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离心铸造SiC颗粒增强铝基复合材料活塞成形及组织性能研究

作　者: 刘光辉
导　师: 刘昌明
学　校: 重庆大学
专　业: 材料学
关键词: 离心铸造 SiC颗粒增强铝基复合材料活塞组织性能
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

活塞作为发动机的重要部件,工作环境恶劣,环槽和头部由于剧烈的冲击和摩擦容易出现严重磨损甚至断裂而导致失效。SiC颗粒增强铝基复合材料具有高比强度和高比刚度,耐磨,耐疲劳,低热膨胀系数、低密度,高屈服强度及良好的热稳定性和导热性等优异的力学性能和物理性能。本课题希望把SiC颗粒增强铝基复合材料的这些优越性能应用到活塞上面,从而提高活塞的性能。本研究利用搅拌复合法分别制备了SiC颗粒增强过共晶铝基复合材料和共晶铝基复合材料两种浆料,分别研究了两种复合材料浆料在不同铸造工艺条件下活塞的离心铸造成形情况;对活塞进行了固溶和时效处理;分析了两种复合材料活塞的宏观与微观组织,测量了活塞的硬度与耐磨性;分析了热处理对于活塞性能的影响;测量了SiC颗粒偏聚区的热膨胀系数。结果显示:①SiC颗粒增强过共晶铝基复合材料在四种不同工艺条件下成形良好,而SiC颗粒增强共晶铝基复合材料在浆料浇注温度和模具温度最高的工艺Ⅰ条件下出现严重缺损现象,但是与过共晶铝基复合材料相比,共晶铝基复合材料能在更低的温度条件下实现成形。②过共晶铝基复合材料活塞只有前三种工艺条件下出现明显的集渣区、基体区和SiC颗粒偏聚区,而共晶铝基复合材料活塞四种工艺条件下都有明显三个分区。共晶铝基复合材料活塞在裙部出现大尺寸的缩孔缺陷,而过共晶铝基复合材料活塞几乎不存在大的缩孔。③两种复合材料活塞组织有较大差别,过共晶铝基复合材料活塞由于初晶硅的存在使SiC颗粒偏聚区出现偏析现象,并且区域交界处聚集大量的初晶硅;而共晶铝基复合材料没有这些现象。④热处理主要影响活塞基体合金的组织形貌,对于SiC颗粒的形貌和分布没有影响。热处理后,基体区组织发生很大变化,SiC颗粒偏聚区变化不明显。⑤热处理后活塞的硬度得以很大提高,基体区提高幅度比SiC颗粒偏聚区大。过共晶铝基复合材料活塞比共晶铝基复合材料活塞提高幅度大。⑥热处理后活塞SiC颗粒偏聚区磨损量下降,基体区磨损量增加。⑦SiC颗粒偏聚区线膨胀系数小于基体合金的线膨胀系数。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-15
  1.1 引言  8
  1.2 SiC 颗粒增强铝基复合材料概论  8-11
    1.2.1 SiC 颗粒增强铝基复合材料的研究现状及应用  8-9
    1.2.2 SiC 颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其特点  9-11
  1.3 汽车活塞的研究现状  11-13
    1.3.1 活塞的工作环境及其设计要求  11-12
    1.3.2 铝活塞的常用制备方法及其特点  12-13
  1.4 本课题研究的目的和内容  13-15
    1.4.1 本课题研究的主要目的  13-14
    1.4.2 本课题研究的主要内容  14-15
2 离心铸造 SiC 颗粒增强铝基复合材料活塞的试验方法  15-24
  2.1 试验材料  15-16
    2.1.1 基体合金材料  15
    2.1.2 增强体材料  15-16
  2.2 试验设备及模具尺寸优化  16-18
    2.2.1 搅拌器和电阻炉  16-17
    2.2.2 立式离心铸造机与模具、砂芯  17
    2.2.3 模具优化及砂芯尺寸优化  17-18
  2.3 SiC 颗粒增强铝基复合材料活塞的制备  18-20
    2.3.1 砂芯的制作  18
    2.3.2 SiC 颗粒预处理  18-19
    2.3.3 复合材料浆料的制备  19-20
    2.3.4 铝基复合材料活塞的离心铸造成形  20
  2.4 铝基复合材料活塞的热处理  20-21
  2.5 铝基复合材料活塞性能测试及其试样制备  21-24
    2.5.1 活塞硬度测试及其试样制备  21-22
    2.5.2 活塞耐磨性测试及其试样制备  22
    2.5.3 活塞热膨胀性能测试及试样制备  22-24
3 活塞组织分析及性能研究  24-58
  3.1 活塞宏观组织分析  24-27
    3.1.1 过共晶铝基复合材料活塞毛坯及宏观形貌  24-25
    3.1.2 共晶合金铝基复合材料活塞宏观形貌  25-26
    3.1.3 两种合金活塞宏观组织形貌比较分析  26-27
  3.2 活塞微观组织分析  27-41
    3.2.1 过共晶铝基复合材料活塞微观组织分析  27-34
    3.2.2 共晶铝基复合材料活塞微观组织分析  34-38
    3.2.3 两种复合材料制备的活塞组织比较分析  38-40
    3.2.4 离心铸造活塞与重力浇注试样组织比较  40-41
  3.3 活塞的硬度性能分析  41-48
    3.3.1 过共晶铝基复合材料活塞硬度特点  41-45
    3.3.2 共晶铝基复合材料活塞硬度特点  45-47
    3.3.3 同一工艺条件下两种复合材料活塞硬度值比较  47-48
  3.4 活塞耐磨性能分析  48-56
    3.4.1 过共晶铝基复合材料活塞耐磨性能分析  48-52
    3.4.2 共晶铝基复合材料活塞耐磨性能分析  52-54
    3.4.3 两种材料活塞耐磨性比较  54-55
    3.4.4 复合材料活塞与马勒活塞耐磨性能比较  55-56
  3.5 离心铸造过共晶铝基复合材料活塞头部SiC 颗粒增强区域线膨胀系数  56-58
4 结论  58-60
5 展望  60-61
致谢  61-62
参考文献  62-66
附录  66-68

离心铸造SiC颗粒增强铝基复合材料活塞成形及组织性能研究

内容摘要

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