鑄造鋁硅合金缸體材料多元微合金化研究.pdf

1、社會發(fā)展和技術進步對汽車提出了輕量、節(jié)能、減排的要求,而輕量化又是節(jié)能、減排的前提。汽車輕量化可以通過結構設計優(yōu)化和采用低密度高性能材料來實現(xiàn)。然而結構設計優(yōu)化局限性大,不適用于結構復雜的汽車缸體。采用高比強度材料,能夠在結構改動很小的前提下減輕重量。
　　 Al-Si合金具有優(yōu)良的鑄造性能和使用性能,被廣泛用作鑄鐵缸體的替代材料。傳統(tǒng)的鋁合金缸體生產工藝是砂型鑄造+T6處理。而熱處理T6工序繁多,固溶化處理時還會導致缸體尺寸變

2、形和內應力的不穩(wěn)定,并且熱處理時間長,能耗和污染較大。國外有鑄造后直接水淬、然后時效處理的工藝,但是水淬亦有淬裂的風險。本課題研究通過對Al-Si合金添加微量的Ni、Cr、Zn、Mn四種元素,進行多元微合金化,在優(yōu)化細化、變質、除氣的基礎上澆鑄,凝固冷卻后僅進行時效。旨在開發(fā)一種,通過微合金化強化取消固溶化處理,鑄造后僅采用時效處理,就能夠達到性能要求的工藝方法。通過數(shù)據(jù)分析,得到如下試驗結果:
　　 1.鋁鈦硼細化時效態(tài),Al

3、Si7Cu4力學性能為:σb=230.85Mpa,δ=1％,HB=98.7;AlSi9Cu3力學性能為:σb=198Mpa,δ=1.5％,HB=103.4；AlSi10Mg力學性能為:σb=190Mpa,δ=2.5％,HB=81.03。比較三種基礎材料在鋁鈦硼細化時效態(tài)下的性能可知,AlSi7Cu4和AlSi9Cu3性能較高。
　　 2.鈦鋯硼細化時效態(tài),AlSi7Cu4力學性能為:σb=225Mpa,δ=1.75％,HB=10

4、2.46；AlSi9Cu3力學性能為:σb=207.5Mpa,δ=2.25％,HB=92.3;AlSi10Mg力學性能為:σb=187.5Mpa,δ=2.5％,HB=77。比較三種基礎材料在鈦鋯硼細化時效態(tài)下的性能可知,AlSi7Cu4和AlSi9Cu3性能較高。
　　 3.由于AlSi7Cu4和AlSi9Cu3性能相對AlSi10Mg較高,故選AlSi7Cu4和AlSi9Cu3進行微合金化實驗?？紤]到項目公司實際生產和簡化實驗

5、需要,決定實驗時均采用鋁鈦硼細化處理。
　　 4.AlSi7Cu4基礎材料添加Ni、Cr、Zn、Mn四種元素,采用正交實驗的方法進行實驗。性能方面:當Ni=(0.02～0.03)％、Cr=(0.025～0.035)％、Zn=(0.6～0.8)％、Mn=(0.15～0.30)％時,時效態(tài)下最優(yōu)力學性能為:σb=259.85Mpa,δ=1.25％,HB=99.2,相比之前,抗拉強度提升了24.85MPa,超過實驗要求的240MPa,

6、延伸率和硬度雖略降,但仍較為理想。顯微組織方面:微合金化后,α(Al)晶粒更細小,硅相外形更加圓潤,晶界處分布的Mg2Si、CuAl2等強化相增多。微量Ni元素,沿晶界形成細小(AlCuSiNi)相,強化晶界。微量Mn元素,部分Mn溶于CuAl2相內,和Si相共同形成(AlCuSiMn)相,增強CuAl2相對晶界的強化作用,同時改善Si相形態(tài),部分Mn與Fe形成Al3(Fe、Mn)相,改善鐵相形態(tài),改善韌性。Cr、Zn所形成相未見析出。

7、
　　 5.AlSi9Cu3基礎材料添加Ni、Cr、Zn、Mn四種元素,同樣采用正交實驗。性能方面:當Ni=(0.04～0.05)％,Cr=(0.015～0.025)％,Zn=(0.2～0.4)％,Mn=(0.15～0.30)％時,時效態(tài)下最優(yōu)力學性能為:σb=242.5Mpa,δ=1％,HB=100.5,抗拉強度相比之前提升了44.5MPa提升幅度較大,剛好達到實驗要求,且性能不穩(wěn)定。顯微組織方面:α(Al)晶粒顯著細化,硅相

8、團聚現(xiàn)象緩解,呈顆粒狀,初生硅相幾乎消失,優(yōu)化加工性能。微量Ni元素形成NiAl3,將部分CuAl2包裹形成AlCuNi相,AlCuNi相強化效果優(yōu)于CuAl2,提升材料強度。Mn元素,形成(AlSiFeMn)相,將Fe相由針狀轉變?yōu)槎唐瑺?削弱其對基體的割裂作用。Cr、Zn所形成相未見析出。
　　 6.通過實驗分析可知,AlSi7Cu4加入Ni、Cr、zn、Mn,僅通過時效處理完全能夠達到缸體的力學性能要求,而AlSi9Cu3