活塞铝合金组织性能的研究

设计性综合实验论文题目： 活塞铝合金组织性能的研究 院 （系）： 北方信息工程学院 专 业： 金属材料工程 班 级： B080210 学 生： 王晋 学 号： B08021115 指导教师： 王鑫 2011 年 10 月活塞铝合金组织性能的研究摘 要在综合比较国内外汽车发动机活塞用铸造铝合金的种类（即 Al-Cu-Ni-Mg系合金、Al-Si-Cu 系合金、Al-Si-Ni-Mg 系多元合金、过共晶 Al-Si 系合金）以及其性能、热处理规范和适用范围之后发现。在现有合金配方中 Al-Cu 系铸造性能较差、热膨胀系数大，Al-Si 系室温强度较低的缺点 1。为实现两种系列的铸铝性能的融合，本文在 ZL107 和 K.O-1 的基础上，了解不同元素对合金性能的影响，使用传统铸造方法，配置了一种高强铸造 Al-Cu-Si 铝合金。研究了制备技术，测试了合金的力学性能和铸造性能，观察了合金的微观组织。研究结果表明：该合金在以 Mg、Zn 为主要合金化元素，以Ni、Ti 、B 、Mn 为微量元素，充分发挥个元素的作用，实现较好的复合多元化效果。该合金的流动性好、热裂倾向小。铸态室温下抗拉强度可达218.56MPa，延伸率 2.7%。对其组织成分研究发现：采用 Al-Ti 对所设计的合金进行细化变质处理时，加入量为 0.2%时合金具有最佳的综合力学性能，相同制备工艺下，增加含 Ti 量后，合金中没有新的相生成、合金中 Ti 元素偏聚严重，造成合金力学性能和铸造性能严重下降 2。本文设计的 Al-Cu-Si 高强度铸造铝合金对我国发动机活塞部件的材料更新具有重要的工程应用参考价值。关键词：活塞铝合金；高强铝合金；流动性；热裂：元素目 录1 前 言 .11.1 课题研究目的和意义 .11.2 课题的研究内容 .11.3 论文的组织结构 .22 试验方案及研究方法 .32.1 合金的设计及原料的选择 .32.1.1 主合金化元素 .32.1.2 微量合金化元素 .42.1.3 原料的选择 .42.2 合金的熔炼和成型 .42.2.1 合金的熔炼 .42.2.2 材料的成型 .52.3 合金的热处理工艺 .52.4 合金的性能测试 .53 合金成分设计与细化的研究 .63.1 合金的成分设计 .63.1.1 合金的主合金化元素 .63.1.2 合金的微量元素 .73.2 合金的晶粒细化研究 .73.2.1 盐类细化剂 .73.2.2 Al-Ti 中间合金 .73.2.3 Al-Ti-B 中间合金 .83.2.2 新型中间合金细化剂 .84 合金试样的制备 .94.1 合金的铸造阶段 .94.1.1 熔炼用辅助材料 .94.1.2 中间合金和预制合金锭 .94.1.3 熔炼用材计算和准备 .104.2 合金的热处理阶段 .114.2.1 热处理工艺的分类及状态 .114.2.2 热处理用设备及工艺 .125 实验结果与讨论 .145.1 合金的拉伸试验 .145.2 合金的金相显微结构 .156 结论 .18参考文献 .19致 谢 .201 前 言11 前 言1.1 课题研究目的和意义在全球技术竞争日益激烈的今天，发动机革新工作作为动力来源装备更新是必不可少的，目前已受到许多国家的关注。而发动机提供动力最主要的一环在气缸内的能量变化，活塞的质量高低直接决定了能量的利用率。世界上最早的发动机活塞是铸铁的，从 1911 年才开始研究用铝合金来制造活塞，1920 年一种 Al-Cu-Ni-Mg 系合金正式成功地应用于汽车发动机活塞，以后的几十年，又相继研究成功了几个系列的活塞用铝合金材料。随着发动机转速的不断提高，活塞速度也随之提高，汽油机活塞速度可达 1116m/s；柴油机活塞速度可达68.5m/s，或更高一些。由于发动机高速化的结果，使作用在活塞上的惯性力亦越来越大，发动机的压缩比也相应提高，燃烧室内的燃烧速度急剧增大，气缸内容易形成局部压力差，使活塞发生强制振动，从而引起穴蚀或敲缸现象 3。另外活塞头部在交变热应力的作用下，容易产生热变形或热裂现象。所以，除对活塞材料的常温强度、硬度、延伸率、热膨胀系数等性能有一定的要求外，还对其高温性能(如高温拉伸强度、高温疲劳强度、导热率)及耐磨性能有较高的要求。为适应汽车发动机高速化的要求，材料工作者经过大量的工作，使活塞材料越来越完善，其各种性能都有很大的提高。作为活塞材料，常用的铝合金大体可分为以下四类:(l)铝-铜-硅系合金；(2)铝-铜-镍-镁系合金；(3)铝-硅-镍-镁系合金；(4)过共晶铝-硅系合金。当前，我国自行研制的发动机活塞的性能同美国、东欧和日本等发达国家相比，还存在很大的差距，而各国对某些高精尖技术是严格保密的。因此，依靠自己的力量研究高性能的发动机用活塞，既具有重大的理论价值也具有重要的实际意义。本课题的目的在于充分理解各种系列合金的性能和优劣性最终确定一个系列，在了解该系列合金各元素的作用的前提下，通过改变、添加或删除某种元素使原合金性能能得到显著提升。这对于我国活塞用合金的改进有重要意义，在现代工业中的应用前景也是很明朗的。1.2 课题的研究内容本文以汽车发动机活塞用铝合金为研究背景，对高强度铸造铝合金展开相关研究。本文研究内容主要包括以下几个部分：（1） 合金系的选择，主要是确定合金的主要添加元素和微量元素的种类以及其最佳含量。西安工业大学综合实验论文2（2） 晶粒细化剂的选择。主要从细化效果、细化衰减时间以及和元素间的相互作用选择合适的晶粒细化剂。（3） 合金最终的热处理工艺。主要从各种元素的性能和相图出发最终确定一种显著提高性能的热处理方法。1.3 论文的组织结构第一章 前言部分，介绍了课题的研究目的和意义，确定了课题的研究内容。第二章 试验方案及研究方法部分。第三章 合金成分设计及细化部分。第四章 合金试样制备部分。第五章 实验结果讨论部分。第六章 结论。西安工业大学综合实验论文32 试验方案及研究方法本试验的内容包括合金的设计及原材料选择、合金熔炼、浇注、热处理过程的试验方案和研究方法，以及试样的性能测试和微观组织分析手段。熔炼、浇注和热处理过程是试验的关键步骤，直接影响到最终结果的好坏。2.1 合金的设计及原料的选择本试验是在对高强度铸造铝合金的研究基础之上，参照 ZL107 以及美国专利合金牌号 K.O-1 铸造铝合金，以 Mg、Zn 为主加元素，并添加微量元素，开展对铸造 Al-Cu-Si 合金的研究。2.1.1 主合金化元素在 Al-Si-Cu 系中，加入 Mg 时，随 Mg 含量的增加， b 急剧升高，而 5下降。其机制为，加入 Mg 后合金中增加了 Mg2Si 和 W （Al xMg5Si4Cu4）两种强化相。为了使合金保持一定塑性，Mg 要控制在 0.5%以下。Zn 的存在提高Cu 的溶解速度和溶解度，提高合金的塑性。Zn 含量在 1%左右时，全部固溶在基体中，不形成可见的相组织。镁在铝中有很大的固溶度，共晶温度时达到14.9%。而且镁原子半径比铝大 13%，镁大量溶入 固溶体后，就使 固溶体的晶格产生较大的畸变，因此有很高的固溶强化作用。用 Zn 来代替部分Mg，减少镁量，可降低淬火后自然时效和 相析出长大的倾向，也减少了铝液的氧化和吸气，加入 Zn 后，由于锌能同时溶于 和 中，形成 T（Al 2Mg3Zn3）相，抑制了镁原子的扩散和自然时效过程。锌含量增加，强度升高，塑性下降 1,4。2 试验方案与研究方法42.1.2 微量合金化元素加入 Cu 和 Mn 可以改善 Al 合金的抗蚀性，对机械性能也略有提高。铜元素还可以增加合金的高温性能。Mn 还可以与含铁相结合，改善含铁相的形态，减轻其对合金机械性能的不利影响。Ti 与铝形成的 TiAl3 能作为外来晶核细化晶粒，提高抗拉强度与伸长率，减轻缩松和热裂倾向，降低壁厚效应。而且 Ti与 B 以合金形式加入，B 强烈的促进了 Ti 的细化作用。最终确定的合金化元素为：以 Mg、Zn 作为主合金化元素；Ni、Ti 、B 、Mn 作为微合金化元素。2.1.3 原料的选择在实验室条件允许、确保试验准确性、保证合金中较低杂质元素的情况下。选用的原料为：工业纯铝、工业纯镁、工业纯锌、工业纯单晶硅、Al-Ti-B 合金（Ti=4%，B=1%） 、Al-Ni 合金（Ni=10%） 、Al-Cu 合金（Cu=50%） 、Al-Mn 合金（Mn=10%） 。2.2 合金的熔炼和成型2.2.1 合金的熔炼试验采用实验室井式电阻炉进行合金的熔炼。熔 Al 温度为 710，待纯铝完全熔化。添加 Si、Al-Cu 合金，升温 20，用石墨棒搅拌待全部熔清后。添加 Al-Mn 合金、Al-Ti-B 、 Al-Ni 合金，用石墨棒搅拌待全部熔清后调温至720740。加入总炉料量 0.71%的 C2Cl6 进行精炼（ C2Cl6 与 Mg 反应，适当提升 Mg 的用量） ，用钟罩压入液面下距离坩埚底 3cm 处水平缓动 58min，用扒渣勺扒渣后静置 10min。降温至 680700加入 Mg、Zn ，待全部溶解后静置5min 使各元素充分互溶。升温至 715左右时加入总炉料量 1%的磷盐变质剂变质，静置 30min 后升温至 720移出坩埚，静置 25s 用扒渣勺扒渣后准备浇注。总的熔炼工艺流程图为：SiAl-Cu合金710融化纯AlAl-MnAl-Ti-BAl-Ni升温20C2Cl6精炼除气调温至扒渣静置调温西安工业大学综合实验论文5完全融化MgZn磷盐变质剂浇注静置调温静置调温2.2.2 材料的成型试样采用实验室提供的拉伸试样铸造模板进行砂型铸造。在制备铸造合金时，在其浇注温度静置扒渣，去除氧化皮和熔渣。浇注后室温冷却，随后落砂、清理试样。2.3 合金的热处理工艺该合金为多元化和金，合金中存在的主要相为 （Al） 、（Mg 2Al3） 、（CuAl 2） 、 S（Al 2CuMg） 、Q（Al 5Mg8Cu2Si6） ，加入 Mn 元素后形成Al10Mn2Si、Al 6Mn、-Al 15(MnFe)3Si2 等相。对合金进行热处理的主要目的是使 、T 、S 、Q 等相固溶于 （Al）基体中，以达到固溶强化的目的 4。具体的热处理工艺为：室温（25）425，20 /min；425500，15 /min；到温后 5005保温 10h，淬 40水；1805，保温 3.5h，空冷。2.4 合金的性能测试本文主要从铝合金材料的室温下抗拉强度 b、延伸率 两个方面研究材料的力学性能。拉伸试验：拉伸试验按照国家标准 GB228-87金属拉伸试验方法 在万能试验机上进行，试验条件：试棒标称直径 8mm，实际铸后直径 7.6mm。原始标称标距长 40mm，实际量取标距长 38mm。西安工业大学综合实验论文63 合金成分设计与细化的研究目前，对铝合金的开发研究主要集中在合金成分设计、材料先进制备技术、热处理工艺、材料组织控制技术、成型加工技术和装备等研究方面。其中，合金设计是重要研究内容之一，因为好的合金设计可以有效地改进铝合金力学性能和铸造性能、获得高强度铝合金。铝及其合金在铸造条件下容易形成粗大的晶粒组织，要实现其广泛应用，必须改善其铸态组织，进而提升性能。目前普遍的做法是在铸造阶段进行晶粒细化。晶粒细化是提高材料强度和塑性，改善铸件质量的重要途径，是近期国际上对传统材料升级和创造新型合金的三大工艺手段之一。因此，可运用不同的晶粒细化方法来获得细小的晶粒，以提高铸造铝合金的综合性能。3.1 合金的成分设计参照 ZL107 以及美国专利合金牌号 K.O-1 铸造铝合金，以 Mg、Zn 为主加元素，并添加微量元素，开展对铸造 Al-Cu-Si 合金的研究。3.1.1 合金的主合金化元素镁在铝中有很大的固溶度，共晶温度时达到 14.9%。而且镁原子半径比铝大 13%，镁大量溶入 固溶体后，就使 固溶体的晶格产生较大的畸变，因此有很高的固溶强化作用。随着镁量的增加，合金的机械性能也增加，流动性也会增强。镁量大于 12%时，在通常的热处理条件下， 相不能完全溶于 ，使其机械性能大大下降；