自生顆粒增強鋁基復合材料汽缸套的制備技術及其應用研究.pdf

1、本文采用離心鑄造工藝制備了一種新型、輕質的自生顆粒增強鋁基復合材料汽缸套，并為實現該鋁合金缸套在發(fā)動機上的應用開展了系統(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）及光學顯微鏡（OM）分析了各復合材料微觀組織，并檢測了各鑄件的力學性能。對比研究發(fā)現，Al-18S

2、i-7Mg鑄件內層中偏聚了大量的初晶Si/Mg2Si顆粒，形成了顆粒增強層，外層沒有顆粒，且內層顆粒體積分數高達24.16％，具有優(yōu)良的力學性能，適用于制備鋁合金缸套。為了使Al-Si-Mg合金缸套應用于發(fā)動機上，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量控制研究及后期的鋁合金缸套壓鑄工藝研究、機械加工工藝研究、缸套內表面處理、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行了測試，

3、對裝配有鋁合金缸套的全鋁發(fā)動機進行了道路實驗。
　　通過材料成分系統(tǒng)研究，發(fā)現Al-xSi-yMg合金中，當x≥12.8＋0.49y且y≥5時，合金中同時形成初晶Si、Mg2Si顆粒；當x<12.8＋0.49y且y≥5，合金中只形成初晶Mg2Si顆粒；當x≥12.8＋0.49y且y<5時，合金中只形成初晶Si顆粒；當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值呈現不同的變化趨勢：當m(Si)≤20%時，k值隨著Mg含量的增加先減小后增大；當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 k值隨澆溫或模溫的升高而增大，最大值達0.59；隨離心轉速增大，k值由1.0逐漸減小至0.53。隨著工藝參數的改變，鑄件增強層內的初晶Si，Mg2Si顆粒體積分數及尺寸大小呈

5、現不同的梯度分布，并且，初晶顆粒的形貌也發(fā)生較大變化，其圓度值，F，出現極低值0.3～0.5。
　　根據不同的缸套尺寸分別離心鑄造試制了宗申149cc和109cc風冷發(fā)動機缸套毛坯，嘉陵600cc及東風小康1300cc水冷發(fā)動機缸套毛坯。實驗發(fā)現，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、雜質含量和②提高離心轉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、實現缸套毛坯的質量可控。
　　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品的必要條件。以宗申149cc發(fā)動機缸套尺寸為例：設定鑄件壁厚為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。設定模具內徑為ymm，缸套內徑粗加工尺寸為62mm，則得模具內徑應為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行壓鑄成形時發(fā)現，高壓壓鑄時，鋁合金缸套較大的熱膨脹量會導致壓鑄過程中缸體內出現“跑水”，為此，壓鑄前加工鋁合金缸套內孔時要適當縮小尺寸，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熱溫度較低，壓鑄時易造成充型不完整

8、，為此，要適當提高壓鑄機的工作壓力。
　　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-數據曲線擬合法”測算鋁合金缸套/鋁合金缸體發(fā)動機工作時汽缸內表面的溫度為231℃，同時得到鑄鐵缸套/鋁合金缸體的內表面為242℃，表明鋁合金缸套/鋁合金缸體具有優(yōu)良的傳熱性能。
　　對鋁合金缸套內表面進行傳統(tǒng)的珩磨處理后發(fā)現，其形成的交叉網紋的粗糙

9、度過大，在臺架實驗中易發(fā)生“拉缸”現象。實驗發(fā)現，將珩磨工藝與自制的SiC—毛氈拋光裝置結合起來，能夠在鋁合金缸套內表面形成合適的網紋。
　　采用10wt%的NaOH溶液在25℃條件下對宗申通用109cc空冷發(fā)動機鋁合金缸套腐蝕處理并進行臺架實驗，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)動機鋁合金缸套進行臺架實驗，測得發(fā)動機的最大功率達22.66kw，最大轉