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自生颗粒增强铝基复合材料活塞成形工艺与组织性能研究

郝旭红  
【摘要】: 铝基复合材料具有优异的高温性、耐磨性、热稳定性以及较低的热膨胀系数等优点,是发动机活塞的理想材料。为满足发动机大功率、高转速、低能耗的使用要求,陆续开发了Al2O3短纤维,SiCp颗粒等增强材料,通过挤压铸造,用于活塞的整体或局部增强。但是,由于陶瓷增强相是外加的,这类复合材料都存在制造工艺复杂、成本较高、增强相表面污染而造成的界面反应等一系列问题,极大的限制了其使用。自生复合材料的增强相是在复合材料制备过程中形成,具有界面洁净,界面结合力强,工艺简单,成本低等优点,近年来成为铝基复合材料活塞的研究热点。 Si和Mg_2Si具有密度低、熔点高、硬度高、热膨胀系数低和适当的弹性模量等特性,可作为金属基复合材料的增强相。本文通过离心铸造Al-18Si合金和Al-18Si-5Mg合金,利用合金在凝固过程中析出的初生颗粒与金属熔液之间的密度差,分别得到了初晶Si颗粒单独增强和初晶Si、初生Mg_2Si颗粒混合增强两种复合材料活塞。观察了这两种复合材料活塞的微观组织,测试了复合材料的硬度和耐磨性,并分析了在离心力场中自生混合颗粒的运动规律。结果表明:在离心力场中自生颗粒均偏聚于活塞顶部及环槽区;偏聚区的硬度及耐磨性能均显著高于基体;在活塞偏聚区Al-18Si-5Mg材料的硬度和耐磨性均优于Al-18Si材料,非偏聚区两者的硬度与耐磨性接近,说明混合颗粒增强优于单颗粒增强。 针对初晶Si、初生Mg_2Si颗粒混合局部增强铝基复合材料活塞,研究了离心铸造工艺参数:离心转速、模具温度、浇注温度、浇口尺寸对活塞的影响,并分析了铸造工艺参数与缩孔、气孔之间的关系。初步得到局部增强铝基复合材料活塞合理的离心成形工艺参数:离心转速800r/min、浇注温度770℃、模具预热温度400℃、内浇口厚度尺寸8mm。 Al-18Si-5Mg材料活塞毛坯经T6热处理后,初晶Si及初生Mg_2Si形貌基本没变,但其尖角开始钝化;针状或纤维状的共晶硅转变为粒状和蠕虫状;网状或团簇状的共晶Mg_2Si相,经热处理后转变为不规则的粒状或蠕虫状;共晶Mg_2Si相和共晶硅相较均匀的分布在α-Al基体中;热处理后的硬度及耐磨性均高于铸态,且在颗粒增强区的力学性能均显著高于金属型重力铸造某内燃机活塞。


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