CN109750197A - 一种三元陶瓷增强镁基复合材料气缸套及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种三元陶瓷增强镁基复合材料气缸套。通过往Mg合金基体中添加具有耐磨自润滑性能的陶瓷相，利用陶瓷相本身的元素自扩散特点实现其与Mg合金基体的良好结合。所述的Ti₂AlC和Ti₃SiC₂陶瓷相为层状结构，具有耐磨自润滑性能。其中陶瓷相颗粒分布在Mg基体晶界处，二者界面结合牢固，材料表面的摩擦系数≤0.200，气缸套内的硬度≥1.10GPa。本发明的陶瓷增强金属基气缸套具有密度低的特点，如摘要附图，摩擦后表面无犁沟和颗粒脱落现象，其表面耐磨且具有自润滑性能，摩擦系数低，可提高发动机功率，降低油耗，减少排污污染。

Description

一种三元陶瓷增强镁基复合材料气缸套及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种三元陶瓷增强镁基复合材料气缸套材料及其制备方法。

背景技术

镁合金是世界上最轻的金属结构材料，在汽车工业轻量化、低排放的竞争领域中有着重要的应用价值和广泛的发展前景(参考文献：吴文化，中国能源,2007.29[10].)。镁合金的绝对强度较低，尤其是高温性能较差，限制其在发动机部件和传动机构零部件方面的应用，如缸体衬套，轴瓦等。研究表明，追求耐热且具有耐磨特性镁合金的唯一途径是通过复合化(参考文献：Mortensen,A.and J.Llorca,Materials Today,2010.9[6]:P.1-16)。即在镁合金中添加“增强体/功能体”，在利用不同材料组分本征性能的基础上，通过合理地调控界面和组织结构等综合提高材料的性能。镁基复合材料具有比强度高、比模量高、密度小和热稳定性好等一系列优点，同时还兼具有良好的阻尼性能和电磁屏蔽性能，被认为是继铝基复合材料之后又一影响力极强的轻金属复合材料。由于汽车行驶过程中有振动和摩擦的影响，由此，开发具有高比强度、高比刚度和优良阻尼减震降噪性能及耐磨自润滑特性的Mg基复合材料成为了研究热点。

汽车缸体衬套既要传递作用力又要承受很高的表面速度，这就要求衬套材料既要具有软组分，以获得良好的运行性能，如磨合性、顺应性以及尽可能小的咬和倾向，且不宜被外来杂质所损伤；又要具有硬组分，以获得良好的耐磨性和抗疲劳强度。因此，创造一种软、硬组分晶粒尽可能均匀分布的金相组织，是提高衬套性能的合理途径。例如，目前高硅铝被用做制备发动机缸体材料(参考文献：Arsha,A.G.,et al.,Materials&Design,2015[88]:P.1201-1209)。经过合适工艺的磨削和珩磨,发动机缸体表面裸露的初生Si可以提供良好的耐磨性能，从而可以取代传统缸体里边的铸铁衬套。这样，省掉铸铁衬套，也有利于活塞和缸体之间的接触传热，以有利于材料的回收。但研究发现，脆性的Si颗粒容易从基体脱落且容易破碎。同时，由于Al合金中添加了大量的Si，这也不利于缸体的成型(参考文献：Yu,W.,et al.,Journal of Alloys and Compounds,2018[731]:P.444-451)。因此，现在的研究方向是通过表面处理实现缸体壁的耐磨自润滑性能或者寻求衬套代替铸铁衬套。

SiC、TiC和Al₂O₃颗粒、B₄C及C纳米管晶须和纤维等被广泛地用作Mg基复合材料增强体(参考文献：Oakley,R.,R.Cochrane,and R.Stevens Key EngineeringMaterials.1995.Trans Tech Publ.)。其中，研究最为深入的SiC-Mg基复合材料已被美国Textron公司应用到螺旋桨，导弹尾翼和内部加强的气缸中。拉伸实验表明复合材料的失效机制为SiC与Mg基体两者界面脱离形成裂纹并进一步扩展所致。另外，还发现高的热挤压比易导致硬脆的SiC破裂。针对传统的SiC增-镁基复合材料，Saravanan(参考文献：Saravanan,R.and M.Surappa,Materials Science and Engineering:A,2000.276[1]:P.108-116)发现复合材料中30％vol SiC-Mg的耐磨性相比纯镁提高了两个数量级，但硬脆的SiC陶瓷颗粒易从Mg基体脱落造成基体表面严重的“犁沟”划伤。同时，本身不具备阻尼容量的硬脆SiC增强体也不利于复合材料整体的阻尼减震。鉴于此，Das等(参考文献：Das,A.and S.P.Harimkar,Journal of Materials Science&Technology,2014.30[11]:P.1059-1070.)通过引入具有高阻尼容量和自润滑性能的碳材料制备SiC-Graphene增强的Mg复合材料来克服此现象。然而，起自润滑和提高阻尼容量作用的石墨在高于350℃氧化环境下很容易氧化失效。由此可见，传统的镁基复合材料增强体存在以下缺点：①本身塑韧性和损伤容限低，②与Mg基体形成的界面结合力不强，硬脆颗粒易脱落导致Mg基体划伤，引入克服此现象的碳材料又容易高温氧化失效，③后期加工易诱发硬脆颗粒破碎，如热挤压。针对此，申请人攻读学位期间研究的MAX金属陶瓷颗粒。

Ti₂AlC和Ti₃SiC₂等可进行机械加工的新型三元层状金属陶瓷MAX材料，与Mg同属六方晶系。Ti₂AlC具有分层的六方晶体结构，其近乎密排的各个Ti层与Al层交叉，C原子填充Ti₆C的八面体位置，Al原子则位于具有较大空间的三方柱的中心。在这种特殊的结构中，Ti原子与C原子之间的结合为强共价键，而Ti原子与Al原子之间为弱结合，类似于层状石墨，层间由范德华力结合。(参考文献：N.V.Tzenov和M.W.Barsoum,J.Am.Ceram.Soc.,2000,83[4]:825)Ti₃SiC₂与低碳钢在20m/s和0.8MPa干摩擦条件下对摩，其摩擦系数和摩擦率仅为0.27和1.37×10^-6mm³/(N·m)(参考文献：H-X Zhai，et al,Mater.Sci.Forum,2005[475-479]:1251)结构决定性能，⊥c轴的层与层之间在剪切力的作用下容易发生滑动，并发生类似金属的弯折带塑形变形。针对此现象，Barsoum课题组(参考文献：Barsoum,M.,et al.,Nature Materials,2003,[2]:P.107-111)提出了MAX材料的扭折非线弹性变形机制，这与Mg、Ti等密排六方结构的金属的微塑变形机制(Incipent kink bands)类似，由此MAX具备优良的阻尼性能。由此，MAX具备优良的阻尼性能。从而，MAX材料可成为制备具有高阻尼减震和耐磨自润滑特性的镁金属结构材料理想增强体，并可以制备成陶瓷颗粒增强Mg基复合材料的汽车气缸套。由于Ti₂AlC和Ti₃SiC₂为MAX相的代表材料，因此，本发明采用这两种MAX相材料制备Mg基复合材料的汽车气缸套。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型三元陶瓷颗粒增强Mg基复合材料的汽车气缸套及其制备方法，其成分如下：

Ti₂AlC或Ti₃SiC₂陶瓷相的体积含量为5-25vol％，其余为Mg基合金。

其显微结构如下：

陶瓷相与金属相Mg基合金各自呈三维空间连续分布，其中陶瓷相颗粒分布在Mg基体晶界处，二者界面结合牢固，材料表面的摩擦系数≤0.200，气缸套内的硬度≥1.10GPa。而且，该气缸套可以进行后期的机加工。

本发明的新型三元陶瓷颗粒增强Mg基复合材料的汽车气缸套制备方法，该方法包括以下各步骤：

步骤1，将Mg合金熔化再降温至半固态，把Ti₂AlC或Ti₃SiC₂陶瓷粉体加入到高速搅拌的半固态Mg熔体中。将其浇铸到不锈钢磨具中并保压50-100MPa冷却至室温，得到管状的陶瓷基增强Mg基气缸套毛坯。

步骤2，得到的Mg基复合材料气缸套毛坯依次进行粗车、粗镗、车工艺外圆、精镗以及精车外圆，得到管状的陶瓷基增强Mg基复合材料；

步骤3，珩磨：将所述步骤2得到的陶瓷基增强Mg基气缸套半成品依次进行粗珩磨、精珩磨以及平台珩磨，得到铝合金气缸套成品

本发明的效果：本发明的三元陶瓷增强镁基复合材料气缸套表明具有密度小和耐磨自润滑特性，气缸套有强韧性陶瓷颗粒和金属镁合金组成，不会损坏气缸套基体材料，可以降低发动机能源消耗，减少排放污染，

附图说明

图1是Ti₂AlC-Mg基复合材料气缸套微观组织光镜图。

图2是Ti₃AlC₂-Mg基复合材料气缸套微观组织光镜图。

图3是15vol％Ti₃SiC₂增强的AZ91D镁基复合材料0.5m/s和2MPa压力下与铝合金摩擦副的摩擦表面电镜图。

具体实施方式

本发明提供了一种一种三元陶瓷增强镁基复合材料气缸套材料及其制备方法，以下结合附图和实施例对本发明进行详细地说明，但本发明并不限于此。

实施例1

在CO₂保护气氛下，将AZ91D镁合金熔化再降温至半固态，把15％vol的Ti₂AlC MAX陶瓷粉体(颗粒粒径为1-20μm)加入到高速搅拌的半固态Mg熔体中。将其浇铸到开发出的衬套不锈钢磨具中并保压50-100MPa冷却至室温，得到管状的陶瓷基增强Mg基气缸套毛坯。将得到的Mg基复合材料气缸套毛坯依次进行粗车、粗镗、车工艺外圆、精镗以及精车外圆，得到管状的陶瓷基增强Mg基复合材料。对得到的陶瓷基增强Mg基气缸套半成品依次进行粗珩磨、精珩磨以及平台珩磨，得到铝合金气缸套成品。如图1所示，微观组织表明陶瓷相Ti₂AlC与金属相Mg基合金各自呈三维空间连续分布，其中陶瓷相Ti₂AlC颗粒分布在Mg基体晶界处，二者界面结合牢固。

实施例2

在CO₂保护气氛下，将AZ91D镁合金熔化再降温至半固态，把15％vol的Ti₃SiC₂MAX陶瓷粉体(颗粒粒径为1-20μm)加入到高速搅拌的半固态Mg熔体中。将其浇铸到开发出的衬套不锈钢磨具中并保压50-100MPa冷却至室温，得到管状的陶瓷基增强Mg基气缸套毛坯。将得到的Mg基复合材料气缸套毛坯依次进行粗车、粗镗、车工艺外圆、精镗以及精车外圆，得到管状的陶瓷基增强Mg基复合材料。对得到的陶瓷基增强Mg基气缸套半成品依次进行粗珩磨、精珩磨以及平台珩磨，得到铝合金气缸套成品。如图2所示，微观组织表明陶瓷相Ti₂AlC与金属相Mg基合金各自呈三维空间连续分布，其中陶瓷相Ti₂AlC颗粒分布在Mg基体晶界处，二者界面结合牢固。

Claims (4)

1.气缸套中的陶瓷相弥散分布在Mg合金基体中，两相之间通过陶瓷相自身的界面扩散与Mg合金基体形成良好的界面结合，并且该气缸套可以进行后期的机加工。

2.根据权利要求1所述的陶瓷基增强Mg基气缸套，其特征在于：显微结构为陶瓷相与金属相Mg基合金各自呈三维空间连续分布，其中陶瓷相颗粒分布在Mg基体晶界处，二者界面结合牢固，材料表面的摩擦系数≤0.200，气缸套内的硬度≥1.10GPa。

3.根据权利要求1所述的陶瓷基增强Mg基气缸套，其特征在于:不伤害气缸套基体表面，不会使气缸套变形，不影响加工精度和装配性能。

4.根据权利要求1所述的陶瓷基增强Mg基气缸套，其制备方法按照以下步骤：

步骤1，将Mg合金熔化再降温至半固态，把Ti₂AlC或Ti₃SiC₂陶瓷粉体加入到高速搅拌的半固态Mg熔体中，将其浇铸到不锈钢磨具中并保压50-100MPa冷却至室温，得到管状的陶瓷基增强Mg基气缸套毛坯；

步骤2，将得到的Mg基复合材料气缸套毛坯依次进行粗车、粗镗、车工艺外圆、精镗以及精车外圆，得到管状的陶瓷基增强Mg基复合材料；

步骤3，珩磨：将所述步骤2得到的陶瓷基增强Mg基气缸套半成品依次进行粗珩磨、精珩磨以及平台珩磨，得到铝合金气缸套成品。