控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法及其制备的铝基缸套
技术领域
本发明涉及铝基复合材料的技术领域，具体涉及铝基缸套制备的技术领域。
背景技术
通常通过加入异颗粒增强铝基复合材料，在制备含有SiC颗粒的铝基增强复合材料时，由于SiC颗粒与铝合金之间的润湿性很差,制备的工艺要求较高，目前主要有粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法和挤压铸造法。现有的铝基复合材料在半固熔状态时流动性差，成型困难，申请号为CN201620262506.4的专利：“一种铝基复合发动机缸套”，在其产品生产过程中，常用设备使得氟钛酸钾与碳化硅粉氧化反应过程不充分，合金化过程中会产生氟铝酸钾和碳盐副产物，另外在反应过程中会带入金属化合物杂质，洁净度较差，铝基复合缸套残留的铝合金中数量过多，反应生成的第三相粒子，三相粒子在下落过程中会互相碰撞而粘连在一起，会下沉与扩散，后聚集沉淀，成型后形成大量的夹渣物，钛酸钾制备过程中Ti和SiC反应后颗粒粘连直径较大容易颗粒团聚，质量比大于Al，容易下沉，造成硬质颗粒碳化硅在铝液中不均匀，造成铝基复合缸套表面粗糙摩擦不稳定，摩擦系数增大，普通生产设备无法解决，普通搅拌无法解决，铝液流动性差，又限制了产品无法使用效益更高的离心铸造成型工艺技术。
发明内容
本发明的目的在于提供控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法及其制备的铝基缸套，以解决上述背景技术中提出的的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法包括如下步骤，在中频搅拌式电炉内设置电磁搅拌器，按质量百分比记，准备5％-20％的Si，余量为Al，在中频搅拌式电炉内均匀搅拌成混合物，中频搅拌式电炉升温至830℃-920℃后，将15％-40％混合物质量比的碳化硅粉或金刚石粉与25％-80％混合物质量比的氟钛酸钾粉加入中频搅拌式电炉中电磁搅拌10-50min，中频搅拌式电炉内形成熔液后对熔液进行扒渣，温度在720℃-780℃时在扒渣后的熔液中加入磷盐变质剂或磷铜变质剂或铝锶变质剂，然后用氮气，氩气进行处理5-15分钟，得到铝基铸造熔液。
优选的，电磁搅拌参数为额定功率500kw,交变电流频率为50-200Hz，搅拌角度0-100°，采用可控硅中频电源。
优选的，碳化硅粉的颗粒度为300μm-20μm，Si的质量百分比为12.5％，碳化硅粉的质量百分比为27.5％，氟钛酸钾粉的质量百分比为52.5％。
优选的，中频搅拌式电炉升温温度为830℃，电磁搅拌时间50min，扒渣后熔液温度720℃。
优选的，交变电流频率为50Hz，搅拌角度为100°。
本发明同时提供一种使用控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套。
优选的，铝基缸套的毛坯采用离心铸造成型，离心铸造成型工艺参数包括模具温度250-350℃、离心转速2000-3500r/min和浇注温度680-800℃。
优选的，离心铸造成型工艺参数为模具温度300℃、离心转速2750r/min和浇注温度740℃。
优选的，铝基缸套的毛坯按照设计尺寸进行粗车、精车，然后珩磨、对缸套内壁运用溶质质量分数为3-12％的Na0H溶液蚀刻抛光处理，得到铝基复合型缸套。
优选的，Na0H溶液的溶质质量分数为7.5％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明公开的经正交试验优化的控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法通过对铝基复合熔液进行中频电磁搅拌，经磁力多次脉动的作用,使得氟钛酸钾与碳化硅粉相互对撞次数增加，加速了氧化反应过程，减少了氟盐和碳在铝合金中数量，在碳化硅与氟钛酸钾的制备过程中Ti和SiC反应后颗粒直径较大容易颗粒团聚，质量比大于铝，容易下沉，造成碳化硅在铝液中不均匀的现象，使得铝基复合熔液颗粒均匀分布，颗粒不易团聚，提高了材料成型效果，提高铝基复合材料的显微硬度和抗拉强度；
2.通过本发明公开的控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法，经响应面法优化将铝基铸造熔液按设计要求制备成铝基缸套，受力强度均匀，表面粗糙度均匀，摩擦性能稳定。
附图说明
图1显示为模具温度和离心转速交互作用对本发明制备的铝基复合缸套磨损系数的响应面曲线图。
图2显示为模具温度和浇注温度交互作用对本发明制备的铝基复合缸套磨损系数的响应面曲线图。
图3显示为模具温度和Na0H溶液溶质质量分数交互作用对本发明制备的铝基复合缸套磨损系数的响应面曲线图。
图4显示为离心转速和浇注温度交互作用对本发明制备的铝基复合缸套磨损系数的响应面曲线图。
图5显示为离心转速和Na0H溶液溶质质量分数交互作用对本发明制备的铝基复合缸套磨损系数的响应面曲线图。
图6显示为浇注温度和Na0H溶液溶质质量分数交互作用对本发明制备的铝基复合缸套磨损系数的响应面曲线图。
图7为本发明提供的采用传统铝基复合溶液方法和传统电热炉制备的铝基缸套表面图；
图8为本发明提供的控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套表面图；
图9为本发明提供的控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套产品立体图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明采用的中频搅拌式电炉、电磁搅拌器、Si、Al、碳化硅粉、金刚石粉、氟钛酸钾粉、磷盐变质剂、磷铜变质剂、铝锶变质剂、氮气、氩气、可控硅中频电源和Na0H溶液均可通过公共渠道购买或定制。
实施例1：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法
控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法包括如下步骤，在中频搅拌式电炉内设置电磁搅拌器，按质量百分比记，准备5％-20％的Si，余量为Al，在中频搅拌式电炉内均匀搅拌成混合物，中频搅拌式电炉升温至830℃-920℃后，将15％-40％混合物质量比的碳化硅粉或金刚石粉与25％-80％混合物质量比的氟钛酸钾粉加入中频搅拌式电炉中电磁搅拌10-50min，中频搅拌式电炉内形成熔液后对熔液进行扒渣，温度在720℃-780℃时在扒渣后的熔液中加入磷盐变质剂或磷铜变质剂或铝锶变质剂，然后用氮气，氩气进行处理5-15分钟，得到铝基铸造熔液。
优选的，电磁搅拌参数为额定功率500kw，交变电流频率为50-200Hz，搅拌角度0-100°，采用可控硅中频电源。
优选的，交变电流频率为50Hz，搅拌角度为100°。
优选的，碳化硅粉的颗粒度为300μm-20μm。
实施例2：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法
控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法包括如下步骤，在中频搅拌式电炉内设置电磁搅拌器，按质量百分比记，准备5％的Si，余量为Al，在中频搅拌式电炉内均匀搅拌成混合物，中频搅拌式电炉升温至830℃后，将15％混合物质量比的碳化硅粉与25％混合物质量比的氟钛酸钾粉加入中频搅拌式电炉中电磁搅拌10min，中频搅拌式电炉内形成熔液后对熔液进行扒渣，温度在720℃时在扒渣后的熔液中加入磷盐变质剂，然后用氮气，氩气进行处理5分钟，得到铝基铸造熔液。
实施例3：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法
控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法包括如下步骤，在中频搅拌式电炉内设置电磁搅拌器，按质量百分比记，准备12.5％的Si，余量为Al，在中频搅拌式电炉内均匀搅拌成混合物，中频搅拌式电炉升温至875℃后，将27.5％混合物质量比的碳化硅粉与52.5％混合物质量比的氟钛酸钾粉加入中频搅拌式电炉中电磁搅拌30min，中频搅拌式电炉内形成熔液后对熔液进行扒渣，温度在750℃时在扒渣后的熔液中加入磷铜变质剂，然后用氮气，氩气进行处理10分钟，得到铝基铸造熔液。
实施例4：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法
控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法包括如下步骤，在中频搅拌式电炉内设置电磁搅拌器，按质量百分比记，准备5％的Si，余量为Al，在中频搅拌式电炉内均匀搅拌成混合物，中频搅拌式电炉升温至920℃后，将40％混合物质量比的碳化硅粉与80％混合物质量比的氟钛酸钾粉加入中频搅拌式电炉中电磁搅拌1min，中频搅拌式电炉内形成熔液后对熔液进行扒渣，温度在780℃时在扒渣后的熔液中加入铝锶变质剂，然后用氮气，氩气进行处理8分钟，得到铝基铸造熔液。
实施例5：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法
控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法包括如下步骤，在中频搅拌式电炉内设置电磁搅拌器，按质量百分比记，准备20％的Si，余量为Al，在中频搅拌式电炉内均匀搅拌成混合物，中频搅拌式电炉升温至830℃后，将15％混合物质量比的碳化硅粉与25％混合物质量比的氟钛酸钾粉加入中频搅拌式电炉中电磁搅拌50min，中频搅拌式电炉内形成熔液后对熔液进行扒渣，温度在720℃时在扒渣后的熔液中加入磷盐变质剂，然后用氮气，氩气进行处理11分钟，得到铝基铸造熔液。
实施例6：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法
控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法包括如下步骤，在中频搅拌式电炉内设置电磁搅拌器，按质量百分比记，准备20％的Si，余量为Al，在中频搅拌式电炉内均匀搅拌成混合物，中频搅拌式电炉升温至920℃后，将40％混合物质量比的碳化硅粉或金刚石粉与80％混合物质量比的氟钛酸钾粉加入中频搅拌式电炉中电磁搅拌50min，中频搅拌式电炉内形成熔液后对熔液进行扒渣，温度在780℃时在扒渣后的熔液中加入铝锶变质剂，然后用氮气，氩气进行处理15分钟，得到铝基铸造熔液。
实施例7：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法的优化
1.正交优化控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法
在实施例2-6的基础上，设计单因素实验，分别探究Si的质量百分比、碳化硅粉的质量百分比、氟钛酸钾粉的质量百分比和电磁搅拌时间对控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法得到铝基铸造熔液制备的铝基缸套在10N载荷，相同磨损条件下的磨损量的影响。在单因素实验的基础上进行四因素三水平正交实验，正交试验因素与水平表见表7.1。按照市售的4.5Mg材料的铝基复合缸套在10N载荷，相同磨损条件下的磨损量除以本试验方法得到的铝基复合缸套磨损量的数值来作为本试验评价指标—磨损系数。
表7.1正交试验因素与水平
正交优化控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法试验结果及分析：
表7.2正交试验结果及分析
从表7.2可以看出，在试验设计的范围内，电磁搅拌时间D对控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法得到铝基铸造熔液制备的铝基缸套磨损系数的影响最大，其次为Si的质量百分比A、碳化硅粉的质量百分比B和氟钛酸钾粉的质量百分比C。控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法的最佳试验参数为A3B1C1D3，即5％-20％的Si、15％-40％混合物质量比的碳化硅粉、25％-80％混合物质量比的氟钛酸钾粉、电磁搅拌10-50min，优选的，即20％的Si、15％混合物质量比的碳化硅粉、25％混合物质量比的氟钛酸钾粉、电磁搅拌50min。
实施例8：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套
采用实施例1所述的控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套。所述的铝基缸套的毛坯采用离心铸造成型，离心铸造成型工艺参数包括模具温度250-350℃、离心转速2000-3500r/min和浇注温度680-800℃。对铝基缸套的毛坯按照设计尺寸进行粗车、精车，然后珩磨、对缸套内壁运用溶质质量分数为3-12％的Na0H溶液蚀刻抛光处理，得到铝基复合型缸套。
实施例9：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套
采用实施例1所述的控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套。所述的铝基缸套的毛坯采用离心铸造成型，离心铸造成型工艺参数包括模具温度250℃、离心转速2000r/min和浇注温度680℃。对铝基缸套的毛坯按照设计尺寸进行粗车、精车，然后珩磨、对缸套内壁运用溶质质量分数为3％的Na0H溶液蚀刻抛光处理，得到铝基复合型缸套。
实施例10：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套
采用实施例1所述的控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套。所述的铝基缸套的毛坯采用离心铸造成型，离心铸造成型工艺参数包括模具温度325℃、离心转速3125r/min和浇注温度710℃。对铝基缸套的毛坯按照设计尺寸进行粗车、精车，然后珩磨、对缸套内壁运用溶质质量分数为5.25％的Na0H溶液蚀刻抛光处理，得到铝基复合型缸套。
实施例11：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套
采用实施例1所述的控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套。所述的铝基缸套的毛坯采用离心铸造成型，离心铸造成型工艺参数包括模具温度300℃、离心转速2750r/min和浇注温度740℃。对铝基缸套的毛坯按照设计尺寸进行粗车、精车，然后珩磨、对缸套内壁运用溶质质量分数为7.5％的Na0H溶液蚀刻抛光处理，得到铝基复合型缸套。
实施例12：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套
采用实施例1所述的控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套。所述的铝基缸套的毛坯采用离心铸造成型，离心铸造成型工艺参数包括模具温度275℃、离心转速2375r/min和浇注温度770℃。对铝基缸套的毛坯按照设计尺寸进行粗车、精车，然后珩磨、对缸套内壁运用溶质质量分数为9.75％的Na0H溶液蚀刻抛光处理，得到铝基复合型缸套。
实施例13：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套
采用实施例1所述的控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套。所述的铝基缸套的毛坯采用离心铸造成型，离心铸造成型工艺参数包括模具温度350℃、离心转速3500r/min和浇注温度800℃。对铝基缸套的毛坯按照设计尺寸进行粗车、精车，然后珩磨、对缸套内壁运用溶质质量分数为12％的Na0H溶液蚀刻抛光处理，得到铝基复合型缸套。
实施例14：控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套的优化
在实施例9-13的基础上，做响应面法优化控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法制备的铝基缸套试验,响应面试验因素与水平表见表14.1：
表14.1响应面试验因素与水平表
响应面试验设计与结果：
根据Box-Benhnken中心组合设计原理进行试验设计分析，其结果见表14.2。通过DesignExpert8.0.5采用多元拟合的方法对表14.2的实验数据进行拟合，得到本发明制备的铝基复合缸套磨损系数Y对模具温度(A)，离心转速(B)，浇注温度(C)和溶液溶质质量分数(D)的二次多项回归模型为：
Y＝+4.24+0.058*A+0.042*B+0.017*C+0.033*D-0.025*A*B+0.28*A*C+0.075*A*D+0.18*B*C+0.28*B*D-0.10*C*D-0.40*A^2-0.85*B^2-0.82*C^2-0.72*D^2
表14.2响应面试验设计与结果
响应面分析中各因素交互作用具体参见附图1至附图6。根据响应面的优化结果，离心铸造成型工艺参数模具温度250-350℃、离心转速2000-3500r/min和浇注温度680-800℃优选为模具温度300℃、离心转速2750r/min和浇注温度740℃，溶质质量分数为3-12％的Na0H溶液参数优选为7.5％。采用传统铝基复合溶液方法和传统电热炉制备的铝基缸套表面图见附图7，本发明经正交试验和响应面法优化制备的铝基复合缸套产品图见附图8-附图9，经对比可得出本发明公开的控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法，经响应面法优化将铝基铸造熔液按设计要求制备成铝基缸套，受力强度均匀，表面粗糙度均匀，摩擦性能稳定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
