發(fā)動機缸體用鋁基SiC復(fù)合材料的制備及性能研究

馮松，祖潤青

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213025；2.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車已廣泛進(jìn)入千家萬戶。以中部某省會城市為例，常住人口1 200萬，汽車保有量已經(jīng)達(dá)到400萬量左右[1-3]。在汽車大量增加的同時，人們對汽車性能、能耗等要求也愈來愈高，為適應(yīng)人們對汽車日益苛刻的高速、安全、舒適等要求，必須不斷發(fā)展包括汽車發(fā)動機系統(tǒng)在內(nèi)的所有子部件/系統(tǒng)[3-5]。

在當(dāng)前新能源汽車的沖擊下，燃油發(fā)動機的新型材料研發(fā)顯著下降，較多地采用通用復(fù)合材料或在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改性研究[4-6]。發(fā)動機缸體較多采用復(fù)合材料，在實際使用過程中，發(fā)動機缸體由于要承受巨大的熱沖擊和熱磨損且載荷復(fù)雜，因此對缸體綜合力學(xué)性能要求較高。鑄造鋁硅合金雖熱膨脹系數(shù)與其他裝配件材料存在差異，但具有比強度較高、質(zhì)輕、耐腐蝕等良好的性能，在國內(nèi)外的發(fā)動機缸體材料中得到廣泛應(yīng)用，特別是鋁合金缸體中嵌入鑄鐵缸套的方式應(yīng)用甚廣，典型的有奧迪、寶馬等知名車型。杜忠澤等[7]在鋁合金汽車發(fā)動機缸體內(nèi)壁表面的改性上做了深入的研究，但未涉及缸體材料；李廣宇[8]針對消失模鑄造鋁/鎂固-液復(fù)合界面的調(diào)控及強化做了大量研究工作，主要采用優(yōu)化鑄造參數(shù)及熱處理方式等手段提高了雙金屬結(jié)合性能；胡偉興等[9]對高硅過共晶鋁缸體珩磨工藝進(jìn)行了研究，實現(xiàn)了高硅過共晶鋁缸體珩磨并達(dá)到了其設(shè)定目標(biāo)；現(xiàn)有文獻(xiàn)中針對鋁基SiC復(fù)合材料的報道較少。鋁基復(fù)合材料由于價格相對低廉，同時具有質(zhì)量輕、耐腐蝕以及高比熱容等優(yōu)點，是目前較熱門的研究方向[6-10]。本研究基于實際工作，以國產(chǎn)某型發(fā)動機缸體為研究對象，采用常見的鑄鋁鋁合金為基體材料，以SiC為第二相增強相，通過鑄造成型的方法，制備了汽車發(fā)動機缸體用鋁基SiC增強復(fù)合材料，并對其性能進(jìn)行了研究，為汽車發(fā)動機缸體材料的選型提供一定參考。

1 試驗

試驗中采用的基體為鑄鋁鋁合金，其成分如表1所示。選用SiC為第二相增強相(α-SiC)，其顆粒D50值為45 μm。先在實驗室利用整形機將SiC顆粒整形成近似圓球形(見圖1)，整形后的SiC顆粒需用Al(OH)3溶液進(jìn)行預(yù)處理并干燥待用。對SiC顆粒表面進(jìn)行預(yù)處理可以提高其表面性能，主要是改善Al基體和SiC之間的潤濕性。首先，使用鹽酸對其進(jìn)行表面處理15 min；隨后，將鹽酸處理后的SiC顆粒置于1 000 ℃馬弗爐中進(jìn)行表面氧化處理10 min；進(jìn)一步地，將氧化后冷卻的SiC顆粒置于一定濃度的KNO3溶液中浸泡5 h，并使用氨水和碳酸氫銨對溶液PH值進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得最終混合溶液的PH值為7.1左右；最后，將浸漬處理后的SiC過濾并進(jìn)行烘干待用。設(shè)計的配方中，SiC顆粒添加量分別為A1(12.5%)，A2(15%)，A3(17.5%)以及A4(20%)。鋁基SiC復(fù)合材料的制備：將浸漬處理后的SiC按設(shè)計的配比倒入試驗坩堝內(nèi)，放置于馬弗爐中，在150 ℃下預(yù)熱1 h，隨后將鋁錠按設(shè)計的配比稱量后，分別在700 ℃，710 ℃，720 ℃，730 ℃以及740 ℃進(jìn)行熔化，再將熔化的鋁錠倒入盛放SiC的坩堝內(nèi)，并將混合料共同置于爐內(nèi)保溫5 h，保溫過程中的溫度與鋁錠熔化溫度相同。保溫過程中利用攪拌機對坩堝內(nèi)的混合液進(jìn)行攪拌處理，攪拌工藝為先600 r/min×20 min，再800 r/min×15 min，最后1 400 r/min×30 min，使得鋁溶液與SiC顆粒充分混合均勻，整個過程均采用氣體保護措施，保護氣體為氮氣。混合均勻的液體采用砂型鑄造澆注得到試驗用粗樣，粗樣尺寸為Φ50 mm×200 mm。最后，將粗樣進(jìn)行熱處理，熱處理工藝：在520 ℃進(jìn)行固溶處理10 h，經(jīng)淬火后再在180 ℃溫度下時效處理4 h。熱處理完后，通過機械加工方法制備標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行性能測試，其中，力學(xué)性能測試方法參照《金屬材料室溫拉伸試驗方法》(GB/T 228—2002)采用RGW-100電子萬能試驗機進(jìn)行，按國標(biāo)制樣。針對試樣的摩擦磨損性能，采用HT-2000高溫摩擦磨損試驗機進(jìn)行測試，磨損時間為20 min，試樣尺寸為100 mm×100 mm，測試試樣的線性磨損量，即試樣的磨損深度。采用TCL-500激光熱常數(shù)測試儀對試樣的導(dǎo)熱性能進(jìn)行測試，試樣尺寸為Φ10 mm×2 mm。采用HV-100智能數(shù)顯硬度計對試樣的硬度進(jìn)行測試，試樣尺寸為50 mm×50 mm。采用D/Max-RB轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀對試樣相組成進(jìn)行分析，采用JSM-5310掃描電鏡對試樣微觀形貌進(jìn)行分析。

表1 基體鋁合金成分

圖1 整形前后的SiC顆粒形貌

2 結(jié)果分析與討論

2.1 攪拌溫度對材料強度的影響

圖2示出鋁基SiC復(fù)合材料不同配比情況下攪拌溫度增加時強度的變化。從圖中可見，隨著攪拌溫度的增加，不同配比復(fù)合材料抗拉強度和屈服強度總體均呈先增加后略微下降趨勢。同時，隨SiC添加量的增加，樣品的抗拉強度和屈服強度呈現(xiàn)先升高后下降趨勢，其中添加17.5%SiC的A3樣品具有最佳的強度。當(dāng)攪拌溫度為700 ℃時，A3樣品的抗拉強度為321 MPa，屈服強度為303 MPa；隨攪拌溫度的升高，強度值逐漸提高，當(dāng)攪拌溫度為730 ℃時，抗拉強度和屈服強度均出現(xiàn)最大值，分別為352 MPa和334 MPa。當(dāng)攪拌溫度進(jìn)一步提升時，抗拉強度和屈服強度出現(xiàn)少許回落。攪拌溫度越高，熔體的黏度相對越小，流動性越強，這樣使得SiC顆粒與鋁基體容易充分混合，但是如溫度過高，會造成熔體黏度太小，SiC顆粒會聚集沉淀，不利于鋁基體熔體與SiC顆粒的混合，這樣就會使得制備的樣品偏析加大，最終使得強度降低。同時，由于SiC的彌散加入，可使鋁基體在SiC顆粒周圍形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，促使復(fù)合材料的強度大幅提高。

圖2 攪拌溫度與復(fù)合材料強度的關(guān)系

2.2 攪拌溫度對材料延伸率和硬度的影響

圖3示出鋁基SiC復(fù)合材料不同配比情況下攪拌溫度增加時樣品斷裂延伸率和維氏硬度值的變化。從圖3a中可見，不同配比復(fù)合材料斷裂延伸率總體隨SiC含量的增加逐漸下降，隨攪拌溫度的升高逐漸降低。從圖3b中可見，隨攪拌溫度的升高，樣品維氏硬度呈上升趨勢，隨SiC含量的增加，樣品維氏硬度呈逐漸增加趨勢。其中A1樣品斷裂延伸率最高，A4樣品維氏硬度值最高。對于具有最佳強度的A3樣品，其在最佳攪拌溫度730 ℃時的斷裂延伸率為0.52%，維氏硬度為1 724.8 N/mm2。綜合分析圖2和圖3可知，A1配方較佳樣品為720 ℃攪拌后，A2配方較佳樣品為730 ℃攪拌后，A3配方較佳樣品為730 ℃攪拌后，A4配方較佳樣品為740 ℃攪拌后。由于SiC顆粒的固有硬度遠(yuǎn)大于鋁基體，因而SiC顆粒含量的增加將極大地提高基體材料的硬度值。另一方面，由于SiC顆粒脆性較大，因而對復(fù)合材料的延伸率會產(chǎn)生負(fù)面效果，SiC添加量增加，復(fù)合材料斷裂延伸率降低。從中可以發(fā)現(xiàn)，攪拌溫度對于斷裂延伸率和硬度值影響較小。

圖3 攪拌溫度與復(fù)合材料斷裂延伸率和維氏硬度的關(guān)系

2.3 試樣耐磨性和導(dǎo)熱性能分析

表2示出A1，A2，A3以及A4各配方較佳樣品摩擦磨損試驗以及導(dǎo)熱性能測試結(jié)果。從中可以發(fā)現(xiàn)：隨著SiC添加量的增加，A1，A2，A3以及A4樣品線性磨損量和導(dǎo)熱系數(shù)依次減小。SiC顆粒本身硬度值極高，耐磨性能好，與鋁基體進(jìn)行復(fù)合后，使得整體耐磨性能大幅提高。隨SiC添加量的增加，復(fù)合材料耐磨性能提高，線性磨損量減小。鋁基體和SiC顆粒均具有良好的導(dǎo)熱性能，但SiC顆粒固有導(dǎo)熱系數(shù)小于鋁基體，因而隨著SiC顆粒添加量增加復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)略有降低。

表2 復(fù)合材料磨損量與導(dǎo)熱性能

2.4 樣品相組成及顯微結(jié)構(gòu)分析

圖4 A3最佳試樣物相組成

圖5 730 ℃攪拌制備的A3樣品顯微結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

a) 采用浸漬攪拌鑄造方法制備了汽車缸體用鋁基SiC復(fù)合材料，攪拌溫度對復(fù)合材料強度影響顯著，隨攪拌溫度的升高，強度值逐漸提高；攪拌溫度對斷裂延伸率和維氏硬度值影響不顯著，SiC添加量對復(fù)合材料斷裂延伸率、維氏硬度值、耐磨性以及導(dǎo)熱性能影響較大；

b) 當(dāng)攪拌溫度為730 ℃，SiC添加量為17.5%時，所制備的樣品性能較佳，其抗拉強度為352 MPa，屈服強度334 MPa，斷裂延伸率為0.52%，維氏硬度為1 724.8 N/mm2，線性磨損量為0.016 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為121 W/(m·K)；

c) 物相組成分析結(jié)果表明，最佳樣品的相組成為Al，SiC以及Si相，顯微結(jié)構(gòu)顯示鋁合金基體材料呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，Si和SiC相分布其中，這種顯微

結(jié)構(gòu)有利于復(fù)合材料的力學(xué)性能提高。