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车用铝基复合材料的研究进展

作者:新盛达有色金属制 发布日期:2016-12-01 14:49 点击:
随着发动机朝着大功率和高热效率的方向发展,活塞材料也在不断改进,从传统的铸铁、铸钢到铝合金再到   新   的铝基复合材料活塞。

  1、铝基复合材料活塞
  活塞是发动机的关键零部件之一,所处的工作环境非常恶劣:承受着交变的机械负荷和热负荷,工作温度很高(顶部高达600~700K),顶部承受气体压力很大(在汽油机中达到3~5MPa);在气缸内往复运动的速度很高(10~14m/s)。因此,活塞材料有着苛刻的要求:质量轻、、好、尺寸稳定性高、导热性好等。
  性能   进展
  随着发动机朝着大功率和高热效率的方向发展,活塞材料也在不断改进,从传统的铸铁、铸钢到铝合金再到   新   的铝基复合材料活塞。
  铝基复合材料应用于活塞的性能(如、高温力学性能、尺寸稳定性)   已取得一些进展。铝基复合材料的颗粒增强相可以是Al2O3、Al2O3+SiO2、SiC、或Ti2B等,将这些颗粒材料经过处理后用特种方法加入铝液而使其弥散分布,可增强活塞整体和局部的并减轻其质量。
  2、应用成果
  日本本田汽车公司成功应用铝基复合材料制造了发动机活塞环槽(先把增强体硅酸铝纤维或氧化铝纤维制成环状物置于铸模内,然后浇铸铝合金制成锭,再挤压成活塞环槽),其性能和寿命均优于传统的铸铁镶块环槽。随后,该公司于2000年又推出氧化铝纤维增强活塞顶的铝活塞,进一步扩大了铝基复合材料在活塞上的应用。
  欧美   也早已开展铝基复合材料活塞的   工作,如英国AE公司先推出了陶瓷纤维增强铝基活塞,随后又将整体采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料锻件的发动机活塞成功地应用于法拉利   方程式赛车上,效果非常好。
  近几年,我国的铝基复合材料也取得了突飞猛进的发展,如东南大学试制了陶瓷纤维增强铝基复合材料活塞,并将其应用于汽车发动机、大马力柴油机上,使活塞寿命提高了3~5倍,发动机功率也明显提高,汽车油耗和尾气排放减少。与普通铝合金材料相比,这种陶瓷纤维增强铝基复合材料的高温抗拉强度提高了20%~40%,线膨胀系数降低了20%。
  3、铝基复合材料制动盘
  制动盘是汽车制动系统中的重要部件,汽车的行驶   性关键在于其刹车制动效果。制动盘在相对运动过程中使接触表面产生摩擦阻力,起到制动作用,在这个过程中汽车的动能转化为热能并消散至空气中。然而,当汽车发生紧急制动时,由于摩擦时间短、强度大,热量无法消散而被制动盘吸收,使其温度急剧升高,尤其是长时间、多次数的紧急制动,对制动盘产生的热冲击和摩擦程度,以致制动盘表面产生热裂纹或热磨损,   终导致制动失效,影响汽车的制动性和   性。
  铸铁制动盘一直被应用于汽车,但普通片状石墨铸铁强度较低,在汽车制动中的磨损量大,而蠕墨铸铁的抗热性和也均不能满足汽车制动的要求。铝基复合材料的摩擦因数非常稳定,而铸铁材料的摩擦因数波动较大,特别是在高速条件下,其稳定系数明显降低。
  铸钢虽具有较高的强度和抗热龟裂性,但是导热性差,膨胀系数大,在使用过程中易出现磨损沟槽,故服役寿命短。此外,铸钢、质量大,不符合汽车轻量化的发展趋势。
  由于铝基复合材料的、导热性好,   高工作温度可达450℃,自2005年以来,各大汽车公司如奔驰、沃尔沃、菲亚特、通用、福特、丰田等均对铝基复合材料刹车系统的   与应用做了许多工作,并取得了成功。美国FORD公司已研制出SiCp/Al复合材料制动盘,并将其批量用于   轿车(LincolnTownCar);Ktus公司也将铝基复合材料应用于一种低容量运动轿车(Elise)的前、后轮制动盘。德国、日本等研制的铝基复合材料高速列车制动盘,也已在火车、地铁、城郊列车等线路上应用。
  4、铝基复合材料气缸套
  气缸套是镶嵌在发动机缸体内的圆筒形零部件,决定着发动机的使用性能与寿命。传统的气缸套材料主要是灰铸铁,但随着发动机性能要求的提高,传统灰铸铁气缸套的性能已远不能满足要求。目前所用的各种铸铁气缸套材料,其基体组织均为珠光体,强度一般仅210~260MPa。针对新型气缸套材料和制备工艺的   工作,德、日、美等汽车大国已取得发展:德国DaimlerChryslerAG公司的过共晶Al-Si合金复合体涂覆法,适用于涂覆内燃发动机铝合金气缸套内壁,其涂层是由固态Al、Si沉积物、金属间相和氧化物构成的不均匀层状结构,通过热喷涂来提高材料的粘附力和;日本小松公司通过热喷涂陶瓷材料生产的陶瓷气缸套;美国的Ghosh等采用激光在Al基(A365)气缸套内表面熔覆Si和Mo的混合粉末,原位生成纳米级MoSi2以形成   相增强颗粒层,提高了材料表面的硬度及延展性;德国的Schneider等在Al-Si合金基体中添加Cu、Ni、Ti等合金元素,采用CPS成形工艺气缸体,并对缸筒内表面进行机加工以使其光洁,然后以Si粉为增强体,采用激光熔覆工艺在气缸筒内表面堆积了一层厚度约0.8mm的高硅层,再经研磨处理制备的整体气缸体已应用于   汽车的发动机。
  5、其他铝基复合材料零部件
  铝基复合材料还应用于汽车的其他零部件上,如轮毂、驱动轴、连杆等。碳纤维增强铝基传动轴、颗粒增强铝基轮胎螺栓开始应用于汽车并取得了显著的减重、提和动力性能的效果。美国DWA公司采用粉末冶金方法生产的SiCp/Al合金复合结构材料取得了良好的力学性能,其抗拉强度为530~600MPa,屈服强度为365~410MPa,弹性模量为97~112GPa。
  近年来,日本丰田技术   所研制了不锈钢纤维铝合金连杆、碳化硅晶须和颗粒铝合金连杆和氧化铝纤维铝合金连杆。丰田公司也在其新式Fx-1轻型特种车辆的试验发动机上装上了多晶氧化铝纤维铸铝连杆,这种连杆比钢质连杆约减重30%,抗拉强度和疲劳,线膨胀系数小,可满足连杆工作性能的要求。
轻量化、、   环保已成为当今汽车发展的主流方向,因此轻量化技术及新材料的   和应用越来越受到全世界的关注,而铝基复合材料密度低、优、抗热疲劳性能好、等特性也将在汽车应用中体现。虽然铝基复合材料具有优异的综合性能,但因涉及的成分复杂,制备工艺还不完善,   成本过高,故在汽车未广泛应用。因此,完善制备工艺是铝基复合材料的发展方向之一。随着   的深入,铝基复合材料的生产技术将会取得突飞猛进的发展,   广泛地应用于汽车行业。

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