活塞用高碳-石墨/铝复合材料性能检测及制备初探

摘要

随着内燃机向轻量化、大功率、低油耗、低排放、长寿命方面发展，对活塞材料的性能提出更高的要求，因此开发新型活塞材料以适应不同工作状态和工作环境是一种新的发展趋势。石墨/铝复合材料兼具了石墨及铝合金材料的性能特点，具有自润滑性、摩擦系数小、导热性能好、热膨胀系数小等优点，是一种优良的活塞材料。
　　本研究对国外某活塞用高碳-石墨/铝复合材料的组织成分、物理性能、摩擦磨损性能进行检测与性能分析，测试结果表明:该高碳-石墨/铝复合材料组织均匀致密、石墨含量高达53.3％、导热系数为135 w(m*k)-1、热膨胀系数为7.2×10-6/℃、摩擦系数为0.2。并且高碳-石墨/铝复合材料的室温抗压强度达到240Mpa、抗弯强度为138MPa。与传统的铝合金活塞材料ZL105相比，高碳-石墨/铝复合材料密度减少了20％、热膨胀系数降低66％、导热系数减小10％，具有良好的减摩耐磨性能及尺寸稳定性。
　　目前石墨/铝复合材料的制备工艺的铸造法、真空压力浸渗法等液相法，由于石墨与铝润湿性差且密度差异大，采用液相法难于制备出石墨含量高且分布均匀的石墨/铝复合材料。而粉末冶金法制备复合材料时，组元材料的含量可以根据需要进行任意配比，在制备含高体积分数增强颗粒复合材料方面，具有非常大的优越性。故本研究选用粉末冶金工艺制备石墨/铝复合材料。对在最佳制备工艺下制备的石墨/铝复合材料的组织结构、导热性能、摩擦磨损性能、力学性能进行分析，并与传统的铝合金活塞材料ZL105作对比。
　　对石墨/铝复合材料粉末冶金成形及其性能分析，得出粉末冶金制备石墨/铝复合材料的制备工艺为:压制压力500MPa，烧结温度570℃保温1.5h。组织结构分析结果表明:石墨以游离态的单质均匀分布在复合材料内部;导热系数测定表明:粉末冶金制备的石墨/铝复合材料在高度方向与半径方向导热系数有较大差异，径向导热系数平均值为140 w(m*k)-1,而轴向导热系数平均值为50w(m*k)-1;抗压强度的实验结果表明:复合材料抗压强度随石墨含量的增加而减小，当石墨含量为15wt％时，复合材料的抗压强度为203 MPa;摩擦磨损实验结果表明:石墨/铝复合材料的摩擦系数随石墨含量和载荷的增加而减小，石墨含量为15wt％时，摩擦系数为0.25。
　　与国外活塞用高碳-石墨/铝复合材料和铝硅系活塞材料ZL105相比，粉末冶金法制备的石墨/铝复合材料，力学性能较差，15wt％石墨含量的复合材料抗压强度约为国外活塞用高碳-石墨/铝复合材料的84％，导热系数存在各项异性，摩擦系数基本一致。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 活塞材料及其国内外研究现状

1．3 石墨／铝复合材料制备方法

1．3．1 液相法

1．3．2 粉末冶金法

1．4 活塞的加工方法

1．5 课题来源及研究的主要内容

第二章 高碳-石墨／铝复合材料检测及分析

2．1 组织成分分析

2．1．1 金相分析

2．1．2 成分分析

2．1．3 物相分析

2．2 物理性能分析

2．3 摩擦磨损性能分析

2．3．1 摩擦系数

2．3．2 磨损率

2．3．3 载荷、速度对摩擦副表面温度影响

2．3．4 磨损表面形貌与磨损机制

2．4 力学性能分析

2．4．1 硬度

2．4．2 抗压强度

2．4．3 抗弯强度

2．5 本章小结

第三章 实验条件与研究方法

3．1 实验材料

3．2 试样制备工艺过程及原理

3．2．1 材料前处理

3．2．2 混料

3．2．3 压制

3．2．4 烧结

3．3 性能测试与分析

3．3．1 复合材料的密度测定

3．3．2 硬度测试

3．3．3 显微组织与物相分析

3．3．4 导热系数测定

3．3．5 室温压缩实验

3．3．6 摩擦磨损实验

第四章 石墨／铝复合材料粉末冶金成形及其性能分析

4．1 复合材料密度研究

4．1．1 压制压力对生坯致密度的影响

4．1．2 烧结工艺对复合材相对密度影响

4．1．3 生坯密度分布

4．2 复合材料弹性后效研究

4．3 复合材料组织结构分析

4．3．1 物相分析

4．3．2 金相分析

4．4 复合材料导热性能分析

4．5 复合材料摩擦磨损性能分析

4．5．1 摩擦实验条件

4．5．2 石墨含量对摩擦磨损影响

4．5．3 载荷对摩擦系数影响

4．5．4 转速对摩擦系数影响

4．5．5 磨损表面形貌及磨损机制

4．6 复合材料抗压强度分析

4．7 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢