離心鑄造自生顆粒增強鋁基驟變梯度功能復合材料氣缸套的制備技術研究.pdf

1、本文提出并試制了一種用于替代傳統(tǒng)鐵質水冷薄壁汽缸套材料的新型、輕質自生顆粒增強鋁基驟變梯度功能復合材料。該驟變梯度復合材料筒狀零件采用離心鑄造工藝制備，從結構上分為內外兩層，內層富含增強顆粒，具有高硬度、優(yōu)良的耐磨性能、良好的熱傳導性能以及熱穩(wěn)定性，外層沒有或存在少量增強顆粒，具有較高的拉伸強度以及良好的機械加工性能，從內壁到外壁，具有組織與性能的驟變功能梯度特征。為了達到這一目的，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、毛坯力學與熱物理性能研究為主線，對這一設想進行了系統(tǒng)研究。
　　 離心鑄造初晶Si顆粒單獨增強和初晶Si、Mg2Si混合增強兩種梯度復合材料組織與性能的對比發(fā)現(xiàn)，以Al-19Si合金為基體，采用熱模離心鑄造工藝，可以制備出單獨初晶Si顆粒增強的漸變梯度復合材料;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顆粒混合增強的Al基驟變梯度復合材料。通過對離心場中顆粒的受力與運動

3、關系的分析以及兩種梯度復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初晶Si顆?？焖倨鄣淖饔?。
　　 通過對材料成分的進一步研究發(fā)現(xiàn)，Mg2Si的形貌是形成初晶Si與Mg2Si顆粒增強驟變梯度復合材料的又一關鍵因素。只有塊狀或顆粒狀的初晶Mg2Si相，才具有較大的向心運動速度，從而能夠推動初晶Si顆粒一起向內

4、壁偏移。而團簇狀或網(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離心鑄造形成自生初晶Si與Mg2Si混合增強的驟變梯度功能復合材料。滿足這一要求的合理合金成分是，Mg高于4wt％，Si高于19wt％。
　　 對離心成形工藝的研究發(fā)現(xiàn)，初晶Si與Mg2Si向內層的嚴重偏聚增大了工藝難度，容易在鑄件增強層與非增強層之間形成縮孔和氣

5、孔。對縮孔形成的機制分析發(fā)現(xiàn)，鑄型的冷卻與顆粒向內層偏移結果導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，內外兩層之間的液體最后凝固形成縮孔。對氣孔的形成過程分析發(fā)現(xiàn)，凝固過程中，鋁熔體中過飽和氣體的析出主要在660℃以下，而此時內層已經(jīng)聚集了大量的增強顆粒，處于固相率很高的半固態(tài)或固態(tài)狀態(tài)，從而導致氣體從內壁溢出受阻，并最終在增強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℃；模具預熱溫度-200～300℃；噴水時間-60s；澆注方式—外端口、低速(100～150r/min)側澆。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)某型號水冷薄壁氣缸套零件的尺寸，試制了氣缸套毛坯，并對其進行T6熱處理和車削加工。車削加工證明，鑄件的內層具有高硬度、高耐磨性的特點，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，增強區(qū)域顆粒細小，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)狀和團簇狀；經(jīng)過T6熱處理，初晶Si與Mg2Si顆粒發(fā)生圓潤化，鑄態(tài)下的多邊形棱角消失，顆粒與基體的結合緊密。對于共晶組織，固溶以后，鑄態(tài)下的條狀共晶Si發(fā)生部分

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

9、該狀態(tài)下，增強區(qū)域的磨損量僅有0.009g。造成這種結果的原因，主要是固溶過程中共晶Mg2Si未完全溶解，形成剩余增強相，而時效后，剩余增強相發(fā)生長大與粘連，形成了兩種增強相、多種粒徑增強顆粒共存的、類似于混凝土結構的“沙—石”增強機制，這種增強機制，有利于提高材料的耐磨性能。線膨脹系數(shù)測定結果顯示，時效后鑄件增強層的線膨脹系數(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。對拉伸斷口的分析發(fā)現(xiàn)，裂紋首先產(chǎn)生在顆粒增強區(qū)域，并以脆性的解理斷裂為主。在拉應力與剪應力作用下，裂紋從增強區(qū)域向非增強區(qū)域延伸，導致非增強層粗大的α相發(fā)生滑移斷裂。對磨損面的掃描電鏡形貌分析發(fā)現(xiàn)，增強層以初晶Si與Mg2Si顆粒的疲勞磨損與磨粒磨損為主。
　　 對比這種驟變梯度功能復合材料與某型號鑄鐵氣缸套零件發(fā)現(xiàn)，該材料的部分性能已經(jīng)接近某型號鑄鐵氣缸套零件的要求。