離心鑄造自生顆粒增強(qiáng)鋁基驟變梯度功能復(fù)合材料氣缸套的制備技術(shù)研究.pdf

1、本文提出并試制了一種用于替代傳統(tǒng)鐵質(zhì)水冷薄壁汽缸套材料的新型、輕質(zhì)自生顆粒增強(qiáng)鋁基驟變梯度功能復(fù)合材料。該驟變梯度復(fù)合材料筒狀零件采用離心鑄造工藝制備，從結(jié)構(gòu)上分為內(nèi)外兩層，內(nèi)層富含增強(qiáng)顆粒，具有高硬度、優(yōu)良的耐磨性能、良好的熱傳導(dǎo)性能以及熱穩(wěn)定性，外層沒(méi)有或存在少量增強(qiáng)顆粒，具有較高的拉伸強(qiáng)度以及良好的機(jī)械加工性能，從內(nèi)壁到外壁，具有組織與性能的驟變功能梯度特征。為了達(dá)到這一目的，本文以自生顆粒選擇、材料成分研究、離心成形工藝研究、試

2、制氣缸套毛坯、毛坯力學(xué)與熱物理性能研究為主線，對(duì)這一設(shè)想進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　 離心鑄造初晶Si顆粒單獨(dú)增強(qiáng)和初晶Si、Mg2Si混合增強(qiáng)兩種梯度復(fù)合材料組織與性能的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以Al-19Si合金為基體，采用熱模離心鑄造工藝，可以制備出單獨(dú)初晶Si顆粒增強(qiáng)的漸變梯度復(fù)合材料;而以Al-19Si-5Mg合金為基體，采用相同的工藝參數(shù)，可以制備出初晶Si、Mg2Si顆?；旌显鰪?qiáng)的Al基驟變梯度復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)離心場(chǎng)中顆粒的受力與運(yùn)動(dòng)

3、關(guān)系的分析以及兩種梯度復(fù)合材料的磨損性能研究發(fā)現(xiàn)，在初晶Si與Mg2Si混合顆粒增強(qiáng)材料中，初晶Si顆粒起提高材料耐磨性的作用，Mg2Si顆粒除起提高耐磨性的作用外，主要還起在離心力下推動(dòng)初晶Si顆?？焖倨鄣淖饔?。
　　 通過(guò)對(duì)材料成分的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Mg2Si的形貌是形成初晶Si與Mg2Si顆粒增強(qiáng)驟變梯度復(fù)合材料的又一關(guān)鍵因素。只有塊狀或顆粒狀的初晶Mg2Si相，才具有較大的向心運(yùn)動(dòng)速度，從而能夠推動(dòng)初晶Si顆粒一起向內(nèi)

4、壁偏移。而團(tuán)簇狀或網(wǎng)狀的共晶Mg2Si組織不能夠產(chǎn)生離心偏移或具有很小的離心偏移速度。因此，只有能夠形成大量塊狀的初晶Mg2Si顆粒的Al-Si-Mg三元系合金才能通過(guò)離心鑄造形成自生初晶Si與Mg2Si混合增強(qiáng)的驟變梯度功能復(fù)合材料。滿足這一要求的合理合金成分是，Mg高于4wt％，Si高于19wt％。
　　 對(duì)離心成形工藝的研究發(fā)現(xiàn)，初晶Si與Mg2Si向內(nèi)層的嚴(yán)重偏聚增大了工藝難度，容易在鑄件增強(qiáng)層與非增強(qiáng)層之間形成縮孔和氣

5、孔。對(duì)縮孔形成的機(jī)制分析發(fā)現(xiàn)，鑄型的冷卻與顆粒向內(nèi)層偏移結(jié)果導(dǎo)致在鑄件厚度方向上形成固態(tài)——液態(tài)——半固態(tài)——固態(tài)這一雙向凝固特征，內(nèi)外兩層之間的液體最后凝固形成縮孔。對(duì)氣孔的形成過(guò)程分析發(fā)現(xiàn)，凝固過(guò)程中，鋁熔體中過(guò)飽和氣體的析出主要在660℃以下，而此時(shí)內(nèi)層已經(jīng)聚集了大量的增強(qiáng)顆粒，處于固相率很高的半固態(tài)或固態(tài)狀態(tài)，從而導(dǎo)致氣體從內(nèi)壁溢出受阻，并最終在增強(qiáng)層以及界面處形成宏觀氣孔。為了控制縮孔和氣孔，并形成驟變梯度功能復(fù)合材料，合理的

6、離心成形工藝參數(shù)是：澆注溫度-660～670℃；模具預(yù)熱溫度-200～300℃；噴水時(shí)間-60s；澆注方式—外端口、低速(100～150r/min)側(cè)澆。得到的鑄件，氣孔基本消除；縮孔明顯減小，并形成在鑄件外端口。這樣，可以通過(guò)車削加工將縮孔區(qū)域去除而不影響剩余鑄件的使用。
　　 根據(jù)某型號(hào)水冷薄壁氣缸套零件的尺寸，試制了氣缸套毛坯，并對(duì)其進(jìn)行T6熱處理和車削加工。車削加工證明，鑄件的內(nèi)層具有高硬度、高耐磨性的特點(diǎn)，而外層具有良

7、好的車削加工性能。
　　 不同熱處理態(tài)下的組織演變特征顯示，鑄態(tài)下，增強(qiáng)區(qū)域顆粒細(xì)小，其中初晶Si的粒徑在60μm以下，初晶Mg2Si顆粒粒徑在25μm以下，均呈現(xiàn)不規(guī)則多邊形狀。非增強(qiáng)區(qū)域主要是α相、共晶Si與共晶Mg2Si，其中共晶Si呈現(xiàn)條狀，共晶Mg2Si呈現(xiàn)網(wǎng)狀和團(tuán)簇狀；經(jīng)過(guò)T6熱處理，初晶Si與Mg2Si顆粒發(fā)生圓潤(rùn)化，鑄態(tài)下的多邊形棱角消失，顆粒與基體的結(jié)合緊密。對(duì)于共晶組織，固溶以后，鑄態(tài)下的條狀共晶Si發(fā)生部分

8、熔斷，時(shí)效以后，形成短棒狀；網(wǎng)狀和團(tuán)簇狀的共晶Mg2Si固溶后，組織發(fā)生了明顯的溶解，形成了大量的剩余點(diǎn)球狀增強(qiáng)相，這些點(diǎn)球狀的未溶解Mg2Si分布均勻，呈彌散狀；時(shí)效以后，固溶處理中未溶解的點(diǎn)球狀Mg2Si發(fā)生了明顯的長(zhǎng)大與粘連現(xiàn)象。
　　 毛坯的力學(xué)性能顯示，固溶處理后，材料的硬度、拉伸強(qiáng)度與延伸率均處于最優(yōu)狀態(tài)，分別達(dá)到HRB70左右(非增強(qiáng)層)和HRB90左右(增強(qiáng)層)、210MPa和1.15％。而耐磨性卻是時(shí)效后最好，

9、該狀態(tài)下，增強(qiáng)區(qū)域的磨損量?jī)H有0.009g。造成這種結(jié)果的原因，主要是固溶過(guò)程中共晶Mg2Si未完全溶解，形成剩余增強(qiáng)相，而時(shí)效后，剩余增強(qiáng)相發(fā)生長(zhǎng)大與粘連，形成了兩種增強(qiáng)相、多種粒徑增強(qiáng)顆粒共存的、類似于混凝土結(jié)構(gòu)的“沙—石”增強(qiáng)機(jī)制，這種增強(qiáng)機(jī)制，有利于提高材料的耐磨性能。線膨脹系數(shù)測(cè)定結(jié)果顯示，時(shí)效后鑄件增強(qiáng)層的線膨脹系數(shù)為：18.9×10-6/℃(20～100℃)、19.61×10-6/℃(20～200℃)和20.48×10-6

10、/℃(20～300℃)，均優(yōu)于相同溫度區(qū)間的ZL109合金。對(duì)拉伸斷口的分析發(fā)現(xiàn)，裂紋首先產(chǎn)生在顆粒增強(qiáng)區(qū)域，并以脆性的解理斷裂為主。在拉應(yīng)力與剪應(yīng)力作用下，裂紋從增強(qiáng)區(qū)域向非增強(qiáng)區(qū)域延伸，導(dǎo)致非增強(qiáng)層粗大的α相發(fā)生滑移斷裂。對(duì)磨損面的掃描電鏡形貌分析發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)層以初晶Si與Mg2Si顆粒的疲勞磨損與磨粒磨損為主。
　　 對(duì)比這種驟變梯度功能復(fù)合材料與某型號(hào)鑄鐵氣缸套零件發(fā)現(xiàn)，該材料的部分性能已經(jīng)接近某型號(hào)鑄鐵氣缸套零件的要求。