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 #