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1、 收稿日期:2005201214;修回日期:2005203207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:TB333 文献标识码:A 文章编号:100122222(2005)0220
2、006204 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(MMC)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MMC3。据美国康涅狄格州诺沃克的商务
3、通(BCC)公司的一 份报告指出4,1999年全球MMC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Ti基复合材料以及长、短(粗、细)纤维等;BCC公司预计到2004年MMC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,MMC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。1MMC的性能MMC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
4、颗粒增强型MMC和纤维增强型MMC。颗粒增强型MMC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,TiB2,B4C和Al2O3等;纤维增强型MMC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,MMC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。MMC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MMC的组分、分布、比例、界面结构以及合理的复合制备技术,可
5、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,MMC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 kNm/kg,单位密度模量为85 MNm/kg;与C纤维复合,单位密度强度可达613 kNm/kg,单位密度模
6、量为116 MNm/kg;远远超过一般的第2期(总第156期)2005年4月车 用 发 动 机VEHICLE ENGINENo.2(Serial No.156)Apr.2005 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/钢材和Al合金(钢的单位密度强度可达126 kNm/kg,单位密度模量为227 MNm/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MMC的磨损率比没纤维增强的磨损率约降
7、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、Al2O3纤维与陶瓷复合,在空气中能耐1 200 1 400 高温,要比所有超高温合金的耐热性高出100 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。目前已经开发出来的MMC有Al基、Mg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。2MMC的制备方法MMC有粉末冶金、搅拌铸造、挤压铸造、无压金属浸渗以
8、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MMC,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
9、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Lanxide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 TM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
10、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。3MMC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(
11、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MMC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MMC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。Al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
12、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72005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 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/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
13、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Al2O3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Al2O3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.
14、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Al2O3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Al2O3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
15、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MMC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MMC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10。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 Technology公司使用体积含
16、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Al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“Vortex”法制备CMA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
17、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
18、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MMC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MMC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 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All
19、 rights reserved.http:/化,2000(1):46248.2 Filip Bergman.Influence of Disc Topographyon Genera2tion of Brake SquealJ.Wear,1999,225(1):6212628.3王 镐.金属基复合材料应用前景广阔J.稀有金属快报,2001(4):13214.4钟培全.金属基复合材料增势预测J.复合材料学报,1997(5):68269.5陈 光,崔 崇.新材料概论 M.北京:科技出版社,2003:2212223.6温 汉.金属基复合材料J.金属功能材料,1999(3):142.7 Cosson
20、 M.Reformation of Engine Material in JapanHigh Speed Diesel ReportC.1985:77278.8 Bakor A R.Development of Piston Materials.1996 AETechnical Sympo2sium PaperC.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):56260.10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,1997:332368.11毕静波.汽车摩阻材料综述J.材料导报,1996(6):162216.12王 俊,孙宝
21、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):25228.Application of Metal Matrix Composites in EngineLI Yong2xiang,BI Xiao2qin(Department of Mechanical and Electrical Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou450052,China)Abstract:This paper reviews the properties and preparations of metal matrix co
22、mposites.The application of metal matrixcomposites in the engine are summarized mainly.It is shown that metal matrix composites take on a wide foreground in automo2bile.Key words:metal matrix composites;preparation;application;piston;connecting rod;cylinder 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
23、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 MP
24、a0.4 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331的比例放人烧杯中加热至100 左右,使氢
25、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 g4.5 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 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 60 烘烤约2 h,再升温至80 100 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92005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 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/