磷變質高硅鋁合金重力澆注發動機缸套的研究

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

高硅鋁合金材料具有優越的摩擦性能，可作為先進的輕質耐磨材料，在各類交通運輸工具動力機械、機床及特殊緊固件中得到了廣泛的應用。如何開發這一先進的摩擦材料，一直是世界各國材料科學家奮斗的目標。通過世界各國科學家試驗，發現高硅鋁合金缸套的摩擦性能優于鑄鐵缸套，德國、英國、美國、日本等技術強國率先開發了高硅鋁合金缸套。但國外大多采用噴射沉積技術制備高硅鋁合金材料，然后再通過擠壓的方式把高硅鋁合金材料擠壓成管材，最后通過對管材切割、加工等方式得到高硅鋁合金缸套。

為了尋求一種捷徑，國內各研究院所都在研究通過變質細化硅顆粒的方式制備高硅鋁合金材料，然后通過傳統的重力鑄造或離心鑄造的方式生產鋁合金缸套。我們此次試驗研究就是通過驗證磷-稀土-鋁鈦硼變質處理后的高硅鋁合金試驗性能，并通過重力澆注方式鑄造鋁合金缸套，進而驗證其鑄造性能與加工性能。

1.試驗過程與方法

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

表1 合金化學成分（質量分數） （%）

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

缸套澆注完成后，通過T6熱處理，然后進行機加工，最后通過力勁30MN壓鑄機進行高硅鋁合金缸體壓鑄生產（見圖1）。

圖1

（2）性能檢驗 ①通過對鋁液澆注試棒，測量高硅鋁合金抗拉強度、伸長率、硬度等指標。②通過高倍顯微鏡觀察高硅鋁合金的金相組織。③通過日本TP汽車活塞環有限公司型號為RFT-70-1的摩擦試驗機模擬高硅鋁合金缸套和活塞環的摩擦狀態，摩擦試驗活塞環用表面滲氮的鋼柱代替，鋁合金缸套用條形樣塊代替，鋁合金缸套對比樣塊選擇HT250材質長條樣塊。摩擦試驗初始階段，首先把鋁合金摩擦樣塊用無水酒精清洗，然后裝入固定卡槽內（見圖2）。所有工作準備好后，先在摩擦副上加載荷20N，摩擦往復頻率設為100Hz，試摩擦過程中按0.018mL/min進行機油潤滑，待摩擦穩定后，載荷增加到100N，頻率增加到600Hz進行1h摩擦。

圖2

2.材料試驗性能結果及分析

（1）力學性能 測試結果見表2，從數據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，材料的抗拉強度明顯升高，伸長率降低，同時在對缸套外形加工時還發現缸套特別硬、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構發生變化，因此如何控制溫度，防止熱處理過程中初晶硅顆粒的變化將成為研究重點。

表2

（2）金相組織 通過對比高硅鋁合金材料磷變質前后的金相發現，變質前合金中初晶硅顆粒呈有棱角的立方體結構，大小在200μm左右，但通過磷變質后，初晶硅顆粒大小降到20～30μm，且初晶硅顆粒外形也變得圓滑。從金相中還發現共晶硅變質效果不好，說明磷變質劑對共晶硅變質作用很小。通過T6熱處理后，從熱處理后金相組織中還發現初晶硅顆粒有長大和聚集現象，主要是由于初晶硅在溫度過高時，隨著固溶時間延長其晶枝逐漸長大，最終形成聚集現象，如圖3所示。

（3）摩擦效果 通過粗糙度儀對摩擦樣塊進行測量，結果見表3。

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

圖3 金相組織

表3

（4）其他 在對壓鑄成形的鋁合金缸套缸體剖切后，發現鋁合金缸套與缸體基體之間并沒完全融合，而是出現兩張皮的現象，由此可知模具內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壓鑄工藝實現缸體生產。

3.結語

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

（2）T6熱處理過長的固溶時間和過高的固溶溫度能使高硅鋁合金中初晶硅變大，同時會出現初晶硅的偏聚現象。

（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不能滿足高硅鋁合金缸套的摩擦要求，需重新選擇活塞環材料與之匹配。