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铝基复合材料的制备工艺及性能研究

冯科  
【摘要】:随着现代汽车工业的高速发展,传统的活塞制造方法渐渐无法满足大功率发动机的要求。粉末冶金方法作为一种近净成形的方法,具有材料利用率高、可设计性强、加工温度低等优点,大大减少了传统铸造方法中所产生的偏析及晶粒粗大等缺陷,在汽车零部件的生产中有着广泛的应用。本文尝试采用粉末冶金方法制备活塞用铝基复合材料,研究了铝基复合材料的组织、拉伸断口及磨损性能。 本实验采用的粉末冶金工艺为:混粉、压制、烧结、挤压、热处理,系统地研究了粉末冶金工艺对复合材料性能的影响。首先选取不同的压力进行粉末预制体的成型,分析了密度随压力的变化规律,确定了合适的压制力。然后分别根据温度、时间对烧结体密度、硬度的影响得到了合适的烧结工艺。在后续处理中,分析了不同挤压温度对材料强度及硬度的影响和不同的热处理工艺下材料性能的变化。最终得出粉末冶金制备铝基复合材料最佳制备工艺参数:压制力50t,烧结制度为570℃×2h,挤压温度为390℃,热处理工艺为510℃保温3.5h淬火,175℃时效10h。 采用SEM、EDAX等设备对粉末冶金法制备的铝基复合材料组织、拉伸断口及磨损形貌进行了观察分析。结果表明:烧结后的复合材料组织较为疏松,有很多大小不一的孔洞,致密度较低。组织中硅颗粒尺寸较大,形状多呈多边形板状,严重割裂了材料组织的连续性,经过塑性变形后,硅相呈弥散分布细小且均匀,材料疏松、孔洞等现象得到改善,致密度明显提高。对挤压前与挤压后材料拉伸断口进行观察,发现挤压前的材料结合强度较低,粉末之间由冶金结合和机械咬合共存,为脆性断裂。经过挤压后,颗粒之间的结合度明显提高,空隙得到填补,断裂方式为脆性和韧性并存的方式。复合材料经固溶处理后强度和硬度达到了最大值,分别为266MPa和HBS89.7,比挤压后的复合材料强度和硬度分别提高了87.9%和24%。 摩擦磨损试验结果表明,烧结、挤压及热处理后的复合材料磨损率的变化趋势均为先上升再下降,接着趋于平稳。经热处理后的试样磨损率较低,磨损性能最好。三种状态下复合材料的磨损方式都由粘着磨损、磨粒磨损以及氧化磨损构成,在不同状态下铝基复合材料磨损中,起主导作用的磨损方式不同。


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