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原文传递自生颗粒增强铝基复合材料汽缸套的制备技术及其应用研究

论文题名：	自生颗粒增强铝基复合材料汽缸套的制备技术及其应用研究
关键词：	发动机汽缸套;铝基复合材料;自生颗粒;离心铸造法;力学性能
摘要：	本文采用离心铸造工艺制备了一种新型、轻质的自生颗粒增强铝基复合材料汽缸套，并为实现该铝合金缸套在发动机上的应用开展了系统的实验研究。　　本文首先采用离心铸造法制备了分别含有不同自生颗粒的复合材料Al-18Si-7Mg、Al-18Si-7Ni、Al-18Si-7Ti，采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、X射线能谱议（EDS）及光学显微镜（OM）分析了各复合材料微观组织，并检测了各铸件的力学性能。对比研究发现，Al-18Si-7Mg铸件内层中偏聚了大量的初晶Si/Mg2Si颗粒，形成了颗粒增强层，外层没有颗粒，且内层颗粒体积分数高达24.16％，具有优良的力学性能，适用于制备铝合金缸套。为了使Al-Si-Mg合金缸套应用于发动机上，本文开展了前期的材料成分系统研究、铸件成形工艺研究，中期的铝合金缸套毛坯成形及质量控制研究及后期的铝合金缸套压铸工艺研究、机械加工工艺研究、缸套内表面处理、台架实验等，并采用自制的传热装置对全铝合金汽缸体的传热性能进行了测试，对装配有铝合金缸套的全铝发动机进行了道路实验。　　通过材料成分系统研究，发现Al-xSi-yMg合金中，当x≥12.8＋0.49y且y≥5时，合金中同时形成初晶Si、Mg2Si颗粒；当x<12.8＋0.49y且y≥5，合金中只形成初晶Mg2Si颗粒；当x≥12.8＋0.49y且y<5时，合金中只形成初晶Si颗粒；当x<12.8＋0.49y且y<5时，合金中不形成初晶颗粒。随着Si含量的增加（Mg含量不变），Al-xSi-Mg铸件增强层厚度在整个铸件厚度所占比例，k，逐渐增加；随着Mg含量的增加（Si含量不变），k值呈现不同的变化趋势：当m(Si)≤20%时，k值随着Mg含量的增加先减小后增大；当m(Si)≥25%时，k值随着Mg含量的增加而增大。　　通过对铸件的成形工艺研究，发现 k值随浇温或模温的升高而增大，最大值达0.59；随离心转速增大，k值由1.0逐渐减小至0.53。随着工艺参数的改变，铸件增强层内的初晶Si，Mg2Si颗粒体积分数及尺寸大小呈现不同的梯度分布，并且，初晶颗粒的形貌也发生较大变化，其圆度值，F，出现极低值0.3～0.5。　　根据不同的缸套尺寸分别离心铸造试制了宗申149cc和109cc风冷发动机缸套毛坯，嘉陵600cc及东风小康1300cc水冷发动机缸套毛坯。实验发现，通过降低浇注温度可以消除铸件中的孔洞及裂纹，通过①自制的氩气“静态喷吹”装置净化熔体，降低熔体中的夹渣、杂质含量和②提高离心转速使铸件中微小的夹渣物聚拢并车削加工，可以消除铸件中的夹渣，实现缸套毛坯的质量可控。　　合适的模具尺寸、铸件尺寸是获得具有理想偏聚层厚度的缸套产品的必要条件。以宗申149cc发动机缸套尺寸为例：设定铸件壁厚为xmm，则铸件的原始偏聚层最小厚度值为0.45xmm，其铸件内表面的车削加工尺寸为b≥3.0mm，加工后剩余偏聚层厚度d≥1.5mm。设定模具内径为ymm，缸套内径粗加工尺寸为62mm，则得模具内径应为79.3mm，铸件壁厚在11.65～13.0mm，其偏聚层厚度为：5.24￡￡5.85 f mm，铸件内表面车削值为：3.0￡￡4.35 b mm，其剩余偏聚层厚度为：1.5￡￡2.24 d mm，铸件外表面的理论车削值为：=2.15c mm。　　将铝合金缸套在工厂里与铝合金缸体进行压铸成形时发现，高压压铸时，铝合金缸套较大的热膨胀量会导致压铸过程中缸体内出现“跑水”，为此，压铸前加工铝合金缸套内孔时要适当缩小尺寸，一般取其加工范围的下偏差。低压压铸时，由于铝合金缸套的压铸预热温度较低，压铸时易造成充型不完整，为此，要适当提高压铸机的工作压力。　　通过计算铝合金缸套-缸体与铸铁缸套-缸体的理论传热值，发现本研究铝合金缸套-缸体的传热能力是铸铁缸套-缸体的2倍以上；首次通过“实验测温-数据曲线拟合法”测算铝合金缸套/铝合金缸体发动机工作时汽缸内表面的温度为231℃，同时得到铸铁缸套/铝合金缸体的内表面为242℃，表明铝合金缸套/铝合金缸体具有优良的传热性能。　　对铝合金缸套内表面进行传统的珩磨处理后发现，其形成的交叉网纹的粗糙度过大，在台架实验中易发生“拉缸”现象。实验发现，将珩磨工艺与自制的SiC—毛毡抛光装置结合起来，能够在铝合金缸套内表面形成合适的网纹。　　采用10wt%的NaOH溶液在25℃条件下对宗申通用109cc空冷发动机铝合金缸套腐蚀处理并进行台架实验，测得其总的（HC+NOx）排放量较铸铁缸套上升了10%，未能有益于减少尾气排放。对腐蚀处理后的嘉陵600cc水冷发动机铝合金缸套进行台架实验，测得发动机的最大功率达22.66kw，最大转矩达44.37N·m，达到了该发动机的设计要求，并且，全铝合金汽缸缸温有明显降低，表明铝合金缸套在该机型上具有应用的可能性。　　对腐蚀处理后的东风小康1300cc水冷发动机铝合金缸套汽缸进行了装车（安装在长安集团公司生产的1.3L“镭蒙”牌轻型面包车上），进行了一年多的道路测试。该车现已完成初期30000公里测试，目前运行良好，有望获得应用。
作者：	林雪冬
专业：	材料科学与工程
导师：	刘昌明
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文