉末也是不可能的。這樣，為了發(fā)揮石墨固有的低熱膨脹性和高溫強(qiáng)度性，其添加量是不足的。
本發(fā)明的目的是提供一種石墨-鋁基復(fù)合材料的制備方法，并賦予產(chǎn)品強(qiáng)度高，比剛度大，質(zhì)輕耐磨，熱膨脹系數(shù)小，降低油耗和減少噪音等優(yōu)異性能。同時生產(chǎn)工藝流程短，原材料消耗低，生產(chǎn)效率高。
本發(fā)明的技術(shù)方案首先將顆粒小于100μm的石墨粉置于處理爐中＜400℃的溫度下預(yù)熱4小時；然后將(重量百分比)0.5～3.5％石墨粉，2％鈦粉，10％硅粉，10％鋁粉混合2-3小時后；均勻裝模，在10～15N壓力下壓制成型；接著將成型壓塊置于真空熱處理爐中，控制溫度700～850℃，真空度＜400Pa，進(jìn)行熱處理，并保溫1～3小時；熱處理后的壓塊加入設(shè)置有攪拌設(shè)備(另申請專利)的熔煉爐中與鋁基合金熔體相熔融，控制在720～850℃溫度，攪拌速度250～300r/min；接著加入變質(zhì)劑攪拌20～30分鐘，再加入六氯乙烷去氣；金屬材料完全熔融后，以55～65秒/模澆注速度澆注到預(yù)熱的模具中；鑄錠在250±5℃溫度下固溶處理8小時，再經(jīng)機(jī)加工得到合格的產(chǎn)品。
本發(fā)明的優(yōu)點是①采用上述制備的石墨-鋁硅復(fù)合材料，對其斷面組織進(jìn)行檢查后，可以確認(rèn)鋁合金均勻地分散填充到了石墨氣孔組織的內(nèi)部形成致密而又穩(wěn)定的填充形態(tài)；②根據(jù)GB/1148-93標(biāo)準(zhǔn)，將Gr-Al-Si與Al-Si合金制造的活塞，其性能對比如表1、表2所示；
表1
以上產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)是根據(jù)我年來試驗結(jié)果得到的規(guī)律性概括。材料的性能、活塞體積穩(wěn)定性達(dá)到或超過GB/T1148國標(biāo)的要求。
表2
Al-Ti-C替代Al-Ti-B作晶粒細(xì)化劑用，不僅細(xì)化效果好，而且成本價格大大降低，每噸節(jié)約上萬元。
③采用本材料加工的活塞設(shè)置于摩托車(NY125型)、汽車(奧拓型)的發(fā)動機(jī)內(nèi)，對發(fā)動機(jī)的性能進(jìn)行了測試。實踐證明本發(fā)明所提供的石墨鋁基復(fù)合材料，重量輕，能夠滿足活塞低燃料消耗率，高輸出功率和低噪音等性能要求。
下面結(jié)合附圖與實施例作進(jìn)一步的描述。


圖1為本發(fā)明的工藝流程示意圖①石墨粉預(yù)熱將顆粒小于100μm的石墨粉置于熱處理爐中，在小于400℃的溫度下預(yù)熱4小時；②配料混合按重量百分比將0.5～3％石墨粉，1～2％鈦粉，10％硅粉，10％鋁粉進(jìn)行2～3小時混合后，均勻裝模；③壓制成型控制壓力10～15N將裝好的模混合料壓制成型；④真空熱處理把成型壓塊置于真空熱處理爐中，調(diào)整溫度700～850℃，真空度＜400Pa，進(jìn)行熱處理，并保溫1～3小時；⑤熔煉往盛有Al-Si熔體的熔煉爐中加入熱處理后的壓塊，在700～850℃溫度下隨著攪拌設(shè)備250～300r/min速度的攪拌30分鐘加入六氯乙烷，除去熔體中的氣體，再加磷復(fù)合變質(zhì)劑，對熔體作變質(zhì)處理，直至完全熔融；⑥澆注將熔體以55～65秒/模澆注速度澆注到預(yù)熱的模具中；鑄錠在250±5℃溫度下，固熔處理8小時，再經(jīng)機(jī)加工得到合格的產(chǎn)品。
本發(fā)明生產(chǎn)工藝流程短，原材料消耗低，生產(chǎn)效率高。
實施例實施例1共晶硅石墨-鋁硅復(fù)合材料按圖1所示工藝流程制備，其特征在于將(重量百分比)經(jīng)預(yù)熱處理的小于0.5％石墨粉，1％鈦粉，10％鋁粉，10％硅粉，少量鹵化物鹽類或粘結(jié)劑混合，均勻裝模，在壓力10N加壓成型后，置于真空熱處理爐，控制溫度700℃，在真空度＜400Pa進(jìn)行熱處理，并保溫1小時；再將其加入熔煉爐中，控制熔融溫度720℃，攪拌速度280r/min，加入復(fù)合磷復(fù)合變質(zhì)劑，攪拌20分鐘之后，加入六氯乙烷去氣，將完全熔融的熔體達(dá)720℃時以55秒/模的澆注速度澆注到預(yù)熱模具中。
實施例2過共晶石墨-鋁硅復(fù)合材料，按圖1所示工藝流程制備，其特征在于將(重量百分比)經(jīng)預(yù)熱處理的0.8％石墨粉，2％鈦粉，10％鋁粉，10％硅粉，少量鹵化鹽類均勻混合，裝模后以在15N壓力下加壓成型；接著置于真空熱處理爐，控制溫度800℃，真空度＜400Pa進(jìn)行熱處理保溫2小時；再將其加入熔煉爐中與鋁基合金充分?jǐn)嚢枞廴冢刂迫廴跍囟?50℃，攪拌速度300r/min，接著加入10％石墨粉促使金屬合金熔體變質(zhì)，攪拌30分鐘后再加六氯乙烷去氣；當(dāng)熔體溫度達(dá)到850℃時，以60秒/模的澆注速度將它澆注到模具中。
實驗例3鋁-鈦-炭復(fù)合材料，按圖1所示工藝流程制備，其特征在于將(重量百分比)0.8％石墨粉，5.2％鈦粉，5％鋁粉，鹵化物鹽類3％混合，在15N壓力下成型，在850℃，真空度＜400Pa下處理2小時，加入到鋁液中，制成合格產(chǎn)品，代替鋁-鈦-硼作晶粒細(xì)化劑用。細(xì)化效果優(yōu)良。
權(quán)利要求
1．石墨-鋁基復(fù)合材料及其制備方法涉及鋁基合金，特別是變質(zhì)鋁硅合金，或?qū)儆诮饘勹T造，尤其是有色金屬的鑄造；其特征在于首先將顆粒小于100μm的石墨粉置于處理爐中＜400℃的溫度下預(yù)熱4小時；然后將(重量百分比)0.5～3.5％石墨粉，2％鈦粉，10％硅粉，10％鋁粉混合2-3小時后；均勻裝模，在10～15N壓力下壓制成型；接著將成型壓塊置于真空熱處理爐中，控制溫度700～850℃，真空度＜400Pa，進(jìn)行熱處理，并保溫1～3小時；熱處理后的壓塊加入設(shè)置有攪拌設(shè)備(另申請專利)的熔煉爐中與鋁基合金熔體相熔融，控制在720～850℃溫度，攪拌速度250～300r/min；接著加入變質(zhì)劑攪拌20～30分鐘，再加入六氯乙烷去氣；金屬材料完全熔融后，以55～65秒/模澆注速度澆注到預(yù)熱的模具中；鑄錠在250±5℃溫度下固溶處理8小時，再經(jīng)機(jī)加工得到合格的產(chǎn)品。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨-鋁基復(fù)合材料，其特征在于共晶硅石墨-鋁硅復(fù)合材料是將(重量百分比)經(jīng)預(yù)熱處理的小于0.5％石墨粉，1％鈦粉，10％鋁粉，10％硅粉，少量鹵化物鹽類或粘結(jié)劑混合，均勻裝模，在壓力10N加壓成型后，置于真空熱處理爐，控制溫度700℃，在真空度＜400Pa進(jìn)行熱處理，并保溫1小時；再將其加入熔煉爐中，控制熔融溫度720℃，攪拌速度280r/min，加入復(fù)合磷復(fù)合變質(zhì)劑，攪拌20分鐘之后，加入六氯乙烷去氣，將完全熔融的熔體達(dá)720℃時以55秒/模的澆注速度澆注到預(yù)熱模具中。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨-鋁基復(fù)合材料，其特征在于過共晶石墨-鋁硅復(fù)合材料是將(重量百分比)經(jīng)預(yù)熱處理的0.8％石墨粉，2％鈦粉，10％鋁粉，10％硅粉，少量鹵化鹽類均勻混合，裝模后以在15N壓力下加壓成型；接著置于真空熱處理爐，控制溫度800℃，真空度＜400Pa進(jìn)行熱處理保溫2小時；再將其加入熔煉爐中與鋁基合金充分?jǐn)嚢枞廴冢刂迫廴跍囟?50℃，攪拌速度300r/min，接著加入10％石墨粉促使金屬合金熔體變質(zhì)，攪拌30分鐘后再加六氯乙烷去氣；當(dāng)熔體溫度達(dá)到850℃時，以60秒/模的澆注速度將它澆注到模具中。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨-鋁基復(fù)合材料，其特征在于鋁-鈦-炭復(fù)合材料是將(重量百分比)0.8％石墨粉，5.2％鈦粉，5％鋁粉，鹵化物鹽類3％混合，在15N壓力下成型，在850℃，真空度＜400Pa下處理2小時，加入到鋁液中，制成代替鋁-鈦-硼作晶粒細(xì)化劑用的合格產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋁基合金,特別是變質(zhì)鋁硅合金,其特征在于:將顆粒小于100μm的石墨粉置于處理爐中<400℃的溫度下預(yù)熱4小時;熱處理后的壓塊加入設(shè)置有攪拌設(shè)備的熔煉爐中與鋁基合金熔體相熔融,控制在720～850℃溫度,攪拌速度250～300r/min,其產(chǎn)品強(qiáng)度高,比剛度大,質(zhì)輕耐磨,熱膨脹系數(shù)小,耗油低和噪音少等性能。同時生產(chǎn)工藝流程短,原材料消耗低,生產(chǎn)效率高。
文檔編號C22C21/02GK1323911SQ00107379
公開日2001年11月28日 申請日期2000年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月12日
發(fā)明者顏長舒, 余琨 申請人:中南工業(yè)大學(xué)