自生顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料汽缸套的制備技術(shù)及其應(yīng)用研究.pdf

1、本文采用離心鑄造工藝制備了一種新型、輕質(zhì)的自生顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料汽缸套，并為實現(xiàn)該鋁合金缸套在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用開展了系統(tǒng)的實驗研究。
　　本文首先采用離心鑄造法制備了分別含有不同自生顆粒的復(fù)合材料Al-18Si-7Mg、Al-18Si-7Ni、Al-18Si-7Ti，采用X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）、X射線能譜議（EDS）及光學(xué)顯微鏡（OM）分析了各復(fù)合材料微觀組織，并檢測了各鑄件的力學(xué)性能。對比研究發(fā)現(xiàn)，Al-18S

2、i-7Mg鑄件內(nèi)層中偏聚了大量的初晶Si/Mg2Si顆粒，形成了顆粒增強(qiáng)層，外層沒有顆粒，且內(nèi)層顆粒體積分?jǐn)?shù)高達(dá)24.16％，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，適用于制備鋁合金缸套。為了使Al-Si-Mg合金缸套應(yīng)用于發(fā)動機(jī)上，本文開展了前期的材料成分系統(tǒng)研究、鑄件成形工藝研究，中期的鋁合金缸套毛坯成形及質(zhì)量控制研究及后期的鋁合金缸套壓鑄工藝研究、機(jī)械加工工藝研究、缸套內(nèi)表面處理、臺架實驗等，并采用自制的傳熱裝置對全鋁合金汽缸體的傳熱性能進(jìn)行了測試，

3、對裝配有鋁合金缸套的全鋁發(fā)動機(jī)進(jìn)行了道路實驗。
　　通過材料成分系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)Al-xSi-yMg合金中，當(dāng)x≥12.8＋0.49y且y≥5時，合金中同時形成初晶Si、Mg2Si顆粒；當(dāng)x<12.8＋0.49y且y≥5，合金中只形成初晶Mg2Si顆粒；當(dāng)x≥12.8＋0.49y且y<5時，合金中只形成初晶Si顆粒；當(dāng)x<12.8＋0.49y且y<5時，合金中不形成初晶顆粒。隨著Si含量的增加（Mg含量不變），Al-xSi-Mg鑄件

4、增強(qiáng)層厚度在整個鑄件厚度所占比例，k，逐漸增加；隨著Mg含量的增加（Si含量不變），k值呈現(xiàn)不同的變化趨勢：當(dāng)m(Si)≤20%時，k值隨著Mg含量的增加先減小后增大；當(dāng)m(Si)≥25%時，k值隨著Mg含量的增加而增大。
　　通過對鑄件的成形工藝研究，發(fā)現(xiàn) k值隨澆溫或模溫的升高而增大，最大值達(dá)0.59；隨離心轉(zhuǎn)速增大，k值由1.0逐漸減小至0.53。隨著工藝參數(shù)的改變，鑄件增強(qiáng)層內(nèi)的初晶Si，Mg2Si顆粒體積分?jǐn)?shù)及尺寸大小呈

5、現(xiàn)不同的梯度分布，并且，初晶顆粒的形貌也發(fā)生較大變化，其圓度值，F(xiàn)，出現(xiàn)極低值0.3～0.5。
　　根據(jù)不同的缸套尺寸分別離心鑄造試制了宗申149cc和109cc風(fēng)冷發(fā)動機(jī)缸套毛坯，嘉陵600cc及東風(fēng)小康1300cc水冷發(fā)動機(jī)缸套毛坯。實驗發(fā)現(xiàn)，通過降低澆注溫度可以消除鑄件中的孔洞及裂紋，通過①自制的氬氣“靜態(tài)噴吹”裝置凈化熔體，降低熔體中的夾渣、雜質(zhì)含量和②提高離心轉(zhuǎn)速使鑄件中微小的夾渣物聚攏并車削加工，可以消除鑄件中的夾渣，

6、實現(xiàn)缸套毛坯的質(zhì)量可控。
　　合適的模具尺寸、鑄件尺寸是獲得具有理想偏聚層厚度的缸套產(chǎn)品的必要條件。以宗申149cc發(fā)動機(jī)缸套尺寸為例：設(shè)定鑄件壁厚為xmm，則鑄件的原始偏聚層最小厚度值為0.45xmm，其鑄件內(nèi)表面的車削加工尺寸為b≥3.0mm，加工后剩余偏聚層厚度d≥1.5mm。設(shè)定模具內(nèi)徑為ymm，缸套內(nèi)徑粗加工尺寸為62mm，則得模具內(nèi)徑應(yīng)為79.3mm，鑄件壁厚在11.65～13.0mm，其偏聚層厚度為：5.24￡￡5.

7、85 f mm，鑄件內(nèi)表面車削值為：3.0￡￡4.35 b mm，其剩余偏聚層厚度為：1.5￡￡2.24 d mm，鑄件外表面的理論車削值為：=2.15c mm。
　　將鋁合金缸套在工廠里與鋁合金缸體進(jìn)行壓鑄成形時發(fā)現(xiàn)，高壓壓鑄時，鋁合金缸套較大的熱膨脹量會導(dǎo)致壓鑄過程中缸體內(nèi)出現(xiàn)“跑水”，為此，壓鑄前加工鋁合金缸套內(nèi)孔時要適當(dāng)縮小尺寸，一般取其加工范圍的下偏差。低壓壓鑄時，由于鋁合金缸套的壓鑄預(yù)熱溫度較低，壓鑄時易造成充型不完整

8、，為此，要適當(dāng)提高壓鑄機(jī)的工作壓力。
　　通過計算鋁合金缸套-缸體與鑄鐵缸套-缸體的理論傳熱值，發(fā)現(xiàn)本研究鋁合金缸套-缸體的傳熱能力是鑄鐵缸套-缸體的2倍以上；首次通過“實驗測溫-數(shù)據(jù)曲線擬合法”測算鋁合金缸套/鋁合金缸體發(fā)動機(jī)工作時汽缸內(nèi)表面的溫度為231℃，同時得到鑄鐵缸套/鋁合金缸體的內(nèi)表面為242℃，表明鋁合金缸套/鋁合金缸體具有優(yōu)良的傳熱性能。
　　對鋁合金缸套內(nèi)表面進(jìn)行傳統(tǒng)的珩磨處理后發(fā)現(xiàn)，其形成的交叉網(wǎng)紋的粗糙

9、度過大，在臺架實驗中易發(fā)生“拉缸”現(xiàn)象。實驗發(fā)現(xiàn)，將珩磨工藝與自制的SiC—毛氈拋光裝置結(jié)合起來，能夠在鋁合金缸套內(nèi)表面形成合適的網(wǎng)紋。
　　采用10wt%的NaOH溶液在25℃條件下對宗申通用109cc空冷發(fā)動機(jī)鋁合金缸套腐蝕處理并進(jìn)行臺架實驗，測得其總的（HC+NOx）排放量較鑄鐵缸套上升了10%，未能有益于減少尾氣排放。對腐蝕處理后的嘉陵600cc水冷發(fā)動機(jī)鋁合金缸套進(jìn)行臺架實驗，測得發(fā)動機(jī)的最大功率達(dá)22.66kw，最大轉(zhuǎn)