第2期(总第156期) 车用发动机 No. 2(Serial No. 156) 2005年4月 VEH ICLE ENGINE 金属基复合材料及其在发动机制造中的应用 李永祥,毕晓勤 (河南工业大学机电工程系,河南郑州450052 摘要:简要概述了金属基复合材料的性能和制备方法,重点綜述了其在发动机制造中的应用状况,实例表明该 类先进材料在汽车工业应用方面具有广阔的前景。 关键词:金属基复合材料:制备;应用;活塞;连杆;气缸体 中图分类号:TB333文献标识码:A文章编号:100+2222005)02-0006-04 材料、能源、信息被称为现代科学技术的3大支分为颗粒增强型MMC和纤维増强型MMC。颗粒 柱,随着材料科学技术的发展,各种性能优良的新材増强型MMC是依靠颗粒自身强度来强化基体,颗 料不断出现,并得到了越来越广泛的应用。复合材粒可以是外加的,也可以是自生的,目前采用的增强 料就是其中最为突出的一类。由于复合材料可以根颗粒有SiC,TiB,B4C和Al2O3等;纤维增强型 据工程结构对性能的要求来进行设计,把两种或两MMC是利用纤维的极高强度来增强金属基体,纤 种以上不同的材料组合在一起,得到单一材料无法维可以是连续的,也可以是不连续的,或者是晶须 比拟的优越的综合性能,具有很大的灵活性,因此发其纤维体积含量10%~60%,纤维也有外加和自 展非常迅速 生两种。目前,MMC中的纤维增强相有Al2O3纤 金属基复合材料(MMC)是复合材料中的一类维、B纤维、石墨(C)纤维、SiC纤维、难熔金属和SiC 重要材料,自20世纪60年代问世以来,经过近40a晶须等多种。 的研究开发,以其高强度、高耐磨性受到世界各国的 MMC的性能取决于基体和增强材料的性能、 重视。汽车工业做为目前消耗金属材料最多的行相互的比例分布的方式以及界面结构性能。通过 业之一,在最近10a中越来越多地应用了MMC。优化设计、选择和控制MMC的组分、分布、比例、界 据美国康涅狄格州诺沃克的商务通(BCC)公司的面结构以及合理的复合制备技术,可制备出具有优 份报告指出4,1999年全球MMC市场销量达异性能、应用范围广的新材料,以满足各种特殊的要 2500t,其总价值达1.027亿美元,其中包括A,求。由于有其他金属或非金属颗粒、纤维作为增强 Cu,Ni基高温合金、难熔金属和颗粒増强Ti基复合相来强化基体金属,因而金属基体所原有的性能就 材料以及长、短(粗、细)纤维等;BCC公司预计到被改善了或者被赋予了单一材料所不能达到的一些 2004年MMC市场将增至49001(总值达1.733亿特殊的性能。因此,MMC能够提供比基体金属更 美元),增长率达14.1%,其中运输业将占有市场最优越的性能,其优越性主要表现在 大份额,并有望达到3400t,年均增长率为17%。 a)单位密度强度与单位密度模量高单位密 由此可见,MMC在快速发展的汽车工业领域展示度强度与单位密度模量是指材料的强度或模量与密 出了日益广阔的应用前景 度之比。单位密度强度越高,同一零件的自身质量 1MMC的性能 越小;单位密度模量越高,零件的刚性越大。Ti合 金与高强度的C纤维复合,单位密度强度可达 MMC是以金属及其合金为基体,与一种或多913kN·m/kg,单位密度模量为85MN·m/kg; 种金属或非金属增强相人工合成的复合材料,其增与C纤维复合,单位密度强度可达613kN·m/kg, 强材料大多为无机非金属。按照增强材料的形态可单位密度模量为1l6MN·m/kg;远远超过一般的 收稿日期:20050k14:修回日期:20050307 作者简介:李永祥(1960-),男,山西省长治市人,河南工业大学机电工程学院副教授,西北工业大学在读博士研究生,主要从事机械设 计、材料应用等研究工作 C1994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
收稿日期: 2005-01-14; 修回日期: 2005-03-07 作者简介: 李永祥( 1960- ) , 男, 山西省长治市人, 河南工业大学机电工程学院副教授, 西北工业大学在读博士研究生, 主要从事机械设 计、材料应用等研究工作. 金属基复合材料及其在发动机制造中的应用 李永祥, 毕晓勤 ( 河南工业大学机电工程系, 河南 郑州 450052) 摘要: 简要概述了金属基复合材料的性能和制备方法, 重点综述了其在发动机制造中的应用状况, 实例表明该 类先进材料在汽车工业应用方面具有广阔的前景。 关键词: 金属基复合材料; 制备; 应用; 活塞; 连杆; 气缸体 中图分类号: T B333 文献标识码: A 文章编号: 1001- 2222( 2005) 02- 0006- 04 材料、能源、信息被称为现代科学技术的 3 大支 柱, 随着材料科学技术的发展, 各种性能优良的新材 料不断出现, 并得到了越来越广泛的应用。复合材 料就是其中最为突出的一类。由于复合材料可以根 据工程结构对性能的要求来进行设计, 把两种或两 种以上不同的材料组合在一起, 得到单一材料无法 比拟的优越的综合性能, 具有很大的灵活性, 因此发 展非常迅速[ 1] 。 金属基复合材料( MM C) 是复合材料中的一类 重要材料, 自 20 世纪 60 年代问世以来, 经过近 40 a 的研究开发, 以其高强度、高耐磨性受到世界各国的 重视[ 2] 。汽车工业做为目前消耗金属材料最多的行 业之一, 在最近 10 a 中越来越多地应用了 MM C [ 3] 。 据美国康涅狄格州诺沃克的商务通( BCC) 公司的 一份报告指出[ 4] , 1 999 年全球M M C市场销量达 2 500 t, 其总价值达 1. 027 亿美元, 其中包括 Al, Cu, Ni 基高温合金、难熔金属和颗粒增强 T i 基复合 材料以及长、短( 粗、细) 纤维等; BCC 公司预计到 2004 年 M MC 市场将增至 4 900 t( 总值达 1. 733 亿 美元) , 增长率达14. 1 % , 其中运输业将占有市场最 大份额, 并有望达到 3 400 t , 年均增长率为 17 % 。 由此可见, MM C 在快速发展的汽车工业领域展示 出了日益广阔的应用前景。 1 MMC 的性能 MM C 是以金属及其合金为基体, 与一种或多 种金属或非金属增强相人工合成的复合材料, 其增 强材料大多为无机非金属。按照增强材料的形态可 分为颗粒增强型 M M C 和纤维增强型 MM C。颗粒 增强型 MM C 是依靠颗粒自身强度来强化基体, 颗 粒可以是外加的, 也可以是自生的, 目前采用的增强 颗粒有 SiC, T iB2 , B4C 和 Al2O3 等; 纤维增强型 M MC 是利用纤维的极高强度来增强金属基体, 纤 维可以是连续的, 也可以是不连续的, 或者是晶须, 其纤维体积含量 10 % ~ 60 % , 纤维也有外加和自 生两种。目前, M MC 中的纤维增强相有 Al2O3 纤 维、B 纤维、石墨( C) 纤维、SiC 纤维、难熔金属和 SiC 晶须等多种。 M MC 的性能取决于基体和增强材料的性能、 相互的比例、分布的方式以及界面结构性能。通过 优化设计、选择和控制 M M C 的组分、分布、比例、界 面结构以及合理的复合制备技术, 可制备出具有优 异性能、应用范围广的新材料, 以满足各种特殊的要 求。由于有其他金属或非金属颗粒、纤维作为增强 相来强化基体金属, 因而金属基体所原有的性能就 被改善了或者被赋予了单一材料所不能达到的一些 特殊的性能。因此, M M C 能够提供比基体金属更 优越的性能, 其优越性主要表现在[ 5] : a) 单位密度强度与单位密度模量高 单位密 度强度与单位密度模量是指材料的强度或模量与密 度之比。单位密度强度越高, 同一零件的自身质量 越小; 单位密度模量越高, 零件的刚性越大。Ti 合 金与高强 度的C纤维复合, 单位密度强度可达 913 kN # m/ kg, 单位密度模量为 85 M N # m/ kg; 与 C 纤维复合, 单位密度强度可达 613 kN # m/ kg, 单位密度模量为 116 M N # m/ kg; 远远超过一般的 第 2 期( 总第 156 期) 2005 年 4 月 车 用 发 动 机 VEH ICLE ENGINE No . 2( Serial No. 156) Apr. 2005
2005年4月 李永祥,等:金属基复合材料及其在发动机制造中的应用 钢材和A1合金(钢的单位密度强度可达126kN·现零件的局部增强。 m/kg,单位密度模量为227MN·m/kg); 24无压金属浸渗法 b)高韧性和高抗冲击性在受到冲击时能通 美国 Lanx ide公司通过调整基体材料成分和控 过塑性变形吸收能量 制工艺过程,发明了一种称为 Primex tm的无压金 e)减摩性和耐磨性好以钢作为摩擦偶件时,属浸渗法。该方法的基本原理是首先将增强体制成 C纤维增强的MMC的磨损率比没纤维增强的磨损预制件,然后在保护气氛中,将液态金属渗透到预制 率约降低10%,可用于制造润滑活塞环、轴承和齿件中而不需要外加压力;液态金属和预制件发生反 轮。如用石棉之类的材料与金属复合,则可得到摩应,形成一定的化学反应界面,从而实现增强体对基 擦系数大、制动效果好的摩阻材料: 体金属的增强作用。 d)耐热性好SiC纤维、AbO3纤维与陶瓷复25喷雾沉积法 合,在空气中能耐120℃~1400℃高温,要比所 英国 Osprey公司于20世纪80年代开发的喷 有超高温合金的耐热性高出100℃以上。用于柴油雾沉积法,是利用喷嘴射出的高压气体熔融金属喷 机可取消原有的散热器、水泵等冷却系统,减轻质量射雾化,同时将陶瓷颗粒射入喷雾气流,在气流下面 约100kg;用于汽车发动机,使用温度可高达设一接收器,使雾化的金属液滴和陶瓷颗粒共同沉 1370℃ 积到接收器上,凝固后制得复合材料。这种复合材 目前已经开发出来的MMC有Al基、Mg基、料可以进行挤压、轧制等后续加工。采用喷雾沉积 i基、Cu基、Pb基、Fe基、Ni基超合金、难熔金属法,可以把接收器设计成某种形状,使复合材料直接 以及高温合金等,其中对Al基复合材料的研究最成型 多,发展也最为迅速。 3MMC在发动机制造中的应用 2MMC的制备方法 3.1活塞 MMC有粉末冶金、搅拌铸造、挤压铸造、无压 发动机的活塞是其关键基础件,其性能的好坏 金属浸渗以及喷雾沉积等几种典型的制备方法。直接影响到发动机和整车的性能。随着发动机向大 21粉末冶金法 功率、高转速、低能耗方向的发展,对活塞材料及性 粉末冶金法是将基体金属粉末与増强体颗粒或能的要求也越来越高。近年来,美、日、欧等发达国 晶须在固态混合,并进行冷压、封装、抽气和高温致家和地区相继研制并开发出了复合材料内燃机活 密化。用粉末冶金法制备MMC,可以任意选择增塞。1982年,日本丰田汽车公司用Al(s03)3(硅 强体含量,但整个工艺过程比较复杂,复合材料制作酸铝)纤维增强AI基复合材料,成功地制造了汽车 成本较高 发动机活塞抗磨环,成为世界上第一家用短纤维增 22搅拌铸造 强的MMC大规模工业化生产汽车活塞。而美国 这种方法是把陶瓷粉末加入液态金属中,一边研制开发了SiC颗粒增强A基复合材料汽车发动 加一边搅拌熔液,待増强体分散均匀后,使整个混合机活塞。以AⅠ合金为基体的MMC使用纤维增强, 体凝固。这种方法简单、经济,可以采用传统的工业通过改变纤维的种类、长短、形状、数量、分布状况和 设备,整个工艺过程可以是连续的或半连续的。搅取向,或者使用颗粒增强,可使活塞的耐磨性、抗拉 拌铸造法是美国 Alcan公司首先发明,并于1988年缸性、导热性和高温强度等提高。目前AⅠ基陶瓷 取得专利,该法适用于制作非连续增强纤维体复合颗粒一般采用A1O3,SiC和C颗粒,采用挤压铸造 材料 成型,用于活塞的整体和局部增强。Al基陶瓷纤维 23挤压铸造 一般采用莫来石纤维,先制成预制件,在液态挤压铸 挤压铸造法是先将增强体预制成坯,并预热到造机上制造局部增强的活塞毛坯,工艺简单可靠 定温度,放入成型模具中,然后注入基体熔液,在运行结果表明,复合材料的活塞比A1合金的活塞 液压机驱动的压头挤压下,基体金属液体进入预制具有较高的耐磨性(磨损减少到原来的/5),耐高 体的空隙中,并在压力下凝固。用这种方法制作复温性能和抗咬合性能良好,强度高且重量轻,热膨胀 合材料的增强体可以是纤维或颗粒,增强体含量可系数更小(膨胀系数降低15%-80%),导热性更 在很大范围内调整《体积岔数19%:7%点可实解:复合材料增强的A基合余活赛的寿命比煮
钢材和 Al 合金( 钢的单位密度强度可达 126 kN # m/ kg, 单位密度模量为 227 M N # m/ kg) ; b) 高韧性和高抗冲击性 在受到冲击时能通 过塑性变形吸收能量; c) 减摩性和耐磨性好 以钢作为摩擦偶件时, C 纤维增强的 M MC 的磨损率比没纤维增强的磨损 率约降低 10 % , 可用于制造润滑活塞环、轴承和齿 轮。如用石棉之类的材料与金属复合, 则可得到摩 擦系数大、制动效果好的摩阻材料; d) 耐热性好 SiC 纤维、A l2 O3 纤维与陶瓷复 合, 在空气中能耐 1 200 e ~ 1 400 e 高温, 要比所 有超高温合金的耐热性高出 100 e 以上。用于柴油 机可取消原有的散热器、水泵等冷却系统, 减轻质量 约1 0 0 kg ; 用 于汽车 发动机 , 使用温 度可高 达 1 370 e 。 目前已经开发出来的 MM C 有 Al 基、M g 基、 Ti 基、Cu 基、Pb 基、Fe 基、Ni 基超合金、难熔金属 以及高温合金等, 其中对 Al 基复合材料的研究最 多, 发展也最为迅速。 2 MMC 的制备方法 MM C 有粉末冶金、搅拌铸造、挤压铸造、无压 金属浸渗以及喷雾沉积等几种典型的制备方法 [ 6] 。 2. 1 粉末冶金法 粉末冶金法是将基体金属粉末与增强体颗粒或 晶须在固态混合, 并进行冷压、封装、抽气和高温致 密化。用粉末冶金法制备 M M C, 可以任意选择增 强体含量, 但整个工艺过程比较复杂, 复合材料制作 成本较高。 2. 2 搅拌铸造 这种方法是把陶瓷粉末加入液态金属中, 一边 加一边搅拌熔液, 待增强体分散均匀后, 使整个混合 体凝固。这种方法简单、经济, 可以采用传统的工业 设备, 整个工艺过程可以是连续的或半连续的。搅 拌铸造法是美国 Alcan 公司首先发明, 并于 1988 年 取得专利, 该法适用于制作非连续增强纤维体复合 材料。 2. 3 挤压铸造 挤压铸造法是先将增强体预制成坯, 并预热到 一定温度, 放入成型模具中, 然后注入基体熔液, 在 液压机驱动的压头挤压下, 基体金属液体进入预制 体的空隙中, 并在压力下凝固。用这种方法制作复 合材料的增强体可以是纤维或颗粒, 增强体含量可 在很大范围内调整( 体积分数 10 % ~ 70 % ) , 可实 现零件的局部增强。 2. 4 无压金属浸渗法 美国 Lanx ide 公司通过调整基体材料成分和控 制工艺过程, 发明了一种称为 Primex T M 的无压金 属浸渗法。该方法的基本原理是首先将增强体制成 预制件, 然后在保护气氛中, 将液态金属渗透到预制 件中而不需要外加压力; 液态金属和预制件发生反 应, 形成一定的化学反应界面, 从而实现增强体对基 体金属的增强作用。 2. 5 喷雾沉积法 英国 Osprey 公司于 20 世纪 80 年代开发的喷 雾沉积法, 是利用喷嘴射出的高压气体熔融金属喷 射雾化, 同时将陶瓷颗粒射入喷雾气流, 在气流下面 设一接收器, 使雾化的金属液滴和陶瓷颗粒共同沉 积到接收器上, 凝固后制得复合材料。这种复合材 料可以进行挤压、轧制等后续加工。采用喷雾沉积 法, 可以把接收器设计成某种形状, 使复合材料直接 成型。 3 MMC 在发动机制造中的应用 3. 1 活塞 发动机的活塞是其关键基础件, 其性能的好坏 直接影响到发动机和整车的性能。随着发动机向大 功率、高转速、低能耗方向的发展, 对活塞材料及性 能的要求也越来越高。近年来, 美、日、欧等发达国 家和地区相继研制并开发出了复合材料内燃机活 塞。1982 年, 日本丰田汽车公司用 Al2 ( SiO3 ) 3 ( 硅 酸铝) 纤维增强 Al 基复合材料, 成功地制造了汽车 发动机活塞抗磨环, 成为世界上第一家用短纤维增 强的 MM C 大规模工业化生产汽车活塞 [ 7] 。而美国 研制开发了 SiC 颗粒增强 Al 基复合材料汽车发动 机活塞。以 Al 合金为基体的 M MC 使用纤维增强, 通过改变纤维的种类、长短、形状、数量、分布状况和 取向, 或者使用颗粒增强, 可使活塞的耐磨性、抗拉 缸性、导热性和高温强度等提高。目前 Al 基陶瓷 颗粒一般采用 Al2O3 , SiC 和 C 颗粒, 采用挤压铸造 成型, 用于活塞的整体和局部增强。A l 基陶瓷纤维 一般采用莫来石纤维, 先制成预制件, 在液态挤压铸 造机上制造局部增强的活塞毛坯, 工艺简单可靠。 运行结果表明, 复合材料的活塞比 Al 合金的活塞 具有较高的耐磨性( 磨损减少到原来的 1/ 5) , 耐高 温性能和抗咬合性能良好, 强度高且重量轻, 热膨胀 系数更小( 膨胀系数降低 15 %~ 80 %) , 导热性更 好 [ 8 ] 。复合材料增强的 Al 基合金活塞的寿命比普 2005 年 4 月 李永祥, 等: 金属基复合材料及其在发动机制造中的应用 # 7 #
2005年第2 通A活塞可提高一倍以上。该材料能满足内燃机快。1995年美国两家公司合作生产的陶瓷增强 高速高负荷条件下对活塞的工作要求,在替代活塞A基复合材料应用于自动刹车转子,这种刹车转子 传统材质方面有着广阔的应用前景 具有卓越的耐磨性,其使用期限甚至可以与车本身 32连杆 的寿命一样长。英国的T& N Techno logy公司使 日本日产公司采用SC晶须增强Al基复合材用体积含量为20%SC的A基复合材料制造刹车 料制造了汽车发动机连杆。日本本田研究开发中心转子、刹车垫板、刹车鼓和制动卡钳等刹车系统元 开发出不锈钢纤维增强Fe基合金连杆,质量减小件。日本 Yamaha公司采用快速凝固的Al粉与 27%,其结果使发动机摩擦力降低,因而减小了曲SiC颗粒混合,粉末冶金法作汽车制动盘。 轴的轴径,提高了发动机功率和燃油经济性。美342传动系统 国ART公司制造的汽车发动机连杆采用的是体积 在传动系统中,磨擦盘要求用耐磨材料制成 含量为70%的ABO3颗粒增强A1基复合材料。采用SE颗粒增强的A1基复合材料(CMA)制作磨 美国一家发动机公司成功地研制出复晶Al2O3纤 擦 盘,增强材料SC的体积含量为8%-20%,SiC 维増强A基复合材料,用于制作连杆来代替传统颗粒在限制磨损的同时改善了磨擦盘的摩擦性能 的锻钢连杆,由于复晶ABO3纤维具有良好的刚(滑动摩擦因数为0.4)。一般采用orte”法制备 度、抗压和抗弯强度及高温稳定性,按体积计算增CMA磨擦盘,通过向装有半流体状态A合金的浇 强纤维加入35%-50%,其复合材料的连杆刚度包内逐渐加入增强材料,然后机械搅拌以获得混合 提高300%-400%,疲劳强度提高400%,质量减效果待增强材料分布均匀后借助于重力迅速将浇 轻35%。因此,使用这种连杆可以提高发动机的效包内流体向砂型或钢制模型内浇注铸成摩擦盘。这 种制备方法操作比较简单,且限制了增强材料和基 33气缸体 材之间的化学反应。机械搅拌半液体混合物缓和了 缸体是发动机的主要部件,在发动机全部质量混合物黏稠化避免了增强材料和基材之间的偏析 中占大部分。日本本田公司采用体积含量为12%现象和纤维(增强材料)的团聚。重力浇注适用于制 的A上O3和体积含量为9%C纤维的混合物作为增造含少量纤维(VF<10%)、形状简单的铸件 强物,采用压力铸造法在Al合金缸体的内表层形 另外,在传动系统中的座圈和阀弹簧之间的相 成2mm厚的FRM层,其中纤维体积含量为12% 对滑动会引起磨损。法国研制了一种陶瓷粉末增强 15%,缸体的滑动摩擦性大幅度提高,且因A合金A合金座圈,通过改变A基P/M合金中陶瓷颗粒 的导热性好,缸体的冷却效率也提高,汽车的操作性 的尺寸和数量,可使复合材料的座圈具有较高的强 度特性,从而使阀弹簧上的负荷降低20%,传动系 及回转响应等性能大大提高,提高了发动机输出功 统的摩擦力降低10%左右2。 率,降低了油耗。自1989年开始工业化生产以来, 近年来,美国研制并开发了用 SiC P/Al复合材 已生产30万台以上。此外,美国还采用AEO3短纤料制成的汽车齿轮箱,其在强度和耐磨性方面均比 维增强的Al基复合材料局部强化涡轮增压器转 Al合金齿轮箱有明显的提高 子,在确保其耐磨性和耐久性的前提下,该转子比铸 铁转子质量减轻约40%,改善了增压器的灵敏度和4结束语 响应性 近年来,世界各国汽车工业的快速发展,使得汽 专家们预测,到2010年复合材料在发动机上的车用材料的研制工作方兴未艾。虽然MMC的出现 用量有可能达到80%左右,可见,在未来发动机中时间较短还处在一个蓬勃发展的新阶段,但随着增 复合材料越来越占有极其重要的地位。 强材料的改善,新的增强材料和新的复合制备工艺 34其他应用 的开发,新型MMC将会不断涌现,其性能将会继续 34.1刹车系统 提高,使其替代传统材料,开拓广阔的应用市场,成 MMC之所以进入汽车行业是因为其具有耐磨为必然的发展趋势。而复合材料在汽车工业的广泛 性和耐热性高、质量轻的优点,因此MMC可用于需应用将推动汽车工业进一步向高科技方向发展 要减轻质量的刹车系统。美国 Duralcan公司研制 用SC颗粒增强A1基复合材料制造汽车制动盘,使参考文献: 其质量减40%550%,提高了糖性:摩擦散热i52有101:全画复念材概,和械制造点自动
通 Al 活塞可提高一倍以上。该材料能满足内燃机 高速高负荷条件下对活塞的工作要求, 在替代活塞 传统材质方面有着广阔的应用前景。 3. 2 连杆 日本日产公司采用 SiC 晶须增强 Al 基复合材 料制造了汽车发动机连杆。日本本田研究开发中心 开发出不锈钢纤维增强 Fe 基合金连杆, 质量减小 27 %, 其结果使发动机摩擦力降低, 因而减小了曲 轴的轴径, 提高了发动机功率和燃油经济性 [ 9] 。美 国 ART 公司制造的汽车发动机连杆采用的是体积 含量为 70 % 的 A l2 O3 颗粒增强 Al 基复合材料。 美国一家发动机公司成功地研制出复晶 Al2O3 纤 维增强 Al 基复合材料, 用于制作连杆来代替传统 的锻钢连杆, 由于复晶 A l2O3 纤维具有良好的刚 度、抗压和抗弯强度及高温稳定性, 按体积计算, 增 强纤维加入 35 % ~ 50 % , 其复合材料的连杆刚度 提高 300 % ~ 400 %, 疲劳强度提高 400 %, 质量减 轻35 %。因此, 使用这种连杆可以提高发动机的效 率。 3. 3 气缸体 缸体是发动机的主要部件, 在发动机全部质量 中占大部分。日本本田公司采用体积含量为 12 % 的A l2 O3 和体积含量为9 % C 纤维的混合物作为增 强物, 采用压力铸造法在 Al 合金缸体的内表层形 成2 mm 厚的 FRM 层, 其中纤维体积含量为 12 %~ 15 % , 缸体的滑动摩擦性大幅度提高, 且因 Al 合金 的导热性好, 缸体的冷却效率也提高, 汽车的操作性 及回转响应等性能大大提高, 提高了发动机输出功 率, 降低了油耗。自 1989 年开始工业化生产以来, 已生产30 万台以上。此外, 美国还采用A l2 O3 短纤 维增强的 Al 基复合材料局部强化涡轮增压器转 子, 在确保其耐磨性和耐久性的前提下, 该转子比铸 铁转子质量减轻约 40 % , 改善了增压器的灵敏度和 响应性。 专家们预测, 到 2010 年复合材料在发动机上的 用量有可能达到 80 % 左右, 可见, 在未来发动机中 复合材料越来越占有极其重要的地位。 3. 4 其他应用 3. 4. 1 刹车系统 MM C 之所以进入汽车行业是因为其具有耐磨 性和耐热性高、质量轻的优点, 因此 M M C 可用于需 要减轻质量的刹车系统。美国 Duralcan 公司研制 用 SiC 颗粒增强 Al 基复合材料制造汽车制动盘, 使 其质量减轻 40 % ~ 60 % , 提高了耐磨性, 摩擦散热 快 [ 1 0] 。1995 年美国两家公司合作生产的陶瓷增强 Al 基复合材料应用于自动刹车转子, 这种刹车转子 具有卓越的耐磨性, 其使用期限甚至可以与车本身 的寿命一样长。英国的 T & N T echno logy 公司使 用体积含量为 20 %SiC 的 Al 基复合材料制造刹车 转子、刹车垫板、刹车鼓和制动卡钳等刹车系统元 件。日本 Yamaha 公司采用快速凝固的 A l 粉与 SiC 颗粒混合, 粉末冶金法作汽车制动盘。 3. 4. 2 传动系统 在传动系统中, 磨擦盘要求用耐磨材料制成。 采用 SiC 颗粒增强的 Al 基复合材料( CMA) 制作磨 擦盘, 增强材料 SiC 的体积含量为 8 %~ 20 % , SiC 颗粒在限制磨损的同时改善了磨擦盘的摩擦性能 ( 滑动摩擦因数为 0. 4) 。一般采用/ V ortex0 法制备 CM A 磨擦盘, 通过向装有半流体状态 Al 合金的浇 包内逐渐加入增强材料, 然后机械搅拌以获得混合 效果; 待增强材料分布均匀后, 借助于重力迅速将浇 包内流体向砂型或钢制模型内浇注铸成摩擦盘。这 种制备方法操作比较简单, 且限制了增强材料和基 材之间的化学反应。机械搅拌半液体混合物缓和了 混合物黏稠化, 避免了增强材料和基材之间的偏析 现象和纤维( 增强材料) 的团聚。重力浇注适用于制 造含少量纤维( VF< 10 % ) 、形状简单的铸件 [ 11] 。 另外, 在传动系统中的座圈和阀弹簧之间的相 对滑动会引起磨损。法国研制了一种陶瓷粉末增强 Al 合金座圈, 通过改变 Al 基 P/ M 合金中陶瓷颗粒 的尺寸和数量, 可使复合材料的座圈具有较高的强 度特性, 从而使阀弹簧上的负荷降低 20 % , 传动系 统的摩擦力降低 10 % 左右 [ 12] 。 近年来, 美国研制并开发了用 SiC P/ Al 复合材 料制成的汽车齿轮箱, 其在强度和耐磨性方面均比 Al 合金齿轮箱有明显的提高。 4 结束语 近年来, 世界各国汽车工业的快速发展, 使得汽 车用材料的研制工作方兴未艾。虽然 M M C 的出现 时间较短, 还处在一个蓬勃发展的新阶段, 但随着增 强材料的改善, 新的增强材料和新的复合制备工艺 的开发, 新型 M M C 将会不断涌现, 其性能将会继续 提高, 使其替代传统材料, 开拓广阔的应用市场, 成 为必然的发展趋势。而复合材料在汽车工业的广泛 应用将推动汽车工业进一步向高科技方向发展。 参考文献: [ 1] 方 峰. 金属基复合材料概述[ J] . 江苏机械制造与自动 # 8 # 车 用 发 动 机 2005 年第 2 期
2005年4月 李永祥,等:金属基复合材料及其在发动机制造中的应用 化20001):46 High Speed Diesel Report[C]. 1985: 7778. [2] Filip Berg man. Influence of Dise Topo graphy on Genera [8] evelopment of Pist on M aterials. 1996 AE tion of Brake Squeal[ J]. Wear, 1999, 225( 1): 62H628 Technical Sy mper-sium Paper C]. 1996 [3]王镐.金属基复合材料应用前景广阔[J.稀有金属快[9]吴树森.日本金属基复合材料的研究与应用[J.兵器材 报,2001(4):1314 料科学与工程,1990(3):5660 4]钟培全.金屬基复合材料増势预测[J复合材料学报,[0李文荣.摩擦材料发展近况[C]·1997年中国粉末冶金 1997(5):6869. 学术会议论文集,1997:33368 [S]陈光,崔崇.新材料概论[M].北京:科技出版社,[l毕静波.汽车摩阻村料综述[J.材料导报,1996(6):16 2003:221223 [6]温汉.金属基复合材料]金属功能材料,1999(3):[12]王俊,孙宝德,周尧和.颗粒増强金属基复合材料的 142. 发展概况[J.铸造技术,1998(3):25-28 [7 Cosson M. Reformation of Engine Material in Japan Application of Metal Matrix Composites in Engine BI Xiac-gin Department of Mechanical and Electrical Eng ineering. Henan U niversity of Technology, Zheng zhou 450052. China) Abstract: This paper review s the properties and pr eparations of metal matrix composites. The applicat ion of metal matrix composites in the engine are summarized mainly. It is show n that metal matrix compos ites take on a wide foreground in automor- Key words metal mat rix compos ites; prepar ation; application; piston; connecting rod: cy linder block[编辑:李建新 使用经验· 马自达轿车缸体和缸盖裂纹的检修 日本马自达轿车发动机气缸体和气缸盖的裂纹大多发生在气门座附近或水道等簿壁处。通常是由于使用不当造成的, κ长时间高负荷运转,热应力过大,向高温状态下的发动机内突然加λ冷水等。气缸体和气缸盖出现严重破裂时会导致漏 油、漏水和溻气,直接影响发动机正常工作,但-般较易发现:而细小的气缸体或气缸盖裂纹,则不易观察出来,但却会给发动 机留下故障隐患 对气缸体和气缸盖的细小裂纹,通常可采用水压试验的方法进行检查。其基本方法是,将气缸盖和气缸垫装于气缸体 上,拧紧气缸盖螺栓,同时用一带连接孔的盖板,装在气缸体安裝水泵的位置,然后用水管将其与水压机联通,其余水道孔口 一律封闭。用水压机将水压入气缸体和气缸盖内,当压力表指示在0.2MPa-0.4MPa时,保持5min左右,此时注意观察气 缸体和气缸盖各部位的情况,发现渗漏便可顺藤摸瓜找到裂纹部位。 在没有水压机的情况下,可往水套内加入自来水,用气泵或自行车打气筒向注入水的水套内充气,借气体压力检查渗漏 部位。为了防止水气倒流,在使用气压试验时,应在充气软管与气缸体水管接头之间装上一惮向阀门。 由于铝合金材料可焊性差,给焊修带来一定的困难,因而对于气缸体或气缸蓋裂纹,般采用环氧树脂粘结修复。某些 修理单位采用种无机粘结剂粘补的方法,有时修理效果也较好。这种无机粘结剂由磷酸、氫氧化铝和氧化铜粉混合配制而 成。配制时,先将磷酸和氬氧化铝按33:1的比例放人烧杯中加热至100℃左右,使氬氧化铝完全溶解时为止。如能买到配 制好的磷酸氬氧化铝溶液成品,则更好。使用时,将适量的氧化铜粉倒在玻瑀板或铜板上,再将配制好的磷酸和氬氧化铝溶 液滴入氧化铜粉上,按每3.5g~4.5g粉末滴亼mL液体的比例,搅拌成浆糊状,然后用棒料将其涂在已用丙酮清洗好的Ⅴ 型槽内的裂纹处即可。利用这种修复方法,可以在温度高到550℃左右时不软化,水压至1MPa时无漏水现象 应该指出的是,在进行上述修补操作程序中,氧化铜粉与磷酸氫氧化铝溶液的调配不能用铁器搅拌,只能用木片、竹片或 玻璃棒之类。至于修补裂纹处的槽形表面,则要求越粗糙越好。否則,粘结后的强度将大大减弱。 粘结后的工件应在干燥暖和的地方放置24h,冬季低温时应设法加温烘烤。如有条件,粘结后的工件应放在烘箱内烘 烤,先在40℃~60℃烘烤约2h,再升温至80℃~100℃烘烤约2h,即可凝围硬化。粘结凝固硬化后,表面应该形成一种有 光泽的黑色坚硬块。 [山西汾阳王功进供稿] C1994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
化, 2000( 1) : 46- 48. [ 2] Filip Bergman. Influence of Disc To po gr aphy on Gener atio n o f Brake Squeal[ J] . Wear, 1999, 225( 1) : 621- 628. [ 3] 王 镐. 金属基复合材料应用前景广阔[ J] . 稀有金属快 报, 2001( 4) : 13- 14. [ 4] 钟培全. 金属基复合材料增势预测[ J] . 复合材料学报, 1997( 5) : 68- 69. [ 5] 陈 光, 崔 崇. 新材料概论[ M] . 北京: 科技出版社, 2003: 221- 223. [ 6] 温 汉. 金属基复合材料[ J] . 金属功能材料, 1999( 3) : 142. [ 7] Cosson M. Refo rmatio n o f Eng ine Material in Japan High Speed Diesel Report[ C] . 1985: 77- 78. [ 8] Bakor A R. Development o f Pist on Materials. 1996 AE Technical Sympo- sium Paper[ C] . 1996. [ 9] 吴树森. 日本金属基复合材料的研究与应用[ J] . 兵器材 料科学与工程, 1999( 3) : 56- 60. [ 10] 李文荣. 摩擦材料发展近况[ C] . 1997 年中国粉末冶金 学术会议论文集, 1997: 33- 368. [ 11] 毕静波. 汽车摩阻材料综述[J] . 材料导报, 1996( 6) : 16- 216. [ 12] 王 俊, 孙宝德, 周尧和. 颗粒增强金属基复合材料的 发展概况[J] . 铸造技术, 1998( 3) : 25- 28 . Application of Metal Matrix Composites in Engine LI Yong-xiang , BI Xiao-qin ( Department of Mechanica l and Electrical Eng ineering, H enan University o f Technolog y, Zheng zhou 450052, China) Abstract: This paper review s the pro perties and pr epar atio ns of metal matrix compo sites. The applicat ion of metal matrix compo sites in the engine are summarized mainly. It is show n that metal matrix composites take on a wide foreg ro und in automobile. Key words: metal mat rix composites; pr epar atio n; application ; pisto n; connecting ro d; cy linder blo ck [ 编辑: 李建新] # 使用经验# 马自达轿车缸体和缸盖裂纹的检修 日本马自达轿车发动机气缸体和气缸盖的裂纹大多发生在气门座附近或水道等薄壁处。通常是由于使用不当造成的, 如长时间高负荷运转, 热应力过大, 向高温状态下的发动机内突然加入冷水等。气缸体和气缸盖出现严重破裂时会导致漏 油、漏水和漏气, 直接影响发动机正常工作, 但一般较易发现; 而细小的气缸体或气缸盖裂纹, 则不易观察出来, 但却会给发动 机留下故障隐患。 对气缸体和气缸盖的细小裂纹, 通常可采用水压试验的方法进行检查。其基本方法是, 将气缸盖和气缸垫装于气缸体 上, 拧紧气缸盖螺栓, 同时用一带连接孔的盖板, 装在气缸体安装水泵的位置, 然后用水管将其与水压机联通, 其余水道孔口 一律封闭。用水压机将水压入气缸体和气缸盖内, 当压力表指示在 0. 2 MPa~ 0. 4 MPa 时, 保持 5 min 左右, 此时注意观察气 缸体和气缸盖各部位的情况, 发现渗漏便可顺藤摸瓜找到裂纹部位。 在没有水压机的情况下, 可往水套内加入自来水, 用气泵或自行车打气筒向注入水的水套内充气, 借气体压力检查渗漏 部位。为了防止水气倒流, 在使用气压试验时, 应在充气软管与气缸体水管接头之间装上一个单向阀门。 由于铝合金材料可焊性差, 给焊修带来一定的困难, 因而对于气缸体或气缸盖裂纹, 一般采用环氧树脂粘结修复。某些 修理单位采用一种无机粘结剂粘补的方法, 有时修理效果也较好。这种无机粘结剂由磷酸、氢氧化铝和氧化铜粉混合配制而 成。配制时, 先将磷酸和氢氧化铝按 33B 1 的比例放人烧杯中加热至 100 e 左右, 使氢氧化铝完全溶解时为止。如能买到配 制好的磷酸氢氧化铝溶液成品, 则更好。使用时, 将适量的氧化铜粉倒在玻璃板或铜板上, 再将配制好的磷酸和氢氧化铝溶 液滴入氧化铜粉上, 按每 3. 5 g~ 4. 5 g 粉末滴入 1 mL 液体的比例, 搅拌成浆糊状, 然后用棒料将其涂在已用丙酮清洗好的 V 型槽内的裂纹处即可。利用这种修复方法, 可以在温度高到 550 e 左右时不软化, 水压至 1 MPa 时无漏水现象。 应该指出的是, 在进行上述修补操作程序中, 氧化铜粉与磷酸氢氧化铝溶液的调配不能用铁器搅拌, 只能用木片、竹片或 玻璃棒之类。至于修补裂纹处的槽形表面, 则要求越粗糙越好。否则, 粘结后的强度将大大减弱。 粘结后的工件应在干燥暖和的地方放置 24 h, 冬季低温时应设法加温烘烤。如有条件, 粘结后的工件应放在烘箱内烘 烤, 先在 40 e ~ 60 e 烘烤约 2 h, 再升温至 80 e ~ 100 e 烘烤约 2 h, 即可凝固硬化。粘结凝固硬化后, 表面应该形成一种有 光泽的黑色坚硬块。 [ 山西 汾阳 王功进 供稿] 2005 年 4 月 李永祥, 等: 金属基复合材料及其在发动机制造中的应用 # 9 #
