新型活塞鋁基復合材料設計與制備

1、    新型活塞鋁基復合材料設計與制備    劉翠吳賀賀劉海龍【摘要】活塞作為汽車發(fā)動機中傳遞能量的一個非常重要的構件，對其材料具有特殊的要求。本文嘗試采用復合材料方法制備活塞用鋁基復合材料，研究了鋁基復合材料的金相組織及力學性能?！娟P鍵詞】活塞；鋁硅合金；基體增強；組織；力學性能國內外鋁合金活塞材料研發(fā)現(xiàn)狀國內對鑄造鋁合金活塞材料的研究主要集中在對傳統(tǒng)的鋁硅合金的基體增強上，例如山東大學和山東濱州渤?；钊煞萦邢薰韭?lián)合研發(fā)的alp粒子基體增強活塞；東南大學開發(fā)出使用陶瓷纖維增強鋁基復合材料；安徽省恒泰動力股份有限公司發(fā)明的碳纖維增強的鋁基活塞材料。國

2、外汽車工業(yè)的飛速發(fā)展促進了鋁基復合材料的發(fā)展，日本汽車公司研發(fā)出氧化鋁局部增強鋁基活塞；歐美研究人員采用碳化硅和硫化鉬對鋁硅合金進行增強；美國航空航天局兩位華人科學家發(fā)明并命名了一種名為msfc-398高強度耐高溫過共晶鋁硅合金材料；德國peak werkstoff公司新近開發(fā)的新型耐熱鋁硅合金。1、實驗過程1.1實驗設備及材料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微機控制電子萬能試驗機；5.鋁合金錠，0.7mm的鐵絲及sus316不銹鋼絲1.2實驗內容1.選擇不同增強材料，編制不同構型，然后熔煉鋁合金，并進行金屬型鑄造得到復

3、合材料鑄件；2.cmt5105a型微機控制電子萬能試驗機進行拉伸試驗并分析并對不同構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.最佳增強方法的確定和提高力學性能和優(yōu)化組織的機理分析。1.3實驗步驟（1）增強體金屬的選擇及金屬型涂料：出于界面因素和潤濕性以及原料易得考慮選擇鐵0.7mm的鐵絲和不銹鋼絲作為增強體增強鋁合金的性能，制成復合材料。（2）金屬型模具預熱：本實驗用箱式電爐加熱，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：試驗采用實驗室中頻熔煉爐進行熔煉，熔鋁溫度為710，熔煉過程中要加入精煉劑。具體過程：去氣-本實驗采用溶劑凈

4、化，精煉-六氯乙烷精煉法。精煉時，先調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準備澆注。（4）澆注：將預先準備好的鐵絲網（不銹鋼絲網）固定在模具的正中，澆注的模型為金屬型板狀模型。通過鋁液的過熱熱量使鐵絲網（不銹鋼絲網）表面發(fā)生熔融，從而實現(xiàn)兩者的結合。本實驗澆注溫度為750.2、實驗結果及分析2.1不同構型復合材料鋁合金的組織分析2.1.1加入鐵絲網后復合構型的鑄態(tài)組織分析：黑色條狀為初生硅，白色為鋁，其余為第二相。加入鐵絲的金相組織界面結合良好，空洞及氣孔

5、較少，而加入不銹鋼絲的結合不如加入鐵絲網，可以看到結合部有較多的空隙，其他部分也看到了氣孔。2.2不同構型復合材料鋁合金的力學性能分析2.2.1圓柱形拉伸試棒測試將鑄件加工成圓柱形拉伸試棒，并進行標記。未處理的鋁合金為1號；螺旋鐵絲網加入為2、3、4號；平板鐵絲網加入的為5、6、7號。結果分析：1號為不處理的鋁合金，2、3、4號加入螺旋狀鐵絲網，并未增強抗拉性能，延伸率略有降低，因為加工成圓形標準拉伸試棒后，中間平行部分直徑小，里面鐵絲分布過多，甚至有許多鐵絲外露，造成缺陷，拉伸后均從缺陷處斷裂，因此無法提高性能。5、6、7號加入平板狀鐵絲網，抗拉強度明顯增大，同時延伸率也降低。2.3優(yōu)良增強

6、構型及工藝的選擇及增強機理由于鐵絲及不銹鋼絲的抗拉強度均高于鋁合金，同時二者與鋁合金潤濕性良好，因此考慮將其制成復合材料。螺旋網加入后復合材料內增強體密度過大，結合不夠理想，缺陷較多，故選擇平板網狀加入；金相結果顯示，鐵絲與不銹鋼絲加入，界面結合情況均良好，鐵絲加入結合更好，空洞和氣孔更少，增強效果更佳。3.結論本實驗通過加入不同材料及構型（鐵絲、不銹鋼絲的平板型網、v型網）的復合材料對鋁合金進行強化并研究了合金組織和性能。結論：1.采用不銹鋼絲平板網加入后，抗拉強度增強效果最佳，較未處理的鋁合金的抗拉強度提高約11.9%。2.采用不同構型復合材料處理的鋁合金組織均得到不同程度的改變。其中加入鐵絲網后界面結合更優(yōu)，空洞及氣孔較少。參考文獻1孫曉，王艷艷，王磊，張斌等.鋁合金活塞制造工藝現(xiàn)狀及發(fā)展