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