（材料加工工程专业论文）微合金元素及铸造热处理工艺对铝合金发动机缸体组织和性能的影响.pdf

术期刊( 光盘版) 可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：弱勇 诊忙i 岁月f 旧，i ，7 指导教师签名：司 劢n 年s 其 e f f e c t so fm i c r o a l l o y i n ge l e m e n ta n d c a s t i n ga n dh e a t t r e a t m e n tp r o c e s s e so nt h e p r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r e o ft h ea l u m i n u m e n g i n ec y l i n d e rb o d ym a t e r i a l s 姓 2 0 1 1 年0 5 月 1 学硕士学位论文 摘要 汽车工业正朝着轻量化、高速、舒适、节能、低排放的方向发展，越来越多 的汽车采用高性能的铝合金替代钢、铁等传统材料。随着铝合金发动机的应用， 大大减轻了整车的重量，发动机作为汽车的心脏，重量约占整车重量的三分之一， 其性能和重量直接关系到汽车的价值。国内铝合金缸体的工业化生产发展缓慢主 要受制于三个方面：缸体材料性能达不到要求，铸造工业化生产工艺不成熟，生 产装备落后。本文研究的重点，就是要解决基于低压铸造、冷芯盒组芯造型工艺 下的缸体材料的问题。 本文主要研究了冷芯盒组芯造型工艺，低压铸造，以及在此工艺基础上的合 金成分的调整及优化： 1 、在熔体净化过程中采用旋转喷气装置吹入气，使熔体纯净度大大增强， 炉前检测密度当量大大降低；造型方面采用先进的冷芯盒组芯造型工艺，代替传 统砂箱，所有形状均由砂芯组合而成，直接浇注成型。砂芯尺寸精度好，达到 5 0 0 m m _ + 0 2 m m ，组芯之间的间隙达到0 1 5 r a m 。与金属型相比，其成本降低 1 0 一2 0 ，而且有利于大批量生产，大幅提高生产效率。浇注方式采用低压铸造 底注式浇注，低压铸造解决了重力铸造中浇注系统充型和补缩之间的矛盾，避免 了气孔夹杂等缺陷，铸件品质大大提高。 2 、在铝合金中添加质量分数不同的n i 、c r 、z n 、m n 四种合金元素，经正交 试验，利用加权综合评价值y 木作为合金综合力学性能的评价值，分析表明n i 和 c r 对铝合金的综合性能y 奎的影响较为显著。经过验证分析得出：n i 、c r 、z i i 、 m n 四种合金元素的最佳配比为n i o o z o 0 3 c r o 0 1 5 - o o z s z r l o 枷4 m n o 0 4 5 一。加，平均的抗拉 强度达到2 0 5 7 m p a ，平均延伸率6 为2 2 5 。 在组织方面，铸态组织中圆整的亮白色a 1 2 c u 相在水淬+ 时效处理时能溶入q 固溶体中，时效过程中析出，使合金强化。而n i 、c r 、z n 元素形成的复杂的灰白 色短棒状或粒状组织相，其主要成分为为a i ( m n c u f e ) s i 五元化合物，中和了 f e 的有害作用，减少了对组织的割裂，从而使合金的力学性能提高。 3 、通过对比不同热处理方式，经过水淬+ 时效方法处理的合金抗拉强度明显 提高，合金的抗拉强度性能平均达到2 6 0 m p a 以上，对铝合金的力学性能的改善具 i 微合金元素及铸造热处理工艺对铝合金发动机缸体组织和性能的影响 有很大的作用。水淬+ 时效处理后，所添加的微量元素新生成的相都趋于圆整、均 匀及析出呈弥散分布。其中添加c r 形成的相大部分都溶解到a ( a b q 口，析出富c r 的相为弥散质点，起到一定的弥散强化作用；z n 主要是以固溶体的形式存在于合 金当中，能促进a 1 2 c u 相的弥散化分布。 关键词：冷芯盒，组芯造型，低压铸造，微合金化，正交试验，抗拉 强度，微观组织，水淬+ 时效 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m o b i l ei n d u s t r yi sm o v i n gi nl i g h t w e i g h t ，h i g h - s p e e d ，c o m f o r t ，e n e r g ys a v i n g ， l o w - e m i s s i o nd i r e c t i o n ，a n da l li n c r e a s i n gn u m b e ro fc a l 8u s i n gh i g h p e r f o r m a n c e a l u r n i n u mt o r e p l a c es t e e l ，i r o n a n do t h e rt r a d i t i o n a l m a t e r i a l s a l o n g 谢t h t h e a l u m i n u ma l l o ye n g i n e sa p p l i c a t i o n ，i tr e d u c e dt h ew h o l ev e h i d e sw e i g h tg r e a t l y t h e e n g i n ea st h eh e a r to ft h ec a r 9i tw e i g h t sa b o u to n e t h i r do ft h ev e h i c l e i t sp e r f o r m a n c e a n dw e i g h ti sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ev a l u eo ft h ec a ld o m e s t i ci n d u s t r i a lp r o d u c t i o no f a l u m i n u mc y l i n d e rd e v e l o p ss l o w l yb e c a u s eo ft h r e em a i ns u b j e c ta r e a s ：t h ec y l i n d e r b o d ym a t e r i a lp e r f o r m a n c ec a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，t h ec a s t i n gi n d u s t r i a l i z a t i o n t e c h n i q u eo fp r o d u c t i o ni sn o tm a m m ，a n dt h ep r o d u c t i o ne q u i p m e n t sa t eb a c k w a r d t h ek e yp o i n to ft h i sa r t i c l ei st os o l v et h eq u e s t i o n so fm a t e r i a l sb a s e do nt h el o w p r e s s u r ec a s t i n ga n dc o l d - b o xc o r ea s s e m b l ym o l d i n gt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l em a i n l ys t u d yc o l d - b o xc o t ea s s e m b l ym o l d i n gt e c h n o l o g y , l o w p r e s s u r ec a s t i n ga n dt h ea d j u s t m e n ta n do p t i m i z e so fa l l o y i n gc o n s t i t u e n t s ： 1 i nt h ep r o c e s so fp u r g i n gf o n d a n t ，b l o wt h ea r g o nt ot h ef o n d a n t 谢t l lf a c i l i t yo f s p i n n i n gr o t o rd e g a s s i n g ，i tc a ni m p r o v ef o n d a n t sd e g r e eo fp u r i t yg r e a t l ya n dd e c r e a s e t h ee q u a ly i e l dd e n s i t yb e f o r ep o u r i n g a d v a n c e dp r o c e s so fc o l d - b o xc o r ea s s e m b l y m o l d i n gt e c h n o l o g yi su s e di nt h em o d e l i n gp r o c e s s ，r e p l a c e st r a d i t i o n a ls a n db o x ，a l l s h a p e sa r ea s s e m b l e dw i mc o r es a n da n dp o u r i n gd i r e c t l y t h es i z ep r e c i s i o no fc o t e s a n di sg o o d ，r e a c h5 0 0 r a m _ + 0 2 m m ，t h ec l e a r a n c eo fc o r es a n dr e a c h e da b o u t 0 1 5 r a m c o m p a r ew i t ht h em e t a lm o l d ，i t sc o s tr e d u c t i o n1 0 一2 0 ，m o r e o v e ri sa d v a n t a g e o u s t ot h ep r o d u c t i o ni ne n o r m o u sq u a n t i t i e sa n di tr a i s e st h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yl a r g e l y p o u r i n gp r o c e d u r ei sl o wp r e s s u r ec a s t i n ga n dp o u r i n gf l o r at h eb o t t o m ，i ts o l v e s c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h em o l df i l l i n go ff e e ds y s t e ma n dt h ef e e d i n gi ng r a v i t yc a s t i n g p r o c e s s i ta l s oa v o i dp o r ea n di n c l u s i o n ，t h ec a s t i n gq u a l i t ye n h a n c e sg r e a t l y 2 i n c r e a s e sd i f f e r e n tq u a l i t ys c o r eo fn i ，c r , z n ，t h em nf o u rk i n d so fa l l o y i n g e l e m e n t si nt h ea l u m i n u ma l l o y b yt h e o r t h o g o n a lt e s t ，u s i n gt h ec o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o no ft h e w e i g h t e dv a l u eo fy 毒a st h ee v a l u a t i o n o ft h e c o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c eo fa l l o y s ，a n a l y s i ss h o w e dt h a tn ia n dc ra f f e c t e dt h em o s t ，o b m i n sa f t e r t h ec o n f i r m a t i o na n a l y s i s ：t h eo p t i m a lr a t i oo ft h ef o u rk i n do fa l l o y i n ge l e m e n tn i ，c r , z n ，m ni sn i o 0 2 , - o 0 3 c r o 0 1 5 , , 0 0 2 5 2 1 1 0 2 , - o 4 m n o 0 4 5 - 0 6 0 t h ea v e r a g et e n s i l es t r e n g t ho bi s 2 0 5 7 m p a ，t h ea v e r a g eo fe x t e n s i b i l i t y6i s2 2 5 微合金元素及铸造热处理工艺对铝合金发动机缸体组织和性能的影响 s t r u c t u r ea s p e c t , i nt h ec a s ts t r u c t u r et h ea 1 2 c up h a s ew i l lb ei n t e g r a t e di n t ot h e a - s o l i ds o l u t i o ni nt h es o l u t i o nt r e a t m e n t ，a n dw i l lb ep r e c i p i t a t e do u ti nt h ea g i n g p r o c e s s ，t h u ss t r e n g t h e n e dt h ea l l o y a n dn i ，c ra n dz ns h o r tr o d - l i k eo rg r a n u l a rg r a y c o m p l e x c o p h a s e ，t h e m a i nc o m p o n e n ti s a l ( m n c u f e ) s i f i v ek i n d o fe l e m e n t c o m p o u n d ，c a nn e u t r a l i z et h eh a r m f u le f f e c t so ff e ，i tr e d u c et h ee f f e c to fs e p a r a t i o no f t h es t r u c t u r e ，a n di m p r o v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 3 b yc o n t r a s t i n gd i f f e r e n tw a y so fb e a tt r e a t m e n t ，w a t e rq u e n c h i n ga n da g i n g m a k et h ea l l o yt e n s i l es t r e n g t hr a i s e do b v i o u s l y t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ea l l o yc a n r e a c ha b o v e2 6 0 m p aa n di th a sam a i ne f f e c tt ot h ea l u m i n u ma l l o ym e c h a n i c a l p r o p e r t i e s i m p r o v e m e n t a f t e rq u e n c h i n ga n da g i n g ，t h en e wp h a s e so fa l lt h e m i c r o e l e m e n ta p p e n d e da r et e n dt or o u n du p ，u n i f o r ma n dp r o m o t ed i s p e r s i o no ft h e d i s t r i b u t i o n t h o s ep h a s e sw h i c hf o r m e db ya d d i n gc ra r em o s t l yd i s s o l v e di n t ot h e 吣卸，a n dt h ep r e c i p i t a t i o no fc rp h a s ei st h ed i s p e r s e dp a r t i d ep h a s e ，p l a y i n gac e r t a i n r o l ei nt h ed i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n g z ni sm a i n l yi nt h ef o r mo fs o l i ds o l u t i o n se x i s ti n t h ea l l o yw h i c hc a l lb et op r o m o t ed i s p e r s i o no ft h ed i s t r i b u t i o na 1 2 c up h a s e k e yw o r d s ：m i c r o a l l o y i n g ；c o l d - b o xc o r e ；a s s e m b l ym o l d i n g ；l o w p r e s s u r ec a s t i n g ；w a t e rq u e n c h i n ga n da g i n g ；o r t h o g o n a lt e s t ； t e n s i l es t r e n g t h ；m i c r o s t m c t u r e ； i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 课题的背景及意义1 1 1 1 国内外铝合金发展状况对比2 1 1 2 全铝发动机的发展趋势3 1 2 全铝发动机缸体的铸造技术4 1 2 1 采用c o s w o r t h 法生产汽车发动机铝缸体4 1 2 2 压力铸造。5 1 2 3 低压铸造5 1 2 4 采用消失模铸造生产汽车发动机铝缸体6 1 3 铝合金材料。7 1 3 1 铝合金的分类及其性质7 1 3 2 铝合金的研究现状及展望1 0 1 4 铸造铝硅合金的强化1 1 1 4 1 铸造铝合金的化学成分的优化1 1 1 4 2 熔炼过程中熔体处理技术1 3 1 4 3 热处理强化1 4 1 5 本文主要研究的目的和内容1 6 第二章试验的材料及试验方法1 7 2 1 实验原辅材料。1 7 2 2 实验设备1 8 2 3 实验工艺流程1 9 2 3 1 合金熔炼1 9 2 3 2 合金热处理2 0 2 3 3 力学性能试验。2 0 2 3 4 缩孔及缩松的测试2 1 2 3 5 光谱检测2 2 2 3 6s e m 分析2 3 第三章铝合金发动机缸体铸造工艺的应用研究 3 1 铝合金的熔炼工艺的研究2 4 3 1 1 铝合金熔炼的目的、特点及操作工艺规程2 4 v 徼 3 2 3 3 第四章 4 1 4 2 4 3 第五章 5 1 5 2 热处理工艺对合金微观组织的影响5 4 5 2 1 合金的微观组织形态5 4 5 2 2 合金中n i 元素对微观组织的影响5 5 5 2 3 合金中c r 元素对微观组织的影响5 7 5 2 4 合金中z n 、m n 元素对微观组织的影响。5 8 5 2 5 热处理工艺对试棒断口形貌的影响5 9 5 3 本章小结6 0 第六章结论 参考文献 致谢 硕士期间发表论文 v i 6 l 6 3 硌 6 6 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 现代工业和铸造新技术的不断发展，使得社会对铸造铝合金的需求量越来越 大。以汽车制造业为例【1 l 近几十年来，能源问题日益突出，降低汽车油耗成为各 国汽车制造商提高产品竞争力的关键。研究统计表明：轿车每减重1 0 ，油耗可 降低8 一1 0 ：而1 6 2 0 t 的卡车每减重l o o o k g ，油耗降低6 一7 ，可见减轻车 重可明显提高燃油效率。汽车质量非常有效。有资料显示1 2 】，整车质量减少l o o k g ， 每英里就能节约燃油0 7 3 l 。如果轿车质量减少l o o k g ，那么1 4 l 发动机就能如 同1 6 l 发动机一样提供足够动力。为此，各大汽车生产厂家纷纷采用铝合金来代 替钢铁材料，以达到减重的目的，当前发达国家平均每辆汽车用铝量已经达到 x 4 0 k g ，且每年以2 0 一3 0 的速度递增p 4 1 ，而随着社会经济的飞速发展以及人们 生活水平的不断提高，世界汽车工业正面临越来越严峻的三大课题：能源，环保， 安全。资料表明1 5 】，世界原油产量的4 0 消耗于交通车辆的运行，并且矿物燃料燃 烧放出的二氧化碳中有1 5 是由汽车尾气造成的。而随着铝合金的应用，大大减 轻了整车的重量，从而每少用1 升燃料，不但可以减少2 5 k g c 0 2 的排放量，同时 氮化物、硫化物等的排放量也会相应减少。对工业化社会的节能减排有着重要意 义。在满足乘客的舒适与安全的前提下，减轻汽车整体重量：一是优化结构设计， 在满足乘客舒适度和正常使用的条件下采用最轻的设计；二是采用轻质材料来减 轻整车的重量，常见材料有铝、镁、塑料等，然而从安全性上考虑，铝成为汽车 制造业的首选。使用铝合金缸盖和缸体可显著提高发动机和汽车的性能，还可使 发动机的重量减轻。 铝合金的导热性能较灰铸铁强，所以作为发动机可以使其更好地散热，防止 工作过程局部过热。铝合金中，铝硅合金是其中重要的一个系列，由于其具有比 重小，比强度高，良好的铸造性能，耐腐蚀性能优良，因其这些优点，铝硅合金 被广泛应用于航空航天、汽车、机械等领域，用来生产形状复杂、薄壁、耐蚀、 气密性要求高、承受中高静载荷或冲击载荷【6 】。 微合金元素及铸造热处理工艺对铝合金发动机缸体组织和性能的影响 1 1 1 国内外铝合金发展状况对比 目前，欧美发达国家轿车中的铝合金用量已经从1 9 9 0 年代占车重的5 5 提高 到目前的1 5 以上，这使得整车重量相应下降了2 0 ；2 0 0 7 年欧、美、日生产的 轿车发动机中9 5 以上的缸盖均为铝制，铝合金缸体的使用率也已经超过5 0 。 在国外，全铝发动机已经在大量的车型上被采用，并且从原来的高中档轿车向经 济型桥车拓展。例如罗孚的k 系列发动机，宝马的m 5 2 直列六缸发动机，日产的 v q 发动机，捷豹的a j v 8 发动机、奔驰的v 6 和v 8 发动机、通用的l s l 和北极 星v 8 发动机、标致的2 升四缸发动机和通用的新型直列四缸发动机等等都是采用 铝合金制造 7 1 。奔驰公司开发的微型轿车用o m 6 6 0 共轨直喷柴油机( 排量0 7 9 9 l ) ， 采用s i c u 系列的g d a i s i 9 c u 3 压铸铝；日本“丰田”开发的s u v 车用a z 系列汽 油机( 排量2 0 l 和2 4 l ) 的机体也是用压铸铝制造的。g d - a i s i 9 c u 3 压铸铝的密度 为2 7 5k g c m 3 ，仅为铸铁的3 0 左右，可见减重的幅度较大。据2 0 0 4 年7 月报道， 在墨尔本港霍顿最先进的发动机工厂，全铝合金3 6 升v 6 发动机已问世。这种取 名为 a u o y t e cv 6 ”( 合金技术v6 ) 的顶尖发动机，也被装备到上海通用汽车从霍顿 引进生产的行政级高档轿车别克荣御上。福特蒙迪欧2 5v6 也采用福特最新一代 的d u r a t e c2 5v 6 发动机，由一级方程式动力名厂c o s w o r t h 提供，采用v 型六缸 设计，顶置双凸轮轴，全铝合金材质【明。 国内铝合金缸盖生产技术相对稳定，铝合金缸体的工业化生产尚处探索价段， 自主知识产权全铝发动机任重道远。国内在高性能全铝发动机的开发使用方面还 与国际水平存在着较大的差距。国产发动机的铝合金缸盖的使用率为7 0 左右， 铝合金缸盖大都采用砂型或金属型重力铸造工艺，生产技术相对稳定和成熟。而 铸造铝合金缸体的工业化生产几乎为零，尚处起步价段【9 】。目前奇瑞等国产品牌车 也开始了全铝发动机的开发和研制。国内的许多小排量发动机也逐步采用全铝发 动机，如国产铃木系列的发动机g 1 3 、k 1 4 等。甚至包括一些国产发动机也采用 铝合金材质了，最著名的就是东安动力开发的4 6 8 发动机，这款发动机被配备在 哈飞路宝和昌河爱迪尔上，获得了很大的成功【1 0 。1 1 l 。 2 大学硕士学位论文 传统的发动机无论是缸体还是缸盖材料都是采用铸铁。起初，灰铸铁由于具 有良好的铸造工艺性能和机械性能，优越的耐磨性、减震性，而且生产方便，价 格便宜，自然成为汽缸体的首选材料。即使在今天，灰铸铁仍然在汽缸体中占有 很高的比例。灰铸铁特别适合于用作汽缸体的材料，但其密度高达7 2 9 c m 3 。近 年来，随着现代科学技术的进步和对节能要求的提高，对汽车发动机缸体材质的 要求愈来愈高，于是能提高性能、减轻质量、降低能耗及降低成本的高强度铝合 金发动机缸体逐步占据市场。显然灰铸铁在发动机轻量化方而的竞争能力十分有 限，铝合金从总体性能来看，为轻金属汽缸体提供了最优越的条件，铝合金汽缸 体与灰铸铁相比，其质量大约可减轻3 0 ，铝合金铸件与铸铁件的重量对比见表 】1 。 表1 1 铝铸件和铸铁件的重量对比表( 单位：k g ) t a b l e l 1t h ew e i g h ts y n o p s i so f a l u m i n u mc a s t i n ga n di r o nc a s t i n g 随着世界各国对环境的保护方面越来越重视，节能减排成为各国共识，而世 界汽车使用量越来越多，促使各大汽车制造商研发更为节能，更为环保的新型汽 车。而在节能方面，汽车的整车重量的减少成为汽车节能的重要手段之一。因此 现代汽车工业正朝着轻量化、高速、舒适、节能、低排放的方向发展，越来越多 的汽车采用高性能的铝合金替代钢、铁等传统材料。全铝发动机可减轻发动机的 重量，高硅铝合金材料还具有导热性能好、抗疲劳强度高、耐磨性好、抗缸孔变 形能力强等优点，符合了现代汽车的发展趋势。采用高性能全铝制发动机，已经成 为体现轿车技术水平的标志之一。 汽车诞生已有百年，现在全世界有6 亿7 千万辆汽车在服役之中，而且全球 汽车保有量正以前所未有的势头在增加。全球汽车的总产量1 9 5 0 年为1 0 0 0 万辆， 1 9 9 8 年为5 1 9 0 万辆。2 0 0 5 年全球汽车产量为6 7 1 0 万辆，其中：中国以5 6 0 万辆 位居第四位。2 1 世纪，亚洲对汽车需求的增长将位于世界之首。据分析，亚洲地 3 微合金元素及铸造热处理工艺对铝合金发动机缸体组织和性能的影响 区汽车需求量每年将平均增长7 ，大大高于世界平均增长速度。而中国是世界 上最大的潜在的汽车消费市场，中国必将成为世界最大的汽车工业国家之一【1 2 1 。 因此，中国的各大汽车制造厂商也在逐步采用铝合金发动机缸体用来替代灰铸铁 发动机，铝合金发动机也将成为汽车行业中发动机的发展方向。 1 2 全铝发动机缸体的铸造技术 国内铝合金发动机缸体的工业化生产进展很缓慢，之所以缓慢不前，主要受制 于缸体材料性能不高和生产工艺不成熟、生产装备的落后。由于铝合金发动机缸 体结构复杂，目前通常情况下用铸造方法成型。铝合金缸盖，大都采用砂型或金 属型重力铸造工艺，生产技术相对稳定和成熟。其开发研究重点主要集中在提高 材料性能以及提高缸盖的制造精度方面。铝合金缸体的制造，相对而言要复杂得 多，工业化生产方法目前仍处于探索、改进和完善阶段。目前铝合金缸体的生产 方法主要有压力铸造、金属型重力铸造、c o s w r o t h 工艺、消失模工艺和精确砂型 重力铸造等【1 3 1 。 1 2 1 采用c o s w o r t h 法生产汽车发动机铝缸体 英国b i r m i n g h a n 大学的j c a m p b e l l 教授发明的c o s w o r t h 法( 即冷芯盒砂芯 组芯造型) ，其工艺特点如下【1 甜8 1 ： 1 ) 采用锆砂作原砂，其耐火度高，蓄热系数大，冷却速度与金属型相当，铸 件能生成细密的树枝状晶粒，与传统砂型铝铸件相比，材质抗拉强度提高3 倍， 延伸率提高1 倍。 2 ) 铝液在惰性气体保护下熔化、精炼、输送、浇注，铝液纯净，基本上没有 氧化夹杂物，气孔率仅为0 0 1 - 0 0 0 1 ，而传统的铸造工艺生产的铸件气孔率大 约为0 1 。 3 ) 铸型在可控压力的气氛下，由计算机通过改变励磁电流的大小控制电磁泵 的浇注速度，其控制精度远高于气压式的低压铸造，加之铸件在可控压力下结晶 凝固，所得铸件的组织性能优良，铸件缺陷少，属于精密砂型铸造工艺。 4 ) 全部采用锆砂砂芯，采用冷芯盒制芯，砂芯尺寸精确，组芯精度高，铸件的 4 江苏大学硕士学位论文 尺寸精度高，表面粗糙度r a 一般为5 3 1 u n ，铸件比普通砂型铸件质量轻1 0 - - 2 0 。 5 ) 旧砂采用热法再生循环使用，原砂的损失率仅为1 5 。 6 ) 生产过程循环闭式进行。铸件的余热得到回收利用，是典型的绿色铸造工艺。 7 ) 金属利用率高，可达8 0 - - 9 0 ，而金属型重力铸造或普通砂型铸造利用 使用率仅5 5 。 8 ) 铸件废品率( 缸体) 仅5 ，而金属型重力铸造或普通砂型铸造废品率高 达1 0 以上。 9 ) 铸造生产过程中的“三废”得到充分利用，旧砂再生回用、废气净化、废液 和废渣经处理后再利用，是未来铸造生产的发展模式。 1 2 2 压力铸造 压力铸造是一种在压力机高压柱塞高压作用下，使合金液高速进入金属型( 模 具) 型腔内充型并凝固冷却的快速铸造方法。 压力铸造的优点是：铸件的尺寸精度、表面光洁高，含气量很少，组织致密， 晶粒较细，机械性能好，无须机械加工即可装配，而且最小壁厚可达0 3 m m ，适合 于铸造薄壁铸件和大批量生产。国外已经将压铸机电脑化，从融化、计量控制溶液 温度、压铸机的打开和闭合以及取件都实现了无人操作，大大提高了生产效率。 压力铸造的缺点是：不能生产大型复杂结构形状的铝合金铸件，而且模具设 计制造周期长，成本高，压铸件不能通过热处理来强化。对小批量甚至中批量的 铝合金铸件排不上用场。 近十多年来，国外在开发真空压铸、充氧压铸、双冲头压铸等新的压铸技术方 面取得了一些进展。我国在此期间，由于家电业的蓬勃发展，引进了不少高校自 动化压铸机，在压住技术和模具设计、制造技术方面都取得了进屣1 4 1 。 1 2 3 低压铸造 低压铸造，在我国和日本等地都叫低压铸造，而在欧洲则叫l o wp r e s s u r ed i e c a s t i n g 或s c h m i d tp r o c e s s 。它是介于压力铸造和重力铸造之间的一种新型的铸造 方法。也可以考虑为压力铸造的一种。概言之，这种方法就是用比较低的空气压 力作为注入合金液的手段，在与重力相反的方向，把合金液推( 压) 上铸型，进 5 微合金元素及铸造热处理工艺对铝合金发动机缸体组织和性能的影响 行浇注的铸造方法。铸造原理见图1 1 【1 5 1 图1 1 低压铸造原理图 f i g 1 1l o wp r e s s u r ec a s t i n gs c h e m a t i cd i a g r a m 低压铸造在1 9 1 0 年1 9 1 1 年开始发明出来，由于初始阶段遭遇失败，沉寂多 年，知道1 9 4 5 年二战后，才开始作为铸造业的一个全新领域而受到世界各国的重 视。在我国，还只有十多年的历史，但是现在国外已经把它作为铝合金的一种主 要铸造方法。低压铸造之所以受到欢迎，和重视，以为它有下述诸多优点：原材料 利用率极高，融化费用少；能得到健全合格的铸件；能够获得很纯洁的铸件；尺 寸精度表面光洁度好；对大多数铸件根本不需要冒口，只需要很简单的直浇道兼 内浇道，因而切断省事，耗功少；能在很广的范围内任意调节浇注速度，可以铸 造结构复杂的铸件；低压铸造可以使用多种铸型，金属型、树脂砂型、石墨铸型、 石膏铸型等都可以配套使用【1 4 1 。 基于以上诸多优点，压力铸造应该在我国大力推广应用和进一步发展。 1 2 4 采用消失模铸造生产汽车发动机铝缸体 消失模铸造( 即实型铸造) 和c o s w r o t h 法相似，能够克服压铸铝缸体的两个 主要不足，但工艺也相对复杂，生产效率较低。美国铸造协会( a f s ) 的专家认为， 消失模铸造技术从发明至1 9 9 0 年经历“技术革新期”，此后经过“技术成长期”，在 2 0 1 0 年达到”技术成熟期“。消失模铸造可以生产出薄壁、零度起模斜度的复杂铸 件，并可直接铸出螺纹及曲折的通道，可减少机械加工量及加工工序。随着产品 精密化、轻量化、集成化要求的发展，开发新型轻合金消失模铸造专用设备极为 关键，原辅材料和专用装备的技术水平需要更为先进【1 9 1 。 6 江苏大学硕士学位论文 以上铸造方法较为先进，为世界知名汽车厂应用较为普遍的铸造方法。世界 著名汽车厂铝合金缸体、缸盖所用的铸造工艺，见表1 2 1 2 0 。 表1 2 世界著名汽车厂生产铝合金缸体、缸盖所用的铸造工艺 t a b l e l 2t h e f o u n d r yt e c h n o l o g yu s e df o rp r o d u i n ga l u m i u ma l l o yc y l i n d e rb o d ya n dc o v e ro f s e v e r a lf a m o u sa b r o a dc a r - m a d ep l a n t s 公司名称 铸造方法g m f o r dd a i m l e rv w t o y o t a n i s s a nh o n d ar e n a u l c h r y s l e r t 高压压铸 bbb 中压压铸 低压压铸 h 金属型铸造 h 湿型铸造 h c o s w r o t h 铸造 b 实型铸造 b h 精确砂型铸造 bb hhb h h h b hh 注：b 为缸体：h 为缸盖 1 3 铝合金材料 1 3 1 铝合金的分类及其性质 铝的密度小，塑性高，比强度( 抗拉强度和密度的比值枷) 高，具有优良 的电性能和热性能，表面有致密的氧化膜保护，抗腐蚀性能好，容易铸造和回收 再生。人们利用其上述特性，以它为基体，在其中加入少量其他金属或者非金属元 素，开发出多钟可以铸造和压力加工的铝合金，使其比纯铝具备更好的使用性能。 因此铝及铝合金在工业上占有非常重要的地位，大量用于军事、工业、农业和交 通运输等领域，同时也广泛用作建筑结构材料、家庭生活用具和体育用品等。常 用的铸造铝合金分砧s i 系、舢c u 系、a 1 m g 系、砧盈系、r e 系列，而我们 制造汽车发动机缸体的铝合金为s i 系合金。s i 系合金，是以硅为主要添加 元素，具有优良的铸造性能( 流动性好、气密性好、收缩率小和热烈倾向小) ，经 变质处理和热处理后，具有良好的力学性能( 强度高) 、物理性能( 热膨胀系数小) 、 7 微合金元素及铸造热处理工艺对铝舍金发动机缸体组织和性能的影响 耐蚀性和耐磨性，是铸造铝合金中用途最广、品种最多的一类合金。 这类合金常用的共有1 8 个牌号，从图1 2 中可以看出，s i 二元相图共晶成 分含硅量是1 2 6 。当含硅量达到1 0 1 3 时，其流动性优越，适合铸造薄壁， 投影面积大的铸件，但是合金力学性能差，工业上应用很少。 甜 皇 二 乏 复 量 0 图1 2 铝硅合金相图 f i g 1 2t h ep h a s ed i a g r a mo f - s ia l l o y 本文主要研究适合于铸造发动机缸体的铝合金，适合于铸造发动机缸体的铝 合金牌号见表1 3 ，基于标准牌号的铝合金各成分含量，铸造合金的力学性能见表 1 4 【2 1 1 。 表1 3 铸造铝合金的牌号、化学成分和杂质允许含量 t a b l e l 3c a s ta l u m i n u ma l l o yg r a d e s ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n di m p u r i t yc o n t e n ta l l o w e d 江苏大学硕士学位论文 表1 4 铸造铝合金的力学性能 t a b l e l 4m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l u m i n u ma l l o yc a s t i n g 合金代合金状 铸造方法 号 态 力学性能之 抗拉强度 伸长率胬( ) 布氏硬度瑚珞 o b m p a ( 5 2 5 0 3 0 ) s 、j 、r 、k f jt 1 z l l 0 4 s b 、r b 、k bt 6 j 、j b t 6 z l l 0 7 z l l 0 8 f t 6 f t 6 1 4 5 1 9 5 2 2 5 2 3 5 1 6 5 2 4 5 1 9 5 2 7 5 2 1 5 2 2 2 2 2 2 5 5 0 6 5 7 0 7 0 6 5 9 0 7 0 1 0 0 t 11 9 585 t 62 5 5 9 0 注：s 一砂型铸造：j 金属型铸造；r - 熔模铸造；k - 壳型铸造；1 3 - 变质处理；f - 铸态；t 1 人工时效；1 任固溶处理加完全人工时效 在应用方面，z l l 0 4 因其共晶体量多，又加入了m n ，抵消了材料中混入的f e 有害作用，有良好的铸造性能和优良的气密性、耐蚀性，焊接和切削加工性能也 比较好，但耐热性能较差，适合制作形状复杂、尺寸较大的有较大载荷的动力结 构件，如汽缸盖、汽缸套等零件，主要用压铸，也多采用砂型和金属型铸造。z l l 0 7 具有优良的铸造性能和气密性能，力学性能也较好，焊接和加工性能一般，抗蚀 性能稍差，适合制作承受一般动负荷或静负荷的结构件及有气密性要求的零件。 多用砂型铸造。z l l 0 8 由于含s i 量较高，又加入了m g 、c u 、m n ，使合金的铸造 性能优良，并且膨胀系数小，耐磨性好，强度高并具有较好的耐热性能。但抗蚀 性能低。适合制作内燃机发动机的活塞及其他要求耐磨的零件以及要求尺寸、体 积稳定的零件。主要采用压铸和金属型铸造，也可采用砂型铸造。 9 g j g j j j j 微合金元素及铸造热处理工艺对铝合金发动机缸体组织和性能的影响 1 3 2 铝合金的研究现状及展望 砧s i 系铸造铝合金具有质轻、铸造性能好、收缩率小，热裂敏感性低，加工 性能优良和价低等一系列优点。目前，国内外应用比较广泛的亚共晶灿一s i 合金 为a 3 5 7 ，该合金是5 0 年代末期由美国c r o n 和z e u c h 研制成功。随着现代工程 结构中铝合金铸件大型化、复杂化、耐蚀性、耐高温和高强化 的需要，研制开发出新型高强度铸造s i 合金成为近年来研究的焦点1 2 2 - 1 6 1 。研究 开发具有高强高韧等特种功能的新材料也是今后铸造铝合金发展的一个方向。如 美国正在研究的利用快速凝固的微晶合金，由于具有极细的显微结构，不仅强度 和耐疲劳性能好，而且还具有一定的韧性，其工艺性能也较好阳。 铸造铝硅