鑄造鋁硅合金缸體材料多元微合金化研究.pdf

1、社會(huì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步對(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和采用低密度高性能材料來實(shí)現(xiàn)。然而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化局限性大,不適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的汽車缸體。采用高比強(qiáng)度材料,能夠在結(jié)構(gòu)改動(dòng)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(chǎn)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(shí)還會(huì)導(dǎo)致缸體尺寸變

2、形和內(nèi)應(yīng)力的不穩(wěn)定,并且熱處理時(shí)間長(zhǎng),能耗和污染較大。國(guó)外有鑄造后直接水淬、然后時(shí)效處理的工藝,但是水淬亦有淬裂的風(fēng)險(xiǎn)。本課題研究通過對(duì)Al-Si合金添加微量的Ni、Cr、Zn、Mn四種元素,進(jìn)行多元微合金化,在優(yōu)化細(xì)化、變質(zhì)、除氣的基礎(chǔ)上澆鑄,凝固冷卻后僅進(jìn)行時(shí)效。旨在開發(fā)一種,通過微合金化強(qiáng)化取消固溶化處理,鑄造后僅采用時(shí)效處理,就能夠達(dá)到性能要求的工藝方法。通過數(shù)據(jù)分析,得到如下試驗(yàn)結(jié)果:
　　 1.鋁鈦硼細(xì)化時(shí)效態(tài),Al

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

4、2.46；AlSi9Cu3力學(xué)性能為:σb=207.5Mpa,δ=2.25％,HB=92.3;AlSi10Mg力學(xué)性能為:σb=187.5Mpa,δ=2.5％,HB=77。比較三種基礎(chǔ)材料在鈦鋯硼細(xì)化時(shí)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(duì)AlSi10Mg較高,故選AlSi7Cu4和AlSi9Cu3進(jìn)行微合金化實(shí)驗(yàn)?？紤]到項(xiàng)目公司實(shí)際生產(chǎn)和簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)

5、需要,決定實(shí)驗(yàn)時(shí)均采用鋁鈦硼細(xì)化處理。
　　 4.AlSi7Cu4基礎(chǔ)材料添加Ni、Cr、Zn、Mn四種元素,采用正交實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。性能方面:當(dāng)Ni=(0.02～0.03)％、Cr=(0.025～0.035)％、Zn=(0.6～0.8)％、Mn=(0.15～0.30)％時(shí),時(shí)效態(tài)下最優(yōu)力學(xué)性能為:σb=259.85Mpa,δ=1.25％,HB=99.2,相比之前,抗拉強(qiáng)度提升了24.85MPa,超過實(shí)驗(yàn)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(xì)小,硅相外形更加圓潤(rùn),晶界處分布的Mg2Si、CuAl2等強(qiáng)化相增多。微量Ni元素,沿晶界形成細(xì)小(AlCuSiNi)相,強(qiáng)化晶界。微量Mn元素,部分Mn溶于CuAl2相內(nèi),和Si相共同形成(AlCuSiMn)相,增強(qiáng)CuAl2相對(duì)晶界的強(qiáng)化作用,同時(shí)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(chǔ)材料添加Ni、Cr、Zn、Mn四種元素,同樣采用正交實(shí)驗(yàn)。性能方面:當(dāng)Ni=(0.04～0.05)％,Cr=(0.015～0.025)％,Zn=(0.2～0.4)％,Mn=(0.15～0.30)％時(shí),時(shí)效態(tài)下最優(yōu)力學(xué)性能為:σb=242.5Mpa,δ=1％,HB=100.5,抗拉強(qiáng)度相比之前提升了44.5MPa提升幅度較大,剛好達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求,且性能不穩(wěn)定。顯微組織方面:α(Al)晶粒顯著細(xì)化,硅相

8、團(tuán)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(qiáng)化效果優(yōu)于CuAl2,提升材料強(qiáng)度。Mn元素,形成(AlSiFeMn)相,將Fe相由針狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎唐瑺?削弱其對(duì)基體的割裂作用。Cr、Zn所形成相未見析出。
　　 6.通過實(shí)驗(yàn)分析可知,AlSi7Cu4加入Ni、Cr、zn、Mn,僅通過時(shí)效處理完全能夠達(dá)到缸體的力學(xué)性能要求,而AlSi9Cu3