新型活塞鋁基復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制備

劉翠 吳賀賀 劉海龍

前言

活塞作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中傳遞能量的一個(gè)非常重要的構(gòu)件，對(duì)其材料具有特殊的要求。本文嘗試采用復(fù)合材料方法制備活塞用鋁基復(fù)合材料，研究了鋁基復(fù)合材料的金相組織及力學(xué)性能。

1、國(guó)內(nèi)外鋁合金活塞材料研發(fā)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)鑄造鋁合金活塞材料的研究主要集中在對(duì)傳統(tǒng)的鋁硅合金的基體增強(qiáng)上，例如山東大學(xué)和山東濱州渤?；钊煞萦邢薰韭?lián)合研發(fā)的AlP粒子基體增強(qiáng)活塞;東南大學(xué)開發(fā)出使用陶瓷纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料;安徽省恒泰動(dòng)力股份有限公司發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)的鋁基活塞材料。國(guó)外汽車工業(yè)的飛速發(fā)展促進(jìn)了鋁基復(fù)合材料的發(fā)展，日本汽車公司研發(fā)出氧化鋁局部增強(qiáng)鋁基活塞;歐美研究人員采用碳化硅和硫化鉬對(duì)鋁硅合金進(jìn)行增強(qiáng);美國(guó)航空航天局兩位華人科學(xué)家發(fā)明并命名了一種名為MSFC-398高強(qiáng)度耐高溫過(guò)共晶鋁硅合金材料;德國(guó)PEAK Werkstoff公司新近開發(fā)的新型耐熱鋁硅合金。

2、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

1.中頻熔煉爐及石墨坩堝;2.平板狀金屬型模具;3.OLMPUS-PME3金相顯微鏡;4.CMT5105A微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī);5.鋁合金錠，φ0.7mm的鐵絲及SUS316不銹鋼絲

2.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.選擇不同增強(qiáng)材料，編制不同構(gòu)型，然后熔煉鋁合金，并進(jìn)行金屬型鑄造得到復(fù)合材料鑄件;2.CMT5105A型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)并分析并對(duì)不同構(gòu)型鑄件分別制備金相試樣，用OLMPUS-PME3金相顯微鏡觀察試樣組織并分析;4.最佳增強(qiáng)方法的確定和提高力學(xué)性能和優(yōu)化組織的機(jī)理分析。

2.3實(shí)驗(yàn)步驟

（1）增強(qiáng)體金屬的選擇及金屬型涂料：出于界面因素和潤(rùn)濕性以及原料易得考慮選擇鐵φ0.7mm的鐵絲和不銹鋼絲作為增強(qiáng)體增強(qiáng)鋁合金的性能，制成復(fù)合材料。（2）金屬型模具預(yù)熱：本實(shí)驗(yàn)用箱式電爐加熱，噴涂料前加熱到200℃，噴涂料后加熱到250℃等待澆注。（3）熔化工藝：試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室中頻熔煉爐進(jìn)行熔煉，熔鋁溫度為710℃，熔煉過(guò)程中要加入精煉劑。具體過(guò)程：去氣--本實(shí)驗(yàn)采用溶劑凈化，精煉--六氯乙烷精煉法。精煉時(shí)，先調(diào)整鋁液溫度到高于澆注溫度20-30℃即770℃。把熔劑撒在鋁合金熔體里面，攪拌5-10min，然后清除合金上面的渣并撒上一層覆蓋劑，精煉完畢后，靜置25s用扒渣勺扒渣后升溫至750℃準(zhǔn)備澆注。（4）澆注：將預(yù)先準(zhǔn)備好的鐵絲網(wǎng)（不銹鋼絲網(wǎng)）固定在模具的正中，澆注的模型為金屬型板狀模型。通過(guò)鋁液的過(guò)熱熱量使鐵絲網(wǎng)（不銹鋼絲網(wǎng)）表面發(fā)生熔融，從而實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合。本實(shí)驗(yàn)澆注溫度為750℃.

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1不同構(gòu)型復(fù)合材料鋁合金的組織分析

3.1.1加入鐵絲網(wǎng)后復(fù)合構(gòu)型的鑄態(tài)組織

圖3.1 加入鐵絲網(wǎng)后基體及結(jié)合處

鑄態(tài)組織100倍晶相圖

圖3.2加入不銹鋼絲網(wǎng)后基體及結(jié)合處

鑄態(tài)組織100倍晶相圖

分析：黑色條狀為初生硅，白色為α鋁，其余為第二相。加入鐵絲的金相組織界面結(jié)合良好，空洞及氣孔較少，而加入不銹鋼絲的結(jié)合不如加入鐵絲網(wǎng)，可以看到結(jié)合部有較多的空隙，其他部分也看到了氣孔。

3.2不同構(gòu)型復(fù)合材料鋁合金的力學(xué)性能分析

3.2.1圓柱形拉伸試棒測(cè)試

將鑄件加工成圓柱形拉伸試棒，并進(jìn)行標(biāo)記。未處理的鋁合金為1號(hào);螺旋鐵絲網(wǎng)加入為2、3、4號(hào);平板鐵絲網(wǎng)加入的為5、6、7號(hào)。

圖3.3鐵絲網(wǎng)加入后拉伸試樣拉伸圖 圖3.4不銹鋼平板網(wǎng)加入后拉伸試樣拉伸圖

結(jié)果分析：1號(hào)為不處理的鋁合金，2、3、4號(hào)加入螺旋狀鐵絲網(wǎng)，并未增強(qiáng)抗拉性能，延伸率略有降低，因?yàn)榧庸こ蓤A形標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒后，中間平行部分直徑小，里面鐵絲分布過(guò)多，甚至有許多鐵絲外露，造成缺陷，拉伸后均從缺陷處斷裂，因此無(wú)法提高性能。5、6、7號(hào)加入平板狀鐵絲網(wǎng)，抗拉強(qiáng)度明顯增大，同時(shí)延伸率也降低。

3.3優(yōu)良增強(qiáng)構(gòu)型及工藝的選擇及增強(qiáng)機(jī)理

由于鐵絲及不銹鋼絲的抗拉強(qiáng)度均高于鋁合金，同時(shí)二者與鋁合金潤(rùn)濕性良好，因此考慮將其制成復(fù)合材料。螺旋網(wǎng)加入后復(fù)合材料內(nèi)增強(qiáng)體密度過(guò)大，結(jié)合不夠理想，缺陷較多，故選擇平板網(wǎng)狀加入;金相結(jié)果顯示，鐵絲與不銹鋼絲加入，界面結(jié)合情況均良好，鐵絲加入結(jié)合更好，空洞和氣孔更少，增強(qiáng)效果更佳。

4.結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)加入不同材料及構(gòu)型（鐵絲、不銹鋼絲的平板型網(wǎng)、V型網(wǎng)）的復(fù)合材料對(duì)鋁合金進(jìn)行強(qiáng)化并研究了合金組織和性能。結(jié)論：1.采用不銹鋼絲平板網(wǎng)加入后，抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)效果最佳，較未處理的鋁合金的抗拉強(qiáng)度提高約11.9%。2.采用不同構(gòu)型復(fù)合材料處理的鋁合金組織均得到不同程度的改變。其中加入鐵絲網(wǎng)后界面結(jié)合更優(yōu)，空洞及氣孔較少。