磷變質(zhì)高硅鋁合金重力澆注發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的研究

長(zhǎng)城汽車股份有限公司順平分公司（河北保定 072250）周永進(jìn) 吳艷生 高 磊

高硅鋁合金材料具有優(yōu)越的摩擦性能，可作為先進(jìn)的輕質(zhì)耐磨材料，在各類交通運(yùn)輸工具動(dòng)力機(jī)械、機(jī)床及特殊緊固件中得到了廣泛的應(yīng)用。如何開(kāi)發(fā)這一先進(jìn)的摩擦材料，一直是世界各國(guó)材料科學(xué)家?jiàn)^斗的目標(biāo)。通過(guò)世界各國(guó)科學(xué)家試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高硅鋁合金缸套的摩擦性能優(yōu)于鑄鐵缸套，德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)、日本等技術(shù)強(qiáng)國(guó)率先開(kāi)發(fā)了高硅鋁合金缸套。但國(guó)外大多采用噴射沉積技術(shù)制備高硅鋁合金材料，然后再通過(guò)擠壓的方式把高硅鋁合金材料擠壓成管材，最后通過(guò)對(duì)管材切割、加工等方式得到高硅鋁合金缸套。

為了尋求一種捷徑，國(guó)內(nèi)各研究院所都在研究通過(guò)變質(zhì)細(xì)化硅顆粒的方式制備高硅鋁合金材料，然后通過(guò)傳統(tǒng)的重力鑄造或離心鑄造的方式生產(chǎn)鋁合金缸套。我們此次試驗(yàn)研究就是通過(guò)驗(yàn)證磷-稀土-鋁鈦硼變質(zhì)處理后的高硅鋁合金試驗(yàn)性能，并通過(guò)重力澆注方式鑄造鋁合金缸套，進(jìn)而驗(yàn)證其鑄造性能與加工性能。

1.試驗(yàn)過(guò)程與方法

（1）高硅鋁合金及缸套制備 此次試驗(yàn)材料采用的是保定立中集團(tuán)的ALSI24中間合金，試驗(yàn)過(guò)程首先通過(guò)200kg熔化爐熔煉ALSI24中間合金，然后添加銅、鐵、鎂、稀土、鋁、鈦、硼等，以提高合金中相關(guān)元素含量，最終形成的合金化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

在合金制備過(guò)程中，由于磷變質(zhì)劑的密度小于鋁液的密度，同時(shí)磷又是極其容易燃燒的物質(zhì)，所以為了使過(guò)程中磷變質(zhì)劑能充分地與鋁液接觸并對(duì)鋁液變質(zhì)，過(guò)程采用鐵絲網(wǎng)罩住磷變質(zhì)劑壓入鋁液中。變質(zhì)處理2h后，把鋁液溫度降到740℃進(jìn)行扒渣、除氣20min，然后進(jìn)行澆注。

缸套澆注完成后，通過(guò)T6熱處理，然后進(jìn)行機(jī)加工，最后通過(guò)力勁30MN壓鑄機(jī)進(jìn)行高硅鋁合金缸體壓鑄生產(chǎn)（見(jiàn)圖1）。

圖1

（2）性能檢驗(yàn) ①通過(guò)對(duì)鋁液澆注試棒，測(cè)量高硅鋁合金抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度等指標(biāo)。②通過(guò)高倍顯微鏡觀察高硅鋁合金的金相組織。③通過(guò)日本TP汽車活塞環(huán)有限公司型號(hào)為RFT-70-1的摩擦試驗(yàn)機(jī)模擬高硅鋁合金缸套和活塞環(huán)的摩擦狀態(tài)，摩擦試驗(yàn)活塞環(huán)用表面滲氮的鋼柱代替，鋁合金缸套用條形樣塊代替，鋁合金缸套對(duì)比樣塊選擇HT250材質(zhì)長(zhǎng)條樣塊。摩擦試驗(yàn)初始階段，首先把鋁合金摩擦樣塊用無(wú)水酒精清洗，然后裝入固定卡槽內(nèi)（見(jiàn)圖2）。所有工作準(zhǔn)備好后，先在摩擦副上加載荷20N，摩擦往復(fù)頻率設(shè)為100Hz，試摩擦過(guò)程中按0.018mL/min進(jìn)行機(jī)油潤(rùn)滑，待摩擦穩(wěn)定后，載荷增加到100N，頻率增加到600Hz進(jìn)行1h摩擦。

圖2

2.材料試驗(yàn)性能結(jié)果及分析

（1）力學(xué)性能 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，從數(shù)據(jù)上可以看出此種高硅鋁合金熱處理后硬度變化不大，但比鑄鐵缸套材料（90～110HBW）的硬度高，材料的抗拉強(qiáng)度明顯升高，伸長(zhǎng)率降低，同時(shí)在對(duì)缸套外形加工時(shí)還發(fā)現(xiàn)缸套特別硬、脆。這主要是由于熱處理后，初晶硅在合金組織中的大小及結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此如何控制溫度，防止熱處理過(guò)程中初晶硅顆粒的變化將成為研究重點(diǎn)。

表2

（2）金相組織 通過(guò)對(duì)比高硅鋁合金材料磷變質(zhì)前后的金相發(fā)現(xiàn)，變質(zhì)前合金中初晶硅顆粒呈有棱角的立方體結(jié)構(gòu)，大小在200μm左右，但通過(guò)磷變質(zhì)后，初晶硅顆粒大小降到20～30μm，且初晶硅顆粒外形也變得圓滑。從金相中還發(fā)現(xiàn)共晶硅變質(zhì)效果不好，說(shuō)明磷變質(zhì)劑對(duì)共晶硅變質(zhì)作用很小。通過(guò)T6熱處理后，從熱處理后金相組織中還發(fā)現(xiàn)初晶硅顆粒有長(zhǎng)大和聚集現(xiàn)象，主要是由于初晶硅在溫度過(guò)高時(shí)，隨著固溶時(shí)間延長(zhǎng)其晶枝逐漸長(zhǎng)大，最終形成聚集現(xiàn)象，如圖3所示。

（3）摩擦效果 通過(guò)粗糙度儀對(duì)摩擦樣塊進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表3。

從摩擦數(shù)據(jù)上可以看出，高硅鋁合金與滲氮鋼之間的摩擦因數(shù)相對(duì)滲氮鋼與鑄鐵250之間的摩擦因數(shù)小，這主要是由于高硅鋁合金中的硅顆粒具有耐磨和自潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致摩擦副之間的摩擦力變小。但高硅鋁合金中硅顆粒相對(duì)鑄鐵較硬，導(dǎo)致缸套和活塞環(huán)樣塊的磨損量較大，因此為了降低磨損量，活塞環(huán)需要重新選材配置。

圖3 金相組織

表3

（4）其他 在對(duì)壓鑄成形的鋁合金缸套缸體剖切后，發(fā)現(xiàn)鋁合金缸套與缸體基體之間并沒(méi)完全融合，而是出現(xiàn)兩張皮的現(xiàn)象，由此可知模具內(nèi)鋁液的溫度并不能使缸套熔化，表明鋁合金缸套能像鑄鐵缸套那樣通過(guò)壓鑄工藝實(shí)現(xiàn)缸體生產(chǎn)。

3.結(jié)語(yǔ)

（1）磷+稀土+鋁鈦硼對(duì)高硅鋁合金初晶硅細(xì)化效果明顯，但對(duì)共晶硅變質(zhì)效果并不佳。

（2）T6熱處理過(guò)長(zhǎng)的固溶時(shí)間和過(guò)高的固溶溫度能使高硅鋁合金中初晶硅變大，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)初晶硅的偏聚現(xiàn)象。

（3）高硅鋁合金中粗大的初晶硅顆粒影響材料的加工性能。

（4）滲氮處理的鋼制活塞環(huán)不能滿足高硅鋁合金缸套的摩擦要求，需重新選擇活塞環(huán)材料與之匹配。