專利名稱:中間合金法制造石墨鋁合金的制作方法
本發(fā)明屬于金屬基粒子型復(fù)合材料內(nèi)燃機(jī)中的活塞、汽缸，其它滑動部件如軸瓦等一般采用不含固體潤滑劑的合金。當(dāng)連續(xù)的潤滑油膜被破壞時(shí)，摩擦副運(yùn)動受阻，甚至損壞。如果合金成分中含有固體潤滑劑的話，就可依靠固體潤滑劑起自潤滑作用。這種補(bǔ)充潤滑作用是十分重要的。眾所周知，石墨是一種優(yōu)良的固體潤滑劑。因此國內(nèi)外大力研制各種含石墨的合金。石墨鋁合金即為其中之一。它既具有自潤滑特性，又有密度小的優(yōu)點(diǎn)。然而制造石墨鋁合金相當(dāng)困難，因?yàn)槭阡X液中溶解度極微，約為0.05%，鋁和碳難以形成合金。石墨與鋁液不潤濕，潤濕角約為160°，石墨與鋁液還存在較大密度差。所以石墨很難混入鋁液，暫時(shí)混入鋁液的石墨也極易漂浮排出。
在以往的發(fā)明中，制造石墨鋁合金都采用特殊工藝，如惰性氣體噴入法〔1〕通過噴槍，利用惰性氣體將表面包復(fù)鎳層的石墨粒子噴入熔融的鋁液中。
旋渦法〔2〕采用機(jī)械攪拌裝置攪拌鋁液，造成旋渦，然后將表面包復(fù)鎳層的石墨粒子加入旋渦中，使石墨粒子混入鋁液并彌散開去。
壓塊法〔3〕取表面包復(fù)鎳層的石墨粒子兩份，鋁液一份，混合均勻并壓成塊，再用鐘罩將壓塊壓入鋁液中，待壓塊熔凈后取出鐘罩，攪拌鋁液。
超聲波法〔4〕將鋁液加熱至液相線以上溫度20～25℃，向鋁液表面投撒預(yù)熱過的石墨粒子，然后在15～20千周的超聲波作用下，使石墨粒子混入鋁液中。
流變法(又稱復(fù)合鑄造法)〔5〕將鋁合金加熱至固液相共存區(qū)間，待凝固析出的固相組分達(dá)50%左右時(shí)，采用機(jī)械攪拌方法攪拌合金液，使其呈漿狀，再將預(yù)熱過的石墨粒子投入漿料，混入合金中去。
上述發(fā)明均需要專用設(shè)備及掌握特殊技巧。如旋渦法，混入石墨粉后，至澆注允許停留的時(shí)間很短，甚至只有幾十秒，動作稍一遲緩，石墨就全部從鋁液中排出。制得的有些材料在750℃澆注，鑄件就出現(xiàn)嚴(yán)重偏析，升溫至800℃，石墨就全部排出〔6〕。根據(jù)國際鎳公司(INCO)的試驗(yàn)結(jié)果〔7〕，材料經(jīng)二次重熔，石墨損失嚴(yán)重。而在生產(chǎn)實(shí)際中，要回收廢鑄件，澆口、冒口等，因而材料必須能反復(fù)重熔。
本發(fā)明的目的在于提供一種簡單的制造石墨鋁合金的方法，使只具備傳統(tǒng)冶煉手段，又不掌握特殊技巧的鑄造廠也能制造多種鋁合金系的石墨鋁合金產(chǎn)品，并使制得的石墨鋁合金可以反復(fù)重熔，可以加熱至800℃。
本發(fā)明的要點(diǎn)是采用鋁-石墨中間合金，將它與鋁合金液混合，使中間合金中的石墨粒子均勻地分布到鋁液中去，然后澆成錠坯或零件。
實(shí)行本發(fā)明的工藝有兩種辦法。第一種首先計(jì)算好鋁合金爐料數(shù)量，按傳統(tǒng)工藝熔煉，精煉后，扒除鋁液表面的復(fù)蓋劑。待露出潔凈的鋁液表面時(shí)，按預(yù)先計(jì)算好的數(shù)量，投入預(yù)熱過的鋁-石墨中間合金(圖1)。接著加上壓蓋，壓蓋先預(yù)熱，其直徑比熔池表面略小，以便壓蓋放下和提起。壓蓋采用比鋁液密度小，且不與鋁液反應(yīng)的材料。加上壓蓋的同時(shí)，朝壓蓋與坩堝間的縫隙處噴吹惰性氣體，盡量減少合金液的氧化。待鋁-石墨中間合金全部熔化，鋁液溫度調(diào)整至澆注溫度，就可揭去壓蓋，進(jìn)行澆注。
第二種將鋁-石墨中間合金加熱至半固態(tài)，或接近液相線溫度的全液態(tài)。加熱過程中，可加壓蓋或噴吹惰性氣體，減少氧化。同時(shí)，將計(jì)算好的鋁合金爐料加熱至溫度超過正常的澆注溫度30～50℃，精煉后到入盛放中間合金的坩堝中，調(diào)整溫度至澆注溫度，即可澆注。
圖1，是含石墨26%(體積)的鋁-石墨中間合金的金相照片(200倍)。
實(shí)施例1，稱取Al-4%Cu合金1900克，及含石墨26%(體積)的鋁-石墨中間合金約900克。先將Al-4%Cu合金放在一口徑110mm的鑄鐵坩堝內(nèi)，在4千瓦電阻爐內(nèi)加熱，待鋁液溫度升至680～700℃時(shí)通干燥氮?dú)饩珶挘缓蟀堑舯砻娴膹?fù)蓋劑，將250℃預(yù)熱的中間合金加入鋁合金液中去，并迅速加上250℃預(yù)熱的壓蓋。壓蓋用廢電板加工而成，形狀呈園餅狀，直徑105mm厚20mm。同時(shí)在壓蓋與坩堝縫隙處噴吹氮?dú)?，待合全液升溫?20～740℃，揭去壓蓋立即澆注。制得的石墨鋁合金，石墨粒子分布均勻，含量約為11%(體積)，其金相照片見圖2。
實(shí)施例2，稱取Z1109合金1840克，及含石墨26%(體積)的鋁-石墨中間合金150克。將中間合金放在一口徑110mm的鑄鐵坩堝底部，一起在4千瓦電阻爐內(nèi)加熱。同時(shí)通入干燥氮?dú)?，以免材料氧化。待溫度達(dá)550℃左右，保溫待用。另外用傳統(tǒng)冶煉方法加熱Z1109合金，升溫至740～760℃后，扒去表面復(fù)蓋劑。將鋁合金液傾入放有中間合金的鑄鐵坩堝內(nèi)，迅速加上壓蓋，并在壓蓋與坩堝縫隙處噴吹氮?dú)猓X合金液溫度達(dá)680～720℃，揭去壓蓋立即澆注。制得的石墨粒子分布均勻，含量約為2%(體積)。
實(shí)施例3，與實(shí)例1相同的方法，但基體鋁合金采用鋁鎂錳系合金。結(jié)果與實(shí)施例1相同。金相照片見圖3。
實(shí)施例4，與實(shí)施例1相同的方法，但基體合金采用鋁錫系合金。結(jié)果與實(shí)施例1相同。金相照片見圖4。
實(shí)施例5，與實(shí)施例2相同的方法，但基體合金采用活塞用鋁合金。結(jié)果與實(shí)施例2相同。加工成的活塞實(shí)物照片見圖5。
實(shí)施例6，實(shí)施例1～2得到的石墨鋁合金，用金屬型澆注成直徑100mm的園柱體，橫斷面上各處石墨粒子分布均勻，含量相等。
實(shí)施例7，實(shí)施例1～2得到的石墨鋁合金，經(jīng)5次重熔。各次重熔后石墨粒子分布均勻，含量基本不變。
實(shí)施例8，實(shí)施例1～2得到的石墨鋁合金，加熱至800℃，石墨粒子不會從基體合金中排出。
用本發(fā)明工藝制造的石墨鋁合金，可用于內(nèi)燃機(jī)活塞、氣缸性能優(yōu)良，可提高發(fā)動機(jī)功率，降低機(jī)油耗和燃油耗。此外還可以制成軸承、軸瓦等滑動材料。還可作為吸振材料。它的振動衰減率與密度的比值要比灰鑄鐵高許多倍。
圖2是用本發(fā)明實(shí)施例1制得的石墨鋁合金的金相照片(100倍)。
圖3是用本發(fā)明實(shí)施例3制得的石墨鋁合金的金相照片(100倍)。
圖4是用本發(fā)明實(shí)施例4制得的石墨鋁合金的金相照片(100倍)。
圖5是用本發(fā)明實(shí)施例5制得的石墨鋁合金加工得到的活塞實(shí)物照片。圖1～5中，1為石墨粒子。2為鋁合金基體。
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1.一種制造石墨鋁合金的工藝，其特征在于將鋁-石墨中間合金與鋁合金液混合，使中間合金中的石墨粒子均勻地分布到鋁合金液中去，制造出含石墨小于26%(體積)的石墨鋁合金。
2.按照權(quán)利要求
1所述的制造石墨鋁合金的工藝，其特征在于所述的工藝是加熱鋁合金至熔融狀態(tài)，然后將預(yù)熱過的鋁-石墨中間合金加入到鋁合金液中，最后澆注成錠或零件。
3.按照權(quán)利要求
1所述的制造石墨鋁合金的工藝，其特征在于所述的工藝是加熱鋁-石墨中間合金至半固態(tài)或全液態(tài)，然后將熔融的鋁合金液加入到鋁-石墨中間合金中，最后澆注成錠或零件。
專利摘要
本發(fā)明屬于金屬基粒子型復(fù)合材料。在以往的發(fā)明中，生產(chǎn)石墨鋁合金采用特殊工藝，如惰性氣體噴入法，旋渦法，壓塊法，超聲波法和復(fù)合鑄造法等等。這些工藝都需要專用設(shè)備，并需掌握特殊的操作技巧。本發(fā)明采用鋁-石墨中間合金制造石墨鋁合金，工藝簡單。本發(fā)明生產(chǎn)的石墨鋁合金可以反復(fù)重熔，升溫至800℃石墨粒子不會從合金基體中排出。用本發(fā)明生產(chǎn)的石墨鋁合金可用作活塞、缸套，各種耐磨零件，及吸振零件等。
文檔編號C22C21/00GK85100579SQ85100579
公開日1986年8月20日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者楊靜煜, 朱明光, 舒光冀 申請人:南京工學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan