电磁离心铸造初晶Si与Mg2Si颗粒互补增强铝基梯度功能复合材料气缸套的应用基础研究

The traditional iron cylinder is characterized by high density and poor matching with Aluminum alloy cylinder block. Long-term use of it may lead to oil spilling, gas spilling and the reduction of energy efficiency, which demands prompt solution. However, the latest Aluminum alloy cylinder which has been reported is prepared with complex technology and high cost, which is not easy to promote widely. This project thus proposes a new way to prepare cylinder with Al-based functional gradient composites reinforced by complementary primary Si and Mg2Si particles under electromagnetic centrifugal force. The preparation takes the ternary Al-Si-Mg alloys as blank materials. It organically mixes the two sorts of complementary primary phase in the alloy by making use of electromagnetic centrifugal composite field's separating and refining function, forming Al-based functional gradient composites, part of which consists of high-volume fraction primary particles. Therefore, for a start, the project is to study intensively primary particles' refining mechanism and distributing characteristics in the composite field; after that, it is to fulfill the design and control of functional gradient composites' microstructure and property by adjusting the matching relations of electromagnetic intensity, centrifugal rotating speed and electromagnetic centrifugal composite force as well as alloy components; furthermore, through study of heat treatment and adding minor alloying elements, the project is to complete the optimization of composites' property (especially the improvement of high temperature property) and lay the foundations for its replacement of iron cylinder in industrial application.

传统铁质气缸套具有密度大、与铝合金缸体匹配性差的缺点，长期使用会导致漏油、漏气、能效降低等噬待解决的难题，而已见报道的新型铝合金气缸套，却工艺复杂、成本高，不利于广泛推广。针对这些问题，项目提出了电磁离心铸造制备初晶Si与MgSi颗粒互补增强铝基梯度功能复合材料气缸套的新思路。该思路以Al-Si-Mg三元合金为毛坯材料，利用电磁离心复合场对晶粒的分离、细化功能将合金中两种具有互补性质的初晶相有机揉合在一起，形成局部具有高体积分数初晶颗粒的铝基梯度功能复合材料。依此思路，项目首先对复合场作用下初晶颗粒的细化机制与分布特征进行深入研究，然后，拟通过对电磁场强度、离心转速、电磁离心复合场的匹配关系和合金成分的调整实现梯度功能复合材料微观组织和性能的设计与控制；进一步通过热处理制度的研究和微量合金元素的添加，实现复合材料性能的优化（尤其是高温性能的改善），为其替代铁质气缸套的工业应用奠定基础。

针对目前铁质气缸套存在的诸多问题，项目提出了电磁离心铸造制备初晶Si与Mg2Si颗粒互补增强铝基梯度功能复合材料气缸套的新思路，依据此思路和项目书的要求，主要进行了3个方面的研究：初晶Si与Mg2Si颗粒互补增强铝基梯度功能复合材料的基础研究，电磁离心复合场作用下梯度功能复合材料微观组织演变特征研究和梯度复合材性能的优化研究。通过对第一个内容的研究，获得了制备梯度功能复合材料的成分条件，即Mg的质量百分含量控制为4—6%，Si的质量百分含量控制为19—23%，在此成分条件下，可以获得足够的颗粒状的初晶Si与Mg2Si，而颗粒状的初晶Mg2Si是实现二者向内层偏聚形成增强层的关键因素。通过对第二个内容的研究，探讨了电磁离心复合力场作用下的分离细化机制。机制显示，离心力场在提供颗粒向内层运动动力的同时，切割磁力线，在凝固前沿形成电磁搅拌，从而实习组织的细化；此外，还探讨了离心转速和磁场的合理匹配方式。通过对第三个内容的研究发现，微量合金元素的添加和恰当的热处理制度可以较大幅度地提高复合材料的力学性能。在上述研究的基础上，项目组还对研究过程中出现的问题进行了详细的分析与总结。发现，采用电磁离心复合力场制备梯度功能复合材料，复合力场虽然对初晶颗粒、共晶组织以及基体组织的细化有明显效果，但也存在两组关键难题。第一个就是理想的组织梯度分布与壁厚不均、浇不足的矛盾。获得细化效果良好的梯度复合材料，必须提高离心转速或者磁场强度，而离心转速或磁场强度增大，铸件中的壁厚不均和浇不足现缺陷就越显著。第二个就是冷隔缺陷的消除。获得理想的组织分布，就必须延长熔体在铸型中的凝固时间，而凝固时间的延长，外壁和内壁之间的双向凝固就会加剧，从而导致冷隔缺陷的加剧。针对这两个关键问题，项目组认为，采用电磁离心铸造法制备可设计与可控制的、质量稳定的梯度复合材料零部件，不是一种理想的方法。