（材料加工工程专业论文）汽车座椅轻量化材料探索及结构的优化设计.pdf

委员： 导师： 未勇 编艮荸 召日已工业7 = 学术斗毕彳孑院 鄂工业大渊舭侈 数援 剃缎 毛日已她艄槲粥刻撇 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金肥工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 ， 学位论文作者签字： 磁敏 签字日期：驯年尹月二7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金赶互些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金壁王些盘堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 歇数 签字日期：f r 年午月7 日 导师签名 签字日期：砂年中月7 日 嚣主? 漱氯端层彳刁工作单位：缘剞鲤机删香彤习 电话： 邮编： 汽车座椅轻量化材料探索及结构的优化设计 摘要 当今社会，由于私家车和公共汽车产量的日益增加，能源消耗加剧和环境 污染严重等一系列问题随之产生。国内外汽车业的发展也因此受到了较大的限 制。各国研究人员不得不致力于汽车轻量化的研究与开发，以求为汽车行业的 发展寻找到更广阔的空间。本文便是顺应社会的需要，对汽车座椅进行轻量化 改进。研究内容主要包括以下几个部分： 首先，在材料上实现了座椅的轻量化。本文通过稀土元素变质、改变铸造 条件和热处理的方式，大大细化了z l 2 0 1 的微观组织和提高了合金的力学性能， 从而使该合金能够应用于汽车座椅的轻量化设计。 其次，通过结构改进，提高座椅的安全性能。通过对老式座椅的理论分析 和力学计算，找到了老式座椅存在的缺点，从而针对这些缺点，对座椅结构进 行了一系列的改进，尤其是座椅的靠背，并对改进后的座椅结构进行了相关的 强度校核。计算结果表明：座椅靠背受到的正应力为2 6 5 6 9 m p a ，受到的剪切 力为4 6 7 m p a ；座椅底座受到的正应力为7 3 7 m p a 。因此，文中设计的座椅的 各部分结构受到的力的大小均小于所选铝合金的抗拉强度，均满足国标中对于 座椅静强度的要求。 最后，对改进后的座椅的主要结构利用相关软件进行了模拟分析。结果表 明：座椅在受到国标要求的载荷时所产生的最大应力和产生的最大位移都满足 于国标的要求，进一步说明了改进后的座椅结构能够满足人们对于汽车的安全 性的要求。 关键词：汽车座椅；轻量化；结构改进；模拟分析 t h ee x p l o r eo fm a t e r i a l sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h es t r u c t u r eo fc a rs e a tl i g h t w e i g h t a b s t r a c t n o w a d a y s ，b e c a u s eo f t h eg r o w i n go u t p u to fb u sa n dp r i v a t ec a r ，i tp r o d u c ea s e r i e so fp r o b l e m ，s u c ha se n e r g yc o n s u m p t i o ns h a r p e na n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n a g g r a v a t e d t h ed e v e l o p m e n to f a u t o m o b i l ei n d u s t r ya th o m ea n da b r o a dh a sb e i n g r e s t r i c t e d s e r i o u s l y i no r d e rt o s e a r c hf o rab r o a d e rd e v e l o p m e n t s p a c ef o r a u t o m o t i v ei n d u s t r y ，t h er e s e a r c h e r so fa l lc o u n t r i e sh a v et od e v o t et h e m s e l v e st o a u t o m o b i l el i g h t w e i g h tr e s e a r c h i no r d e rt om e e tt h en e e d s o fs o c i e t y , t h e l i g h t w e i g h ti m p r o v e m e n to fc a rs e a t sh a sb e e ns y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e di nt h i s p a p e r f i r s to fa l l ，t h ew o r k sa c h i e v e dt h es e a tl i g h t w e i g h to nm a t e r i a l t h r o u g h i n o c u l a t i o nt r e a t i n gz l 2 01w i t hr e ，c h a n g i n gt h e c a s t i n gc o n d i t i o n sa n dh e a t t r e a t m e n tw a y s ，s ot h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ea l l o yw a sr e f i n e dg r e a t l ya n dt h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s w e r ei m p r o v e d t h u st h e a l l o y c o u l db e a p p l i e di n a u t o m o b i l es e a tl i g h t w e i g h td e s i g n i n g s e c o n d l y ，t h r o u g ho p t i m i z i n gt h es t r u c t u r e ，t h es a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h ec a r s e a tw a si m p r o v e d b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dm e c h a n i c sc a l c u l a t i o no n o l d f a s h i o n e ds e a t ，t h ed r a w b a c k so fo l d s t y l es e a t sw e r ef o u n do u t s os e r i e so f s t r u c t u r ei m p r o v e m e n t sw e r em a d ew h i c ha i m e da tt h e s ef a u l t s a n dt h es t r e n g t ho f t h ei m p r o v e ds e a t sw a sc h e c k e d ，e s p e c i a l l yo nt h es e a t - b a c k t h ec a l c u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep o s i t i v es t r e s sw h i c ha c to nt h es e a t b a c kw a s2 6 5 6 9 m p a ，a n d t h es h e a r i n gf o r c ew a s4 6 7 m p a t h ep o s i t i v es t r e s sw h i c ha c to nt h es e a t - b a s ew a s 7 3 7 m p a s o ，t h ed e s i g no fd i f f e r e n tp a r t so ft h es e a tw e r es a t i s f i e d w i t ht h e r e q u i r e m e n to ft h en a t i o n a ls t a n d a r d si ns t a t i cs t r e n g t ho fc a rs e a ti nt h i sp a p e r f i n a l l y , t h em a i ns t r u c t u r e so ft h ei m p r o v e ds e a tw e r es i m u l a t e da n da n a l y z e d w i t hr e l e v a n ts o f l w a r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u ms t r e s sa n dt h em a x i m u m d i s p l a c e m e n tg e n e r a t e db yt h el o a dw e r es a t i s f i e dw i t ht h er e q u i r e m e n to ft h e n a t i o n a ls t a n d a r d ，s ot h es t r u c t u r e so ft h ei m p r o v e ds e a tc a ns a t i s f yw i t hp e o p l e s a f e t yr e q u i r e m e n t so nv e h i c l e k e yw o r d s ：c a rs e a t s ；l i g h t w e i g h t ；o p t i m i z et h es t r u c t u r e ；s i m u l a t e da n da n a l y z e d 致谢 本文是在余瑾副教授的悉心指导和耐心帮助下完成的。从课程的学习，论 文的选题，实验的进行，学术论文的发表，到毕业论文的顺利完成，都离不开 恩师的关心和帮助。恩师渊博的知识和严谨的科研态度使我打手裨益。恩师治 学严谨的工作作风和豁达的处事态度一直是我学习的榜样；恩师孜孜不倦的教 导给了我巨大的启迪。在此，谨向恩师表示深深的敬意和最衷心的感谢! 衷心感谢祖方道教授、李先芬老师和刘兰俊老师在实验和学习上给予的关 心和帮助，感谢何元祥和何顺荣老师在本人试验过程中给予的悉心帮助。 特别感谢师兄张先锋、和何宏宇在我读研期间学习和实验过程中给予我的 指导和帮助! 感谢同窗雍文佳、李亮、贾胜超、刘福东、李雷阵和王开啸等全班同学给 予我的支持、关心和帮助，你们的热心帮助让我的毕业论文能够顺利完成! 感谢师弟杨天云和杨兵给予我课题上的帮助! 特别感谢我最亲爱的家人，正是你们对我的理解、帮助和支持，才能使我 在求学路上能够鼓起勇气，勇往直前；正是你们的善良和循循善诱的高贵品质， 使我有勇气直面艰难，顺利的完成了自己的学业，也激励着我向着更高、更大 的目标奋进! 谨以此文献给你们! 作者：张敏 2 0 11 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 汽车座椅轻量化研究现状1 1 1 1 汽车轻量化的意义1 1 1 2 汽车轻量化在国内外发展现状1 1 2 常用的汽车轻量化材料的主要性能2 1 2 1 高强度钢的主要性能2 1 2 2 铝合金材料的主要性能2 1 2 3 镁合金材料的性能及在汽车轻量化上的应用3 1 2 4 钛合金的主要优点及应用3 1 2 5 塑料及复合材料的主要特点3 1 3 我国铝及铝合金的应用及发展现状3 1 3 1 我国铝及铝合金工业的发展历史3 1 3 2 铝合金的主要分类5 1 3 3 铝合金性能强化方法5 1 4 我国铝及铝合金的成型工艺及其新发展5 1 4 1 铸造工艺6 1 4 2 铝合金的塑性成型工艺7 1 4 3 铝合金成型技术新进展及发展趋势7 1 5 铝合金在汽车轻量化中的应用8 1 6 新型轻量化座椅骨架的设计要求9 1 6 1 轻量化座椅的人性化要求9 1 6 2 轻量化座椅的舒适性要求9 1 6 3 汽车座椅的安全性要求：9 1 6 4 新型汽车座椅的人机工程学分析1 0 1 7 本文研究的主要内容1 0 第二章实验内容及实验方法1 2 2 1 引言1 2 2 2 实验内容1 2 2 2 1 混合稀土含量对z l 2 0 1 组织和性能的影响实验1 3 2 2 2 热处理工艺对z 1 2 0 1 组织和性能的影响实验1 3 2 2 3 铸型条件对变质后z l 2 0 1 合金组织和性能的影响实验1 3 2 3 实验材料和设备1 4 2 4 熔炼工艺和试样处理方法1 5 2 5 轻量化座椅的设计方案1 5 2 5 1 材料选择1 5 2 5 2 结构设计方案1 5 2 6 试验中和结构设计过程中可能遇到的问题和解决办法1 6 第三章实验结果与分析1 7 3 1 引言1 7 3 2 混合合稀土对z l 2 0 1 组织和性能的影响1 7 3 2 1 试样处理方案1 7 3 2 2 混合稀土加入量对z l 2 0 1 微观组织的影响1 7 3 2 3 组织细化的动力学原因1 9 3 2 4 混合稀土加入量对z l 2 0 1 显微硬度的影响2 0 3 3 热处理工艺对z l 2 0 1 组织和性能的影响2 1 3 3 1 试样处理方案2 l 3 3 2 时效处理时间z l 2 0 1 组织的影响2 1 3 3 3 时效处理时间z l 2 0 1 显微硬度的影响2 2 3 4 混合稀土加入量对z l 2 0 1 显微硬度的影响2 2 3 4 1 试样处理方案2 2 3 4 2 铸型条件对z l 2 0 1 组织的影响2 2 3 4 3 铸造模具对变质后z l 2 0 1 显微硬度的影响2 4 3 5 本章小结2 5 第四章新型轻量化汽车座椅基本骨架的设计2 6 4 1 引言2 6 4 2 某款老式座椅分析2 6 4 2 1 外观分析2 6 4 2 2 静强度分析2 7 4 3 座椅靠背的优化设计一2 8 4 3 1 新型座椅靠背的主要尺寸一2 8 4 3 2 靠背结构设计过程一2 9 4 3 3 靠背的虚拟装配一3 2 4 3 4 靠背的静强度校核3 3 4 4 座椅底座的优化设计一3 5 4 4 1 座椅支撑机构的设计3 6 4 4 2 座椅框架的设计3 7 4 4 3 连接架的设计一3 9 4 5 座椅主体骨架总装4 0 4 6 本章小结4 0 第五章改进后座椅主体骨架的静强度分析4 1 5 1 引言4 1 5 2 有限元分析理论简介4 1 5 3 座椅靠背骨架有限元模型的建立4 2 5 3 1 几何模型的建立和简化：4 2 5 3 2 单元的选取划分及材料属性的设置4 3 5 3 3 边界条件的确定4 4 5 4 不同受力状态下模拟结果分析4 5 5 4 1 应力分析4 5 5 4 2 位移及变形分析4 6 5 5 本章小结。4 7 第六章全文总结4 8 6 1 本文研究的主要内容一4 8 6 2 本文的主要结论4 8 6 3 本文创新之处4 9 6 4 尚需解决的问题4 9 参考文献5 l 硕士期间发表的论文5 5 插图清单 图1 1 舒适的乘坐角度1 0 图2 1a i c u 二元相图1 3 图3 1 不同混合稀土含量对z l 2 0 1 微观组织的影响1 8 图3 2 混合稀土含量对合金显微硬度的影响2 l 图3 3 时效处理时间对稀土变质后合金显微组织的影响2 l 图3 4 时效处理时间对合金显微硬度的影响2 2 图3 5 不同铸造模具条件下z l 2 0 1 的显微组织2 3 图3 - 6 铸造模具对z l 2 0 1 显微硬度的影响2 4 图4 1 老式座椅靠背正面图与侧面图2 6 图4 2 靠背圆管横切面2 7 图4 3 人体背部优化曲线2 8 图4 4 靠背优化曲线( 侧面) 2 9 图4 5 拉伸后图形的正面与正等测图3 0 图4 6 沟槽设计图3 0 图4 7 连接结构31 图4 8 靠背整体图( 正等侧图) 3 2 图4 9 装配图( 正等侧图) 3 2 图4 1 0 靠背主体骨架的横截面：3 3 图4 1 1 底座支撑结构整体图3 6 图4 1 2 支撑结构主要尺寸3 6 图4 1 3 座椅框架外形图一3 7 图4 1 4 座椅框架主要尺寸3 8 图4 1 5 左右连接架外形图3 9 图4 1 6 右连接架主要尺寸3 9 图4 1 7 座椅主体骨架4 0 图5 1 靠背骨架的简化模型4 2 图5 2 网格划分结果4 3 图5 3 载荷和约束方案4 4 图5 4 边界条件( a ) 下的应力云图4 5 图5 5 边界条件( b ) 下的应力云图4 5 图5 - 6 边界条件( a ) 下的位移及变形云图4 6 图5 7 边界条件( b ) 下的位移和变形云图4 6 表格清单 表1 1 铝合金的分类及性能特点4 表1 2 日、美、德汽车铝合金材料品种构成8 表1 3 几种汽车用金属密度对比8 表1 4 铝铸件替代铸铁件的质量对比表8 表2 1 试验用模具和合金材料成分1 3 表2 2 实验用主要合金化学成分1 4 第一章绪论 目前，能源、环境、安全等问题正逐步成为制约各国汽车业发展的重要问 题 1 - 3 】。为了国际上汽车业的进一步发展，各国政府先后采取了各项措施，甚 至制定了有利于汽车业发展的各项法规【4 巧】。随着国际上对能源保护、噪音控制、 废气排放和安全保障等方面要求的进一步提高，随着世界各国低碳环保以及我 国所强调的节能减排趋势，汽车行业不得不进行必要的改革【6 1 。 1 1 汽车轻量化意义及发展现状 1 1 1 汽车轻量化的意义 所谓汽车轻量化( l i g h t w e i g h to f a u t o m o b i l e ) ，就是在不降低汽车的强度 和安全性能的前提下，从材料、结构和加工方法等方面尽可能的降低汽车的自 身质量，以达到国际上所要求的节能减排的目的。 常用的汽车轻量化途径主要有：( 1 ) ，选用轻质材料( 如高强度钢、塑料复 合材料、轻质合金等) ；( 2 ) ，优化结构；( 3 ) ，利用新型制造技术( 塑料中空成 型工艺、液压成型、半固态铸造技术、喷射成型技术、内高压成型技术、智能 冲压、激光加工等) 。 当今社会，由于人们对低能耗、安全、环保等方面提出了更高的要求，汽 车的轻量化改进逐渐成了人们谈论的重要话题 7 - 8 j 。有研究数字显示：若汽车整 车重量降低1 0 ，燃油效率可提高6 8 ；此外，车辆每减重l o o k g ，二氧化 碳排放量可减少约5 9 k m l 9 。1 2 】。因此，汽车轻量化对于节能减排十分重要。 我国汽车业的发展起步较其他发达国家晚，制造技术比较落后，因此汽车 的节能减排成为现阶段限制我国汽车业发展的非常关键问题，因此，为了解决 当前我国环境压力加剧、能源日趋紧张的严峻问题，我国汽车业实施可持续发 展战略成为历史的必然1 13 1 。 1 1 2 汽车轻量化在国内发展现状 目前，我国汽车轻量化技术的发展势头比较迅速，主要措施是采用轻质材 料。 在材料方面，除汽车座椅等个别非关键部件采用了轻质合金( 铝合金、镁 合金、钛合金等) 外，钢材仍占主导地位。 目前，随着我国在耐热铝合金、高强高韧铝合金等新材料的研究方面和在 半固态成型、快速凝固等先进成型技术的研究与应用方面取得的突破，国内汽 车轻量化材料的应用也得到了比较迅速的发展【1 4 j7 1 。 在结构方面，由于现在绘图软件和有关分析软件的发展，研究人员能更容 易的确保在不降低汽车安全性能的前提下，找到更合适的设计方案，以达到减 轻车身质量的目的。目前，我国汽车零部件的模块化设计水平不断进步，计算 机软件辅助技术和结构分析等技术也取得较大进步；因此，我国已经初步具备 实现汽车轻量化的手段。 1 2 常用的汽车轻量化材料的主要性能 汽车轻量化材料是指可用来减轻汽车自重的材料，一般可分为两大类：一 类是高强度材料，如高轻度钢；另一类是低密度的轻质材料，如铝合金、镁合 金、塑料和复合材料等。 1 2 1 高强度钢的主要性能 高强度钢板是指屈服强度大于2 1 0 m p a 的钢板，它是汽车轻量化后能够保 证碰撞安全最主要材料；虽然汽车上所使用的轻质材料不断增加，但钢铁材料 作为汽车的主体骨架的主导地位是不会改变的，但高强度钢板使用的比例将不 断增加，因为，使用高强度钢板代替普通钢板制造汽车车身，汽车自身质量可 减轻3 0 4 0 ；代替普通钢制成的传动轴质量可减1 0 【”】。 1 2 2 铝合金材料的主要性能 铝是轻质材料中最常用的金属。纯铝具有优良的耐腐蚀性、导电性、导热 性和塑性好等特点。其中质轻和比强度高是当今人们逐渐关注铝及其合金的主 要原因。但是，铝本身的强度较低，在重要领域很难发挥其优异的性能，所以， 通常在铝中加入其它合金元素，以提高铝的综合性能。在现代工业中，铝合金 的应用日益广泛，主要因为其具有以下优点： 1 ，轻量性( l i g h tw e i g h t ) ：铝的比重仅为钢铁的三分之一。 2 ，耐蚀性( h i g hc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ) ：铝在空气中极易形成薄层的氧化 膜，覆盖在其表面，能够防止铝的进一步氧化。 3 ，成形性( w o r k a b i l i t y 、e x c e l l e n tf o r m a b i l i t y ) ：利用一定的热处理工艺 可产生质软的铝合金，从而能满足各种成形加工要求。 4 ，强度高：g o o ds t r e n g t h ，利用合金化热处理等工艺处理可大幅度提高合 金的强度。 5 ，易加工性：v a r i e t yo f f o r m s ，铝的加工性能优异，可加工成棒材、线 材、挤材和型材，其中，挤材和型材在铝的用量占有极大比例。 6 ，切削性：m a c h i n a b i l i t y ，与钢铁比较可节省高达7 0 ，通常强度较高 的铝合金的切削性较佳。 综上所述，铝合金在汽车行业上的应用前景是很好的，但是碳纤维增强复 合材料以其优异的性能逐渐在航空工业上得到应用，因此铝合金材料在很多工 业部门的应用也将受到其他新型材料严峻的挑战，必须不断开发新的铝合金品 种，新的加工工艺，更加提高材料的性能，迎接新的挑战。 1 2 3 镁合金材料的性能及在汽车轻量化上的应用 镁合金带给汽车轻量化带来的的好处是显而易见的。一方面，它的质量轻， 在汽车上利用镁合金能够减轻整车自重，也能间接减少油耗和废气的排放；另 一方面，它的比强度高于一般的铝合金和钢材，而比刚度却近于铝合金和钢材， 能够承受相当大的载荷；再者，它具有良好的铸造性能和优异的加工性能，易 于制造成型，加工废品率低，能够有效的降低生产成本；最后，它具有良好的 阻尼系数，具有良好的减振性能，用于壳体可以降低噪声，用于制造汽车座椅 和轮圈，可以减少振动，能够极大地提高汽车的安全性和舒适性【6 19 。2 们。但是， 镁合金的加工应用成本其它金属或合金高。 1 2 4 钛合金的主要优点及应用 钛合金作为一种新型的结构材料，以其优异的综合性能，如抗裂纹扩展能 力好，密度小、比强度和比断裂韧性高，疲劳强度高，低温韧性良好，抗蚀性 能高等，受到了国际上众多研究人员的重视，从而在汽车、航空、航天、造船 等行业得到了大规模的应用【13 1 。 1 2 5 塑料及复合材料的主要特点 塑料及其复合材料不仅能够减轻零部件的质量，还可降低加工成本。因此， 在汽车的减重、安全、舒适和节能等各方面都功不可没。随着国内外汽车工业 的发展，塑料和复合材料在汽车上所占的比例逐步增大【l 3 1 4 1 引。 综合以上所述，可用于汽车轻量化的材料很多，本课题研究的重点是利用 铝合金实现汽车的轻量化。因为，与国外相比，我国铝合金的发展速度相对较 慢，目前，还很少有铝合金牌号能够用于重要受力部位的结构件，所以，铝合 金在我国的应用有着广阔的前景。 1 3 我国铝及铝合金的应用及发展现状 1 3 1 我国铝及铝合金工业的发展历史 我国铝工业发展始于2 0 世纪5 0 年代中期，起初加工规模很小，制造技术 几乎是空白。1 9 8 3 年，中国有色金属工业总公司的成立，成为我国铝工业出现 崭新的发展局面的标志，经过几十年艰苦探索，到2 0 0 2 年底，不管是从铝及其 合金材料的应用，还是从铝及其合金的生产技术方面来说，我国都已成为在世 界上有较大影响的铝业大国。特别是由于近年来的艰苦钻研，我国对于铝合金 方面的研究工作出了巨大的贡献，成功研发和制造出了一批高强、高韧、耐热、 耐磨、超轻等具有不同特性和功能的，可以适应于各行业需求的新合金、新材 料，形成了具有中国特色的铝材和铝合金体系2 0 1 。我国对于高韧、高强铝合金 的研究也取得了令世界瞩目的巨大成功。在普通7 x x x 系普通铝合金的基础上， 成功的开发了7 a 5 5 、7 a 6 0 等新型铝合金牌号；在新型高强铸造铝合金及超高 强铝合金的研究方面也取得了一定的进展【2 1 , 2 2 】。 表1 1 铝合金的分类及性能特点 分类合金名称合金系性能特点编号举例 铸造性能热处理 z l 2 1 0 2 简单铝硅合金 a 1 s i 好，不能热处理强化， 力学性能较低 a l - s i m g 铸造性能良好， z l l o l 铸造铝合能热处理强化，力学 z l l 0 7a 1 s i c u 金 特殊铝硅合金性能较高 a l - s i m g - c z l l 0 5 、z l l l o u a 卜s i m g - c z l l 0 9 u n i 铝铜铸造合金a 1 c u 耐热性好，铸造性能 z l 2 0 l 和耐蚀性差 铝镁铸造合金 a i - m g 力学性能高，耐蚀性 z l 3 0 l 好 铝锌铸造合金 a 1 z n 能自动淬火，宜于压 z l 4 0 1 铸 不可 a 1 m n 耐蚀性、压力加工 3 a 2 1 ( l f 2 1 ) 变热处防锈铝 a i m g 性与焊接性能好，但 形理强 强度低 5 a 0 5 ( l f 5 ) 铝 化铝 合合金 金 硬铝 a i - c u - m g 力学性能高2 a 1 1 、2 a 1 2 可热超硬铝 a i c u - m g - z 室温强度最高 7 a 0 4 处理n 强化 a i - - m g - s i - c 锻造性能好 2 a 5 0 、2 a 1 4 铝合 锻铝 u 金 a 1 c u - m g - 耐热性能好 2 a 8 0 、2 a 。7 0 f e n i 1 3 2 铝合金的主要分类 铝合金大多为共晶型，主要分为形变铝合金和铸造铝合金，根据加入主要 合金元素的不同，铝合金的主要分类和性能可如1 1 所示： 1 3 3 铝合金性能强化方法 通常情况下，合金的组织决定了该种合金的性能。合金组织在很大程度上 因合金成分、热处理方法、冷却速度、凝固时外加力场等外在条件的改变而不 同，甚至铸造工艺的差异也可以带来合金组织的差异。所以，铝合金的性能也 可因这些因素的改变而改变。研究表明1 当今，改变铝合金的性能主要是从变 质剂【2 3 1 、合金化元素、热处理方法【2 4 扔】和外力辅助作用 2 6 - 2 7 1 等方面着手。 变质处理是改变合金微观组织、提高合金综合性能常用的工艺方法之一。 此种工艺是在合金成分、冷却速度、凝固时外加力场等外在条件不变的情况下 加入微量合金元素，以使合金金相组织发生明显变化，并且获得理想的合金组 织。 可以作为铝合金的合金化元素的种类很多，除硅、铜、镁、锌、镍、锰和 稀土等主要元素外，还有铬、铍、钛、钪、锆等微量元素。前者作为铝的主要 合金化元素，可以大幅度提高合金的铸造性能和力学性能，能够从根本上改变 铝及其合金的性能。而后者某些微量元素的添加的目的主要是为了改善合金在 铸造性能或力学性能方面存在的缺陷，或者作为合金强化和细化晶粒的补充。 本质上说：铝合金的热处理强化是以合金元素或金属问化合物在基体中的 溶解度的变化为基础的。通过对铝合金件的热处理可以大幅度的提高铝合金的 力学性能，消除偏析现象、提高合金微观组织的均匀性。 近年来，国内外有关对铝合金热处理的文献多如繁星，无论是铸造铝合金， 还是变形铝合金，热处理工艺都已比较成熟。在我国，大部分牌号的铸造铝合 金和变形铝合金都已经有了相对应的热处理工艺。目前，我国对铝合金热处理 工艺研究的主要方向是：，新近研究开发的或是引进国外的铝合金牌号 2 s 】： ，大力研发新型热处理工艺，比如双级甚至三级时效工艺【2 5 , 2 9 - 3 0 】；，尚未 形成具体热处理规范的铝合金材料1 3 。 外力改善铝合金的性能是指：通过借助强加的外力作用，使合金的组织改 变、综合性能得到提高的方法。压力铸造、挤压铸造和离心铸造的本质就是利 用外力的作用来获得综合性能较高的加工产品的成型工艺。 近年来，国内外研究的重点主要是电磁力 3 2 - 3 3 】、离心力 3 4 - 3 5 1 和超声波【3 6 。3 7 】 等外力对材料组织和性能的影响。 1 4 我国铝及铝合金的成型工艺及其新发展 铝合金的成型方法很多，总体来说，主要可以通过铸造、锻造、挤压、焊 接等工艺或者这些工艺的组合来实现对铝合金的加工。其中，铸造是目前较为 常用的加工成型工艺之一。 1 4 1 铸造工艺 应用于铸造铝合金的铸造工艺除了砂型铸造、重力金属型铸造和压铸工艺 之外，主要还有差压铸造、低压铸造、挤压铸造、磁流铸造、半固态成型等工 艺技术。其中，有的已经实现工业化应用，有的离工业化应用还有一段距离。 砂型铸造和金属型铸造与近年来迅速发展的其它铸造工艺相比，最大的不 同点就在于前者在充型过程中仅利用金属熔体的重力和流动性充填型腔，可以 称其为无压铸造；而近年来得到迅速发展的其它各种铸造工艺，大多都属于加 压铸造。因此，前两种铸造工艺相对简单，技术发展也比较成熟，早已实现了 工业化发展。但这种方法加工出的铸件，力学性能较差，很难在重要领域得到 利用，且加工出的铸件通常需要后续加工工艺，以求能使铸件的性能得到改善。 压铸工艺：我国压铸业的发展始于2 0 世纪中期，与其他发达国家相比存在 着较大的差距。该种铸造方法在生产上具有生产效率高、性能稳定、材料利用 率高等优点，有着广阔的应用前景【3 引。使用压铸工艺加工出的铸件一般晶粒 比较细小，很少会出现发达的树枝晶。因此，目前铝合金压铸件正在逐步取代 传统上仅运用简单浇注方法得到的铝合金产品。 但这种铸造工艺，对铝合金的性能、生产方法、管理模式、模具制造、熔 炼工艺和技术等方面有严格的要求，如果控制不好，容易产生浇不足、裂纹、 气孔、表面疏松等铸造缺陷。因此，当前我国应用于压铸工艺的铸造铝合金的 牌号很少，且大多属于a l s i 系、a i m g 系和a 1 z n 系。 低压铸造：低压铸造是在装有金属液的密封容器中，通入压缩空气，使金 属液沿着升液管自下而上经浇道注入型腔，待金属液充满型腔后，增大气压使 金属液凝固成型【3 引。 低压铸造工艺的金属液在一定的压力作用下充满型腔并凝固，因此具有充 型平稳、无冲击、无飞溅等的优点，所获得的铸件组织较为致密，力学性能较 高；生产上易于实现机械化和自动化。 挤压铸造：所谓挤压铸造，是指对充入型腔内的金属熔体施加一定的外在 压力，使其在压力作用下充满型腔并凝固成型，它是一种介于铸造和锻造之间 的铸造工艺，又称液态模锻【4 0 1 。一方面，利用挤压铸造的方法得到的铸件在型 腔内产生的塑性变形较小，能够获得尺寸比较精确的铸件；另一方面，金属在 压力下凝固结晶，有利于凝固过程中枝晶产生断裂，从而有利于获得微观组织 致密、晶粒细小、表面光洁的铸件。 差压铸造：差压铸造技术早在2 0 世纪中期就由保加利亚学院率先研发成 功。目前，差压铸造技术在世界其他发达国大多已经得到普遍的应用。但在我 国，由于各种原因的存在，其应用和发展多集中于航空、航天、船舶、兵器工 业等领域，理论研究也仅存在于少说实力比较雄厚的大学或研究院。差压铸造 的浇注系统一般采用底注式，充填到型腔的金属液夹杂物较少，充型平稳，所 得铸件组织致密，甚至可获局部壁厚仅为l m m 的铸件p 引。 半固态铸造：半固态铸造的原理是在金属液的凝固过程中进行强烈搅拌， 获得半固态的金属浆料，然后利用压力把半固态的金属浆料充入型腔，从而获 得铸件。 2 0 世纪7 0 年代，美国麻省理工学院f l e m i n g s 教授提出半固态金属成型方 法【2 7 l 。2 0 世纪末期，该成型技术在国外发达国家得到了迅速的发展。因其具有 诸多优越性能而被世界各国著名的专家和研究者们称为2 l 世纪新一代的成型 技术。但在我国，半固态铸件的生产技术还处于萌芽状态，一些设备与工艺上 的难题还没有搞清。在理论研究方面，也仅局限于一些大学和研究所。 1 4 2 铝合金的塑性成型工艺的发展 铝及其合金材料的塑性较好，因此可以利用塑性加工的方法把铝及其合金 加工成为各类板材、型材、线材、棒材、管材等初级成型产品，也可以对上述 产品进行二次加工，以获得具有一定技术和工艺要求的各类零件。 车l * w j 技术的发展：铝及铝合金的轧制技术是目前国际上发展最快、应用最 广的铝及其合金材料的加工方法之一，可以把铝合金材料加工成各种初级成型 产品。近年来，迫于人们对环保、节能、安全等方面的要求，一些发达国家的 铝合金轧制技术的研究正朝着高效、低成本、环保、低能耗的方向发展，并且 逐步形成五种已经比较成熟的s l * 0 工艺：连铸连轧技术、连续铸轧技术、冷轧 技术、热轧技术和箔材轧制技术【4 1 1 。 仅法国、美国、日本、德国四国，目前已经拥有于2 0 多条双机架冷连轧生 产线。而在我国，目前的轧制设备仅正向着连续轧制方向发展，冷轧技术的发 展也不完善，甚至还没有性能较好的冷连轧机。近年来，我国对轧制工艺的研 究力度正呈现逐步加大的趋势【4 引。 挤压技术的发展：2 0 世纪中期，一些发达国家就已经开始了挤压技术的研 究和探索工作，甚至有一些国家的挤压技术已经进入实用阶段。目前，国际上 发展比较成熟的、技术较为先进的挤压工艺主要有：，高速挤压技术；， 液压成型铝挤压技术；，无残料挤压技术；，铝合金壁板挤压技术。 1 4 3 铝合金成型技术新进展及发展趋势 快速凝固粉末冶金技术( r s p m ) ：该技术是快速凝固技术和粉末冶金技术 相结合而形成的一种材料成型技术，它具有快速凝固技术和粉末冶金技术的优 点。目前，世界上比较常用的技术工艺是采用快速凝固的方法制造粉末，然后 利用粉末冶金技术来制备所需材料。 喷射沉积技术：1 9 6 8 年，英国s w a n s e a 大学的a r e s i n g e r 教授首次提出 了喷射沉积技术的概念和理论，经过5 0 多年的发展，该成型技术在当前材料科 学与工程领域已成为研究和产业化发展的重要项目。 我国对喷射沉积技术的研究始于2 0 世纪末，研究单位主要集中在少数实力 雄厚的大学或研究院，且规模较小。直到2 0 世纪9 0 年代，我国喷射沉积技术 才引起了外界的广泛关注。这时由于黄培源院士和陈振华教授等人创立的多层 喷射沉积技术和坩埚式喷射沉积技术的成功应用。目前，该成型技术可用于制 备高强铝合金、高比强度铝合金、耐磨铝合金、耐热铝合金和铝基复合材料等 性能优越的铝合金材料；也可与其它铸造技术相结合，以获得性能