对汽车发动机块的保护合金的研究外文翻译资料

TRIBOLOGICAL STUDIES OF EUTECTIC AL-SI ALLOYS USED FOR AUTOMOTIVE ENGINE BLOCKS SUBJECTED TO SLIDING WEAR DAMAGE

By GUIJUN XUE

A Thesis Submitted to the Faculty of Graduate Studies through Mechanical, Automotive and Materials Engineering in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Applied Science at the University of Windsor

Windsor, Ontario, Canada 2009 copy; 2009 Guijun Xue

Authorrsquo;s Declaration of Originality I hereby certify that I am the sole author of this thesis and that no part of this thesis has been published or submitted for publication. I certify that, to the best of my knowledge, my thesis does not infringe upon anyonelsquo;s copyright nor violate any proprietary rights and that any ideas, techniques, quotations, or any other material from the work of other people included in my thesis, published or otherwise, are fully acknowledged in accordance with the standard referencing practices. Furthermore, to the extent that I have included copyrighted material that surpasses the bounds of fair dealing within the meaning of the Canada Copyright Act,

I certify that I have obtained a written permission from the copyright owner(s) to include such material(s) in my thesis and have included copies of such copyright clearances to my appendix.

I declare that this is a true copy of my thesis, including any final revisions, as approved by my thesis committee and the Graduate Studies office, and that this thesis has not been submitted for a higher degree to any other University or Institution.

ABSTRACT

The microstructures and wear performances of linerless engine cylinder blocks made of two eutectic Al-Si alloys with different Si morphologies were characterized after the engine tests. Overall, both the Al-11 wt. % Si alloy and the Al-12.6 wt. % Si alloy provided similar wear performance. Block-on-ring wear tests were applied to the Al-11% Si alloy. The MW regime in air consisted of two sub-regimes: MW-1 and MW-2. The argon atmosphere produced a 10- fold reduction in wear rates and the formation of LMW regime at loads less than 10 N. The metallic tribolayers formed in the MW under argon atmosphere were uniform and stable, resulting lower wear rates than those in air. The mechanism of material removal under argon atmosphere was delimination. The SW occurring in argon was observed at a relatively low load, compared to an air atmosphere. Wear was also more sensitive to applied load in the argon atmosphere.

ACKNOWLEDGEMENTS

I would like to express my sincere gratitude to supervisors Dr. Ahmet Alpas and Dr. Afsaneh Edrisy for their valuable guidance and wisdom throughout my study at the University of Windsor. I would like to sincerely thank my other committee members, Dr. Hu and Dr. Fartaj, for taking time from their busy schedules to make valuable suggestions for my work.

Special thanks go to Mr. J. Robinson, Mr. P. Sequin and the members of the Technical Support Center for their technical assistance and Mrs. B. Denomey and Ms. Rosemarie Gignac for their administrative assistance. I am grateful to Dr. S. Akarca and Dr. M. Shafiei, the previous and present IRC research coordinators, for their support.

All previous and current researchers in the Tribology of Lightweight Materials at the IRC are thankfully acknowledged for their help and friendship.

The financial support from NSERC and General Motors of Canada is greatly appreciated. I also would like to acknowledge the Graduate Tuition Scholarship provided by the University of Windsor.

CHAPTER 1

INTRODUCTION

Lightweight materials, particularly Al-Si alloys, have been developed for use in engine applications as a way to meet the automotive industrylsquo;s continuous demand for better fuel efficiency and cleaner exhaust. The Al-Si alloys used in engine blocks can be divided into three categories, based on their silicon percentages: hypoeutectic (5-10 wt% Si, such as 356, 380), eutectic and hypereutectic alloys (14-20 wt% Si, such as 390 series). The binary eutectic Al-Si alloy contains 12.6 wt% Si [1].

When cylinder blocks cast of hypoeutectic alloys like AA319 or AA 356 are used, cylinder liners made of cast iron or, in some cases, metal matrix composite must be inserted. An alternative is the use of specific surface treatments (thermal spray coatings) that provide wear resistance during engine operation [2-6]. On the other hand, cast hypereutectic alloys can also be used to a manufacture monolithic engine block without liners or surface treatments that still achieves a satisfactory performance [7]. Their overall manufacturing cost, however, remains high due to high casting and machining costs [8], which necessitates the development of new Al-Si alloys with the required combination of good casting, machining and wear resistance properties to use in cylinder blocks—an innovation that would simplify the manufacturing process and save costs. The eutectic Al-Si alloys can potentially provide the required combination for use in linerless automotive engine blocks, so studying their tribological performance is of great importance in the effort to optimize the properties of automotive engine block materials.

This research analyzes the microstructures and wear performance of eutectic Al-Si alloys. The wear surfaces of two eutectic Al-Si alloys that had been subjected to engine 2 tests were characterized to reveal whether or not a correlation exists between engine wear and microstructure. Dry sliding wear tests in air and argon were conducted on a eutectic Al-11% Si alloy using a block-on-ring (SAE 52100 type steel) configuration. The results- -which were evaluated to understand the micromechanisms that control Al-Si alloy wear under different environ

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对汽车发动机块的保护合金的研究

作者薛俊

摘要：发动机试验后，对具有不同Si形貌的两种共晶Al-Si合金制成的无衬套发动机气缸体的微结构和磨损性能进行了表征。总的来说，Al-11wt Si合金和Al-12.6wt Si合金提供了类似的磨损性能。将Al-11％Si合金应用于块环磨损试验。空气中的MW体系由两个子方案组成：MW-1和MW-2。氩气气氛在低于10N的负载下，磨损率降低10倍，LMW体系形成。在氩气氛下，MW中形成的金属多层膜均匀稳定，磨损率低于空气中的磨损率。在氩气氛下去除材料的机理是划定的。与空气气氛相比，在相对低的负载下观察到在氩气中发生的SW磨损，对氩气氛中的载荷也较敏感。

第1章

介绍

轻质材料，特别是Al-Si合金，已被开发用于发动机应用，作为满足汽车行业对更好燃油效率和更清洁排气的持续需求的一种方式。发动机缸体中使用的Al-Si合金可以根据硅的百分比分为三类：亚共晶（5-10重量％Si，如356,380），共晶和过共晶合金（14-20重量％Si，如390系列）。二元共晶Al-Si合金含有12.6重量％的Si 。

当使用像AA319或AA 356这样的亚共晶合金铸造的缸体块时，必须插入由铸铁制成的气缸套，或者在某些情况下必须插入金属基复合材料。另一种方法是使用在发动机运行期间提供耐磨性的特殊表面处理（热喷涂层）。另一方面，铸造过共晶合金也可以用于制造整体式发动机缸体，而无需衬垫或表面处理，仍然能达到令人满意的性能。然而，由于高的铸造和机加工成本，它们的整体制造成本仍然很高，这就需要开发新的Al-Si合金，其中所需的组合良好的铸造，机械加工和耐磨性能用于汽缸体中创新将简化制造过程并节省成本。共晶Al-Si合金可以提供用于无衬里汽车发动机缸体的所需组合，因此研究其摩擦学性能在优化汽车发动机缸体材料性能方面具有重要意义。

本研究分析了共晶Al-Si合金的微观组织和磨损性能。对发动机2试验的两个共晶Al-Si合金的磨损表面进行了表征，以揭示发动机磨损与微观结构之间是否存在相关性。空气和氩气中的干滑动磨损试验使用块状环（SAE 52100型钢）构造在共晶Al-11％Si合金上进行。评估结果 - 了解在不同环境条件下控制Al-Si合金磨损的微观机制 - 有望提供对耐磨合金设计要求的了解，并为汽车发动机材料的优化提供新的信息。

本论文由六章组成。第1章简要介绍了该主题。第2章回顾了现有关于汽车发动机缸体中使用的Al-Si合金的磨损行为的文献，其中包括：a）引入内燃机和典型的汽车发动机磨损; b）目前在汽车发动机缸体中使用的Al-Si合金的描述; c）讨论现有的磨损机理和Al-Si合金微观结构对它们的影响; 和d）本研究的目标。第3章描述了本研究中使用的实验方法和材料。

第2章

文献调查

2.1本章回顾了汽车发动机缸体中使用的Al-Si合金的磨损行为

它首先简要介绍了内燃机和在汽车发动机中观察到的典型磨损。然后考虑汽车发动机缸体中使用的Al-Si合金的性能，制造工艺和试验方法。还研究了Al-Si合金微观结构（硅粒径，形貌和含量）对其的磨损机理和影响。本章将对本研究的目标进行说明。

流体动力学润滑状态下的润滑剂膜通常比平均表面粗糙度多许多倍，并且两个滑动表面被润滑剂膜完全分离。弹性流体动力润滑方案取决于固体的局部弹性变形，以提供用于防止粗糙相互作用的粘结流体膜。边界润滑方案具有相互作用的边界润滑剂的单分子或多分子层，固体主导接触操作。流体膜的影响可以忽略不计，并且存在相当大的粗糙度接触。在混合润滑方案中，接触行为受边界和流体膜的混合影响。发生一些粗糙度接触，并且在边界润滑膜的单分子层或多分子层之间发生相互作用，而部分流体膜润滑作用同时涉及固体之间的大部分空间。

当滑动界面中的润滑剂不存在时，例如在汽车发动机中发生冷磨损的情况下，会发生干滑动磨损。汽车发动机部件应在超轻度磨损（UMW）条件下运行，其中可以忽略不计数量的材料。轻度磨损通常归因于机械混合和/或氧化，并且当摩擦层覆盖磨损的表面时，滑动表面损伤不太广泛。严重磨损会造成大面积的表面损伤，并将其去除或转移到大尺寸材料的对面。当接触负载或速度发生变化时，从一个磨损状态到另一个磨损状态的转变会相当突然。干磨时没有单一的轻度磨损机制。

研究活塞环和气缸孔之间的磨损机制至关重要，因为活塞环和气缸孔之间的摩擦力对发动机功率损失的影响大于40％。影响发动机缸体磨损的主要因素有：a）发动机工作参数，如速度，温度，载荷和频率;和b）发动机润滑条件，如气体清洁度，腐蚀，表面光洁度和润滑剂量。发动机转速会影响钻孔表面的滑动磨损，因为它会影响加到环上的加速力。低温是活塞和环之间过度磨损的主要和频繁的来源，而高温偶尔会通过干扰气缸表面的润滑而引起磨损。早期的服务故障可能是由于热点引起油膜变形或破坏而发生的磨损造成的。

磨损 - 被定义为通过塑料流动的粗糙化，无论是否有物料损失或转移- 是发动机磨损损害的一种非常有害的形式。研究人员对其定义尚未达成共识。一些研究者将磨损表面描述为那些涉及突然失效的表面，而其他研究者将它们定义为存在凹槽，转移材料，转移颗粒或其他物理特征。有时在活塞环和气缸孔之间观察到磨损。磨损通常伴随着摩擦的显着增加和加速润滑剂降解的快速升温。磨损预防不仅取决于接触的持续时间和使用的材料，而且取决于表面处理和系统中的润滑剂。除了表面粗糙度之外，三维地形，残余应力和相位分布均参与磨损过程。

当润滑剂膜破裂或接触表面温度达到临界温度时，Al合金中发生磨损。 Al-Si合金和钢之间的接触配对通常用在车辆中。即使存在大量的润滑剂，铝也可能转移到钢表面。在未润滑接触过程中，从轻度磨损到严重磨损的过渡与表面温度有关。

气缸体是汽车发动机的基本和最大的框架，因为它支持所有其他发动机部件。制造具有高输出功率的气缸体所需的材料必须满足以下要求的功能：良好的铸造性和可加工性，高导热性，重量轻，强度高，耐磨损性和抗磨损性。使用铝构造汽车发动机缸体可节省燃油效率，并且当气缸体铸造有亚共晶Al-Si合金时，它们需要使用气缸衬套，如铸铁套管，金属基体复合材料，甚至AA390。表面处理如电镀和涂层也可以在操作期间提供耐磨性，但是这些块修改中的每一个增加了产品的整体成本。

已经用合适的表面处理（如蚀刻发动机孔面）铸造的超共晶合金可以达到令人满意的性能。大多数过共晶合金的性能受到浇铸过程中的低工艺可靠性的限制，因为大尺寸，不规则形状和不均匀分布的硅颗粒。因此，为了使用所提供的优点，过共晶铝硅合金9应该用受控的小的等轴且均匀的硅颗粒制造。然而，使用传统的铸造方法不容易实现这一点。

具有期望耐磨性的近共晶铝合金可潜在地用于制造通道车辆的无衬套发动机缸体。 Clark和Sarkar指出，近共晶合金具有良好的承载能力。这种A-Si合金存在转基因专利。图2.8显示了由共晶AlSi合金制成的无衬发动机缸体。

2.2。制造铝圆柱块的技术

2.2.1砂铸

通常用树脂粘砂砂铸造铝制件。气缸块已经使用考斯沃斯工艺生产，这是一种用于获得合金铸件的低压砂铸工艺。在该过程中，电磁泵从树脂粘合模具的底部填充熔融铝，然后在固化期间缓慢固化的浇道部分进料熔体以产生无孔隙的气缸体。

2.2.2失物泡沫过程

在失去泡沫的过程中，将由聚苯乙烯制成的泡沫图案嵌入未粘合的砂中，然后在浇注过程中被熔融金属分解。铸件跟踪聚苯乙烯形状，熔融金属代替泡沫，精确地复制了所有图案的特征。

2.2.3压铸

在压铸技术中，模具是永久性的，由模具钢制成。有三种典型的压铸工艺：i）高压压铸，ii）重力压铸和iii）低压压铸。在高压压铸中，将液态金属以高速高压（约100MPa）注入钢模。在重力压铸中，模具保持高温，使得熔融金属可以填充铸件的所有部分，并且由于钢模的制备和高凝固时间，生产周期时间并不总是短死亡温度。在低压压铸中，模具通过垂直进料管连接到下面的加压坩埚中，并且使用高达20MPa的压力。当腔室被加压时，进料管中的金属水平增加。模具温度应该足够升高，直到上升的熔融金属以少量湍流填充模具，并且没有气体截留。低压压铸仅适用于中等壁铸件，通常用于超共晶Al-Si块以获得精细分散体或Si晶体。

2.2.4挤压压铸

挤压压铸主要用于具有复合微观结构的孔壁的铝块。该技术可以通过使用非常大的浇口和高液压将最小的湍流和气体截留铸造，将熔融金属缓慢地注入腔体中，并在凝固之前加压以减少收缩。它可以生产具有厚壁的无孔隙和可热处理的部件，能够存活对结构性汽车部件至关重要的关键功能测试。

第三章

总结和结论

本研究的目的是研究共晶Al-Si合金的摩擦学性能，可用于制造无衬里汽车发动机缸体。发动机试验后，对具有不同Si形态和枝晶臂间距的两种共晶Al-Si合金制成的发动机缸体的微结构和磨损性能进行了表征。此外，在控制的空气和氩气氛下，使用块状环（SAE 52100型钢）构造在选定的共晶Al-11％Si合金上进行干滑动磨损试验，以更深入地了解近共晶合金。

3.1微结构和磨损性能

1）黄铜冷却的Al-Si合金具有比砂铸Al-Si合金更低的纵横比具有更多球化的Si颗粒的更精细的微结构。铜烧结的Al-Si合金也具有较短的枝晶臂间距。

2）总的来说，Al-Si合金都提供了类似的磨损性能，通过样品经过发动机试验后的金相检查确定。

3.2干燥空气和氩气氛下Al-11％Si合金的干滑动磨损行为及其磨损机理

1）在空气气氛中，在0.2N和180N之间的负载范围内确定了两种不同的磨损方式：轻度磨损（MW）和严重磨损（SW）。轻度141磨损体系由两个子制度组成：MW-1和MW-2，从MW到SW的转变在160N的负载下发生。

2）在轻度磨损状态下干燥空气下的磨损过程由磨损表面上由Fe，Al，Si和O组成的三层的形成和破坏进行控制。当载荷增加时，三层从Fe-富集变为富铝氧化三层，随着尺寸的增加，从MW-1向MW-2的转变，碎片形状从粉末变为板状颗粒。

3）在氩气氛下进行的试验导致低温低磨损（LMW）的速率，低于低于10N的负荷时在干燥空气（5％RH）下观察到的低一个数量级。在氩气中的LMW被发现是变形，平滑和连续的Al-（Si）三层的结果。

4）在干燥空气气氛中观察到的MW与Al-18.5％Si合金相比，Al-11％Si的磨损率较低[16]。然而，发生从MW-1到MW-2的转变的负载低于A390，A390中的严重制度的过渡载荷比Al-11％Si合金低150N。在氩气氛下，这两种合金之间几乎没有差别。

5）在空气中的低负载（MW-1）下，磨损机制是氧化的。在MW-2中，磨损机理包括脱层和Al转移。与空气中的气氛相比，三氧化二铝在氩气氛下均匀稳定，磨损率低。在氩气氛下去除材料的机理是划定的。在氩气氛中，耐磨性对于施加的负荷敏感142倍，因为在接触表面发生的应变硬化和热软化之间的竞争中，热软化主导着磨损过程。

3.3未来工作建议

对共晶Al-Si合金的润滑滑动磨损试验必须采用块状环形结构进行，以更深入地了解实际发动机工作条件下的磨损行为。使用曲率的样本可以很好地模拟实验室中的实际工作条件（在我的研究过程中已经有一些进展）。为开发汽车发动机合金提供有价值的信息是经济实用的。

结语

1992年获兰州大学材料科学学士学位，并获得中国鞍山钢铁集团技术中心冶金材料工程师资格。从2005年起，他在加拿大汉密尔顿的斯泰尔科钢铁公司的研发部门担任冶金工程师。他于2006年9月加入温莎大学材料工程系，担任研究员，并于2009年获得硕士学位。

论文提交给机械，汽车和材料工程研究生院，部分满足了温莎大学应用科学

硕士学位要求。温莎，安大略省，加拿大2009

作者的原创性声明，我在此证明我是本论文的唯一作者，并且本论文的任何部分均未发表或提交出版，我为此证明。据我所知，我的论文不侵犯任何人的版权，也不会侵犯任何专有权利以及我的论文中不会包含的其他人的工作中的任何想法，技巧，引语或其他材料，出版或其他均按照标准参考实践完全确认。另外，在“加拿大版权法”所指的范围内，我已经包含超越“公平交易”范围的版权材料。

我证明我已获得版权所有者的书面许可，将此类材料包含在我的论文中，并将此类版权许可的副本包含在我的附录中。

我声明这是我的论文的真实副本，包括任何最后的修订，是经过我的论文委员会和研究生研究办公室批准的，并且本论文没有提交到任何其他大学或机构。

特别感谢罗宾逊先生，塞恩先生和技术支持中心的成员提供技术援助，丹麦梅夫人和罗斯玛丽·吉尼亚克女士提供行政援助。我非常感谢以前和现在的IRC研究协调员S. Akarca博士和M. Shafiei博士的支持。

在IRC的轻质材料摩擦学中的所有以前和当前的研究人员感谢他们的帮助和友谊。

非常感谢NSERC和加拿大通用汽车公司的财政支持。我也要感谢温莎大学提供的研究生学费奖学金。

致谢：我要向我们在温莎大学学习期间的宝贵指导和智慧表示衷心的感谢，感谢Ahmet Alpas博士和Afsaneh Edrisy博士。我真诚地感谢我的其他委员，胡医生和法塔赫博士从忙碌的时间表中抽出时间，为我的工作提出宝贵的意见。

参考文献：

1.J. L. Murray和A.J. McAllister，合金相图通报，5（1984）74-84。

2.山形、汽车发动机、伍德海德出版有限公司、剑桥、材料科学与技术（2005）10-39。

3.W. S. Miller，L. Zhuang，J. Bottema，A. J. Wittebrood，P. De Smet，A. Haszler，A. Vieregge，材料科学与工程。A（2000），37-49。

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