提升A356鋁合金性能及其摩擦磨損行為熱疲勞行為的研究.pdf

1、汽車制造發(fā)展的必然趨勢是輕量化、高效、節(jié)能環(huán)保，其關(guān)鍵技術(shù)是高性能材料，而性能優(yōu)異的鋁合金是滿足這種高性能材料最理想化、最現(xiàn)實的選擇。當(dāng)前，我國汽車的鋁化率研發(fā)應(yīng)用水平與歐美發(fā)達國家相比差距較大，有很大的提升空間?；诖?，本課題針對綜合性能優(yōu)異的A356鋁合金，主要應(yīng)用在汽車發(fā)動機上的核心部件如缸體、缸蓋，通過采取相應(yīng)措施，進一步優(yōu)化工藝，提升其性能，以滿足缸體、缸蓋承受日益增長的高功率密度性能要求。由于發(fā)動機在運行過程中，特別是在啟動

2、、停車或加速、減速時，迅速加熱或冷卻必將引起各種瞬態(tài)熱應(yīng)力和機械應(yīng)力相互作用疊加在一起，同時伴有劇烈的摩擦磨損，致使局部區(qū)域發(fā)生熱疲勞現(xiàn)象，嚴(yán)重地影響了發(fā)動機的使用壽命，這就要求鋁合金應(yīng)具有更高的耐磨損性能和抗熱疲勞性能。為此，進行了鋁合金摩擦磨損及熱疲勞性能試驗的研究，不僅可以充分挖掘材料的潛能，也為擴大鋁合金在汽車上的應(yīng)用，提高我國汽車制造的鋁化率發(fā)展需求提供堅實的理論基礎(chǔ)和重要的實用參考價值。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、庞捎?/p>

3、鑄造A356鋁合金的力學(xué)性能主要取決于組織中α-Al相與共晶Si相，而α-Al相的性能與純鋁相似。因此，為更充分的研究A356鋁合金的細化變質(zhì)，首先對純鋁進行細化研究，采用熔配法合成制備新型Al-5Ti-1B-1RE中間合金晶粒細化劑對其進行細化。從熱力學(xué)、動力學(xué)角度分析自制的Al-5Ti-1B-1RE中間合金細化劑的工藝可行性。研究了合成溫度、動態(tài)合成、遺傳效應(yīng)試驗等工藝對細化劑及純鋁細化效果的影響，并探討了其細化機理。通過對細化劑進

4、行遺傳效應(yīng)試驗處理及動態(tài)細化工藝處理可進一步提高純鋁的細化效果，使純鋁晶粒由粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉牡容S晶，其抗拉強度σb、伸長率δ細化后分別達到77.82MPa、54.36％，較細化前分別提高了46.83%、132.51%。
　?、茷檫_到更佳的力學(xué)性能，采用自制的Al-5Ti-1B-1RE中間合金細化劑與Al-10Sr中間合金變質(zhì)劑對A356鋁合金進行常規(guī)復(fù)合細化變質(zhì)，確定其最佳添加量分別為0.80%、0.30%。細化變質(zhì)處理可

5、使A356鋁合金中的α-Al相由粗大的枝狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿≈旅艿牡容S晶，二次枝晶臂間距（SDAS）顯著變小。共晶硅形貌由粗大的針片狀轉(zhuǎn)變成細小的纖維狀，達到完全變質(zhì)效果。為進一步提升其性能，試驗采取了對A356鋁合金熔體進行動態(tài)細化變質(zhì)處理、對細化變質(zhì)劑進行遺傳效應(yīng)試驗處理、對A356鋁合金進行熔體混合工藝處理以及在A356鋁合金基礎(chǔ)上，添加Cu、Mn、Ti等不同的合金元素，組成新型鋁合金，并對其進行動態(tài)復(fù)合細化變質(zhì)處理。通過正交試驗優(yōu)化出

6、新型鋁合金最佳的綜合力學(xué)性能的化學(xué)成分：Cu的加入量1.80wt%、Mn的加入量0.30wt%、Ti的加入量0.25wt%。并對新型鋁合金進行DSC差熱分析及T6熱處理后，其抗拉強度、布氏硬度與伸長率分別達到352.45MPa，114.30HB和5.75%，可以較好地滿足汽車缸體、缸蓋等鑄造用鋁合金的力學(xué)性能要求。
　?、茄芯苛髓T態(tài)A356鋁合金、細化變質(zhì)處理的A356鋁合金、新型鋁合金及經(jīng)T6熱處理的新型鋁合金等四種不同工藝處理

7、的鋁合金的摩擦磨損行為及磨損機理。研究表明：隨著加載載荷及磨損時間的增加其質(zhì)量磨損率增加，經(jīng)T6熱處理的新型鋁合金質(zhì)量磨損率最小，耐磨性能最好。其次是新型鋁合金，再次是細化變質(zhì)處理的A356鋁合金，而鑄態(tài)A356鋁合金的質(zhì)量磨損率最大。鋁合金的耐磨性不僅僅與摩擦層出現(xiàn)氧化物的多少有關(guān)，更主要的是與摩擦層致密性，分布均勻性，與基體結(jié)合強度有關(guān)。當(dāng)加載為低載荷時，摩擦層氧化生長速度小于被磨損的速度，導(dǎo)致摩擦層不含氧化物或含微量氧化物，幾乎無

8、減磨作用，其磨損機理為磨粒磨損、粘著磨損、塑性擠出磨損共存。當(dāng)加載為中載荷時，所含氧化物分布較均勻、致密、與基體結(jié)合強度較高的摩擦層具有較好的減磨作用，其磨損機理為磨粒磨損、粘著磨損和輕微氧化磨損共存。當(dāng)加載為高載荷時，盡管含有更多量的氧化物，但此時摩擦層已不再致密，易破裂，所具有的保護作用降低，加之載荷大大增加，其磨損機理為嚴(yán)重的氧化粘著磨損與剝層磨損的復(fù)合磨損。
　　⑷研究了四種不同工藝處理的鋁合金熱疲勞行為及裂紋擴展機理。結(jié)

9、果表明：熱疲勞裂紋的生長方式主要為孕育、萌生、擴展及失效。在相同的溫度幅下，熱疲勞試樣裂紋萌生壽命從短到長依次為鑄態(tài)A356鋁合金、細化變質(zhì)處理的A356鋁合金、新型鋁合金、經(jīng)T6熱處理后的新型鋁合金。在不同溫度幅下，相同狀態(tài)的試樣，溫度幅越大，熱疲勞試樣裂紋萌生壽命越短。同時發(fā)現(xiàn)第二相顆粒的位向?qū)崞诹鸭y的擴展路徑產(chǎn)生重要影響，當(dāng)裂紋尖端擴展路徑與第二相顆粒長軸方向形成小于45°夾角時，裂紋擴展將沿著此第二相顆粒的邊緣繼續(xù)向前擴展。