（材料学专业论文）alsi系铸造高强度铝合金的制备技术研究.pdf

北京交通人学倾l 学位论空中义摘要中文摘要轻量化是我国高速列车发展的关键技术之一。我国很多铁路车辆的关键零部件，由于结构尺寸大且形状复杂，目前仍然采用传统的钢铁材料，使得车辆具有较大的自重，成为阻碍我国高速列车技术进步的一种障碍。因此，刀= 发出能够替代现有钢铁材料的新型轻质高强材料具有重要的理论和实际意义。铝合金以其比重小、比强度高等性能优点，成为实现轻量化技术的首选材料。在各类铸造铝合金中，a 1 s i 系合金因具有优良的铸造性能，如流动性好，收缩率和热裂倾向小，经过变质和热处理后可具有良好的力学性能，耐蚀性能和机加工性能，成为用途最广的铸造铝合金。然而传统铸造a l s i 合金的强度和韧性难以满足列车关键零部件的使用要求。特别是采用传统的铸造方法，由于成型质量和铸造缺陷等问题，也难以满足铁道车辆关键零部件对材料性能和成型质量的要求。本文以a l - s i 系铸造铝合金中典型的a 3 5 6 合金为基础，在不改变其化学组成，并且不添加任何变质细化剂的前提下，通过采用真空调压铸造成型方法，合理改进浇铸系统，选择合适的熔体浇注温度，配合真空搅拌除气措施，使铸件在真空下充型，压力下凝固，减少气体，提高致密度，孔隙率最低可达0 0 3 ，由此可使a 3 5 6 铸造铝合金的铸态抗拉强度达到2 3 0 m p a ，比传统砂型重力铸造的铸态抗拉强度提高近5 0 。本文还研究并优化了a 3 5 6 铸造铝合金合金的熟处理工艺。结果表明：最佳的热处理工艺为5 4 5 固溶1 4 h 保温+ 1 6 0 时效1 0 h 保温，固溶淬火介质为7 08 0 热水。经过t 6 热处理后，a 3 5 6 合金的抗拉强度最高可达3 3 5m p a ，比传统砂型重力铸造的抗拉强度提高2 4 ，延伸率仍保持在3 。分析表明：致密度对力学性能影响显著，随着致密度的提高，材料力学性能随之提高：合理的热处理工艺可显著改善基体组织，进一步提高材料的力学性能。本文以传统的a 3 5 6 合金为基础，通过改进制备技术获得了高的力学性能，为我国高速列车关键零部件轻量化的选材和生产提供了重要的技术基础关键词：a 3 5 6 ；真空调压成型；孔隙率；t 6 热处理；轻量化材料分类号：北京交通k 学颂i 学位论义a b s t r a c ta b s t r a c ta b s t r a c t ：w e i i g h tr e d u c t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e sf o rt h ed e v e l o p m e n to fh i g i l s p e e dt r a i ni nc h i n a p r e s e n t l yi no u rc o u n u 了, h o w e v e r ，m o s to ft h ek e yc o m p o n e n t so ft h eh i g h s p e e dt r a i na r em a d eo fi r o na n ds t e e ld u et ot h e i rl a r g ed i m e n s i o na n dc o m p l e xs h a p e ，w h i c hm a k e st h et r a i nh a v eh i 曲w e i g h ta n dl i m i t st h et e c h n i c a la d v a n c e m e n to fh i g h s p e e dt r a i n t h e r e f o r e ，i ti so ft h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oe x p l o r eak i n do f n e wl i g h t e rm a t e r i a lw i mh i g hs t r e n g t ht os u b s t i t u t et h ep r e s e n ti r o na n ds t e e lm a t e r i a l s f o ri t sl o ws p e c i f i cd e n s i t ya n dh i g hs p e c i f i cs t r e n g t h ，a l u m i n u ma l l o yi st h eo p t i m u mm a t e r i a lf o rl i g h t w e i g h t c o m p a r e dw i t ho t h e r s ，t h ea i s is e r i e sh a sb e e nm o s tw i d e l ya p p l i e d , f o ri th a se x c e l l e n tc a s t i n gp r o p e r t i e ss u c ha sg o o df l o w i n gp r o p e r t y ,a i r t i g h t n e s s ，l o ws h r i n k a g er a t i oa n dh e a tc r a c k i n gt r e n d ，a n di tc a l lh a v eg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa f t e rm o d i f i c a t i o na n dh e a tt r e a t m e n ta sw e l la sg o o dc o r r o s i o nr e s i s t a n tc h a r a c t e r i s t i ca n dm a c h i n a b i l i t y h o w e v e r , t h ep r o p e r t i e so f e x i s t i n ga i - s ia l l o yc a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n to fk e yc o m p o n e n t sf o rt h eh i g h s p e e dt r a i n ，a n dt h et r a d i t i o n a lc a s t i n gt e c h n i q u et e n d st om a k em o r ec a s t i n gd e f e c t s i nt h i sp a p e r , p r e p a r a t i o nt e c h n i q u eo f t h et y p i c a la i s ia l l o ya 3 5 6a r ei n v e s t i g a t e dw i t h o u tc h a n g i n gi t sc h e m i c a lc o m p o s i t i o n 硒w e l la st h ea d d i t i o no fa n ym o d i f i e ra n dr e f i n e r t h em a t e r i a li sp r e p a r e dw i t l lv a c u u n la d j u s t a b l ep r e s s u r ec a s t i n gm e t h o d m e a n w h i l e ，t h ec a s t i n gs y s t e ma n dt h ec h o o s i n go fp o u r i n gt e m p e r a t u r eh a v eb e e ni m p r o v e d ，a n dt h ev a c u u m s t i r r i n gm e a s u r e m e n ti sa p p l i e df o rd e g a s s i n g t h e r e f o r e ，t h em e l tf i l l st h em o u l du n d e rv a c u u mc o n d i t i o na n ds o l i d i f i e su n d e ra d j u s t a b l ep r e s s u r e ，r e d u c i n gt h eh a r m f u li n f l u e n c eo fg a st ot h em i n i m a ll e v e l a sar e s u l t ，t h em a t e r i a l sd e n s i t yi sg r e a t l yi m p r o v e dw i t ht h em i n i m a lp o r o s i t yo fo 0 3 a n dt h ec a s tt e n s i l es t r e n g t hr e a c h e s2 3 0 m p a w h i c hi sn e a r l y5 0 h i g h e rt h a nt h a to fa 3 5 6a l l o yp r e p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lg r a v i t yp o u r i n gc a s t i n gp r o c e s s t h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so f a 3 5 6a l l o yi sa l s oi n v e s t i g a t e da n do p t i m i z e di nt h i sp a p e r t h er e s u l ts h o w st h a tt h eo p t i m u mh e a tt r e a t m e n tp r o c e s si s ：s o l u t i o nt r e a t e da t5 4 5 ( 2f o r1 4h o u r s ，a g i n gt r e a t e da t1 6 0 f o r1 0h o u r s ，a n dt h eq u e n c h i n gm e d i u mi sh o tw a t e ro f 7 0 8 0 a l t e rt 6h e a tt r e a t m e n t ，t h et e n s i l es t r e n g t hc a nb e 鹋h i g h 笛3 3 5 m p a , w h i c hi s2 4 h i g h e rt h a nt h a to ft r a d i t i o n a la 3 5 6a l l o yp r e p a r e db yg r a v i t yp o u r i n gc a s t i n gp r o c e s s f u r t h e r m o r e ，i t sd u c t i l i t ys t i l lk e e p sg o o dw i t ht h ee l o n g a t i o no f 3 北京交通人学倾i 。学位硷za b s t r a c ta n a l y s i si n d i c a t e st h a td e n s i t yh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa 3 5 6a l u m i n u ma l l o y t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n c r e a s ew i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h em a t e r i a l sd e n s i t y p r o p e rh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sc a ng r e a t l yi m p r o v et h em i c r e s t m c t u r eo ft h em a t e r i a l ，s ot h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc a nb ef u r t h e ri m p r e v e d b a s e do nt h et r a d i t i o n a la i s ia l l o ya 3 5 6 ，t h eh i l g i ls t r e n g t hi sr e a l i z e dt h r e u g ht h ei m p r e v e m e n to ft h ep r e p a r a t i o nt e c h n i q u e t h es t u d yi n t h i sp a p e rp r o v i d e sa ni m p o r t a n tt e c h n i c a lr e f e r e n c ef o rt h em a t e r i a lc h o o s i n ga n dm a n u f a c t u r i n go fk e yc o m p o n e n t sf o rh i g h s p e e dt r a i nw i t ht h ep u r p o s eo f l i g h t w e i g h t k e y w o r d s ：a 3 5 6 ：v a c u u ma d j u s t a b l ep r e s s u r ec a s t i n g ：p o r o s i t y ：t 6h e a tt r e a t m e n t ；l i g h t w e i g h tm a t e r i a lc l a s s n 0 ：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者躲活姚签字日期：三口0 7 年二月7 日导师签名：讳之0签字日期：2 口。产2 月f 7 同北京交通人产坝i 学位论文独创件声l9 j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和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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己在论文中作了明确的晚明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日致谢本论文是在导师韩建民教授的悉心指导下完成的。在研究生学习期自j ，韩老师渊博的学识、严谨的治学态度、耐心的指导都给我留下了深刻的印象并将使我终生受益。在生活和做人处事上，韩老师也以他的一言一行为我树立了榜样。巍巍师恩，无以言表，在此只能向韩建民教授致以最衷心的感谢和敬意!本课题的顺利完成，与老师李卫京高工对课题工作的热心指导和无私帮助是分不开的，李老师认真负责的工作态度也值得我很好的学习，在此也向李卫京高工表示衷心的感谢与敬意!在课题工作中，王金华教授对笔者的试验工作也提供了许多有益的建议与帮助，对此表示深深的谢意!在实验室工作及撰写论文期间，师兄杨智勇提供了许多建设性的指导，陈跃、王华庆等同学对我的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情特别感谢陈怀君技师对笔者试验工作多方面的支持与帮助!最后，真诚地感谢我亲爱的父母和弟弟，感谢在我硕士学习生活期间给予我无私关怀的各位老师和同学，感谢你们提供的一切便利条件和帮助。j 匕京交通人擘坝i 学位论文绪论】绪论铝及其合金是用途最为广泛的有色金属，其应用范围和规模仅次于钢铁。铝元素在地球上的储量十分丰富，约占地球总重量的8 1 3 ，是铁蕴减总量的一倍多，比其他有色金属储藏量的总和还多，并且我国的铝资源相当丰富。纯铝具有面心立方晶格，无同素异构转变，塑性好，易于加工成型和进行表面处理，并且其比重小( 约2 7 ) ，为铁的3 5 、铜的3 0 ，但比强度高导电与导热性好，还具有较好耐蚀性，已渗透到工业生产的各个领域及闩常生活的各个方面l lj ，例如随着汽车速度的提高，要设法减轻自重以提高整车性能。因此，汽车的大量零部件如发动机的壳体、活塞、轮缎等都采用铝合金制造。同样摩托车与自行车行业中也大量采用铝合金来减轻自重。铝台金在其他行业如印刷机械、电力与电器设备、离心机与铁路机具等都获得了极其广泛的应用。近年来，高速列车、航空、航天、航海等高科技和交通运输工业飞速发展，为了减轻结构重量，提高机动能力和运载速度，世界各国开始大量采用密度小、强度高的高性能铝合金制造构件，如飞机的机翼、蒙皮以及高速列车的复杂零部件。同时，随着近代汽车工业、石油化工、电信工业和原子能及空间技术等新型工业的崛起，铝及其合金的使_ f j 量正在急剧增加，并在国民经济中占有越来越重要的地位。另外，铝及其合金作为金属，具有比塑料、橡胶更易回收的特点，这使它更符合当今世界的环保要求和实现可持续发展的需要。因此，在人们的环保意识日益增强的今天，无疑将更加受到人们的青睐2 1 。近年来，我国高速铁路列车呈现跨越式发展的良好势头，尤其是2 0 0 7 年4 月的全国第六次铁路大提速后，我国铁路既有线路提速干线旅客列车最高运行时速达2 0 0 公里以上，京哈、京沪、京广、胶济等提速干线部分区段可达到时速2 5 0 公里。这标志着我国铁路既有线提速已经迈入世界先进行列在这样的发展背景下，铁路系统对减少线路损害和动力消耗，节约能源以及减少制动系统的负担，降低列车运用能耗和成本等方面提出了越来越高的要求，而轻量化技术则是实现这些目标的可靠和必然途径。有研究表明，列车的轴重由1 6 吨减至1 1 3 吨，运行能耗可减少3 4 i ”，如图1 1 所示。因此，轻量化就成为高速列车发展的关键技术之一。目前，我国铁道车辆零部件主要是采用传统的钢铁材料，而钢铁的密度较大，导致列车的质量较大，不利于高速列车的发展。我国白行设计制造的高速车辆轴重为1 4 5 吨，与日本高速车辆1 1 3 吨的轴重存在较大差距，需要进一步开展轻量化技术研究。因此，从轻量化技术角度而占，开发出一种新型的轻质高强材料来替代现有的钢铁材料成为当务之急。北京交通人学i 晚i ：学位沱义绪论图1 1 日本高速列车轻量化试验结果f i g 1 1w e i g h tr e d u c t i o nt e s tr e s u l t so f j a p a n e s eh i g h - s p e e dt r a i n铝合金的比强度与合金结构钢相当，某些铝合金的强度甚至高于普通结构钢，并已生产出抗拉强度超过6 0 0 m p a 的超高强度高韧铝合金材料。虽然某些铝合金在2 0 0 2 6 0 温度下仍然能保持良好的强度但在高温下，多数铝合金的强度呈大幅下降趋势，然而在摄氏零度以下，随着温度降低，铝及铝合金材料的强度反而会增加，因而能够作为优良的低温金属材料。铝合金具有很高的抗腐蚀性，且北京交通人学坝i ：学位论义绪论无毒性反应，且导热性、导电性高，反光性和热反射性高，是紫外线全波长范围内辐射能和从红外线到可见光谱的极好反射体，而且是热波、电磁波的极好反射体1 4 】。综合考虑各方面利弊，可得出这样的结论：铝及其合会是替代传统钢铁材料的具有最好技术经济效益的轻金属材料。1 1 铸造铝合金概述铸造铝合金是指直接用铸造方法浇注或压注成零件或毛坯的铝合金。其含合金元素的数量比较高，总的质量百分数在8 2 5 范围内，高于共晶温度时固溶体的极限溶解度。一般铸造铝合金铸造性能好，压力加工性能差。而在实际使用中要求铸件具有足够的力学性能。因此，铸造铝合金的成分并不完全都是共晶合金，只是合金元素的含量比变形铝合金高一些。铸造铝合金是铝合金的一个重要组成部分，一般可进行退火、淬火和时效等形式的热处理。i t 晗金) z图1 2 铸造铝合金和形变铝合金f l g 1 2c a s ta l u m i n u ma l l e ya n dw r o u g h ta l a m i n u ma l l o y同变形铝合金相比，铸造铝合金具有工艺简单、价格低廉、组织各向同性、可以获得特殊的组织、可以小批量生产也可以大批量生产等优点，特别是在生产形状复杂的零件时有不可替代的优势。因此，铸造铝合金在各行各业中得到越来北艰空通人学坝i 。学位论文绪论越广一泛的应用。但是大部分的铸造铝合金强度不高，生产过程中极易产生铸造缺陷，如失杂气孔等。因此，近年柬对铸造铝合会的强化机理、铸造工艺的研究广泛受到人们的重视。研究一种具有良好铸造性能的高强铸造铝合余，具有较强的现实意义。目前列入我国国标( g b l l 7 3 1 9 9 5 ) 、航标( h b 9 6 2 7 0 ) 和冶标( y b 一1 4 3 6 5 )的铸造铝合金已有十多种。国标和航标中铸铝牌号均以z l 两字母和三位数字来表示，两字母后的第一位数字表示合金系：l 表示a 1 s i 系，2 表示a i c u 系，3 表示a i m g 系；国标中的4 为a i - z n 系，5 为a i - r e 系；航标中4 为a i r e 系、5 为a l - z n 系合金。袁1 1 常见铸造铝合金的分类与性能特点t a b l e l 1c a t e g o r i e sa n dp r o p e r t i e so f e a s ta l u m i n u ma l l o y分合金名称合金系性能特点类铸造性能好，不能热处理简单铝硅明合金a l s j强化，力学性能较低a 卜一s i m ga 卜一s i c n铸造性能良好，可熟处理特殊铝硅明合金u s i m g c u强化，力学性能较高铸造a l s i m g c u n i铝耐热性能好，铸造性能与合铝铜铸造合金a l c n抗腐蚀性能差金力学性能好抗腐蚀性能铝镁铸造合金a i - - m g好不需热处理就可强化，宜铝锌铸造合金j u z n于压铸铝稀土铸造合金a l r e耐热性能好北京j 通人学碗i ：学位论文绪论航标中按照合会系的性能和特点把铸造铝合会分为血大类：( 1 ) a i s i 类( 5 s i ) ：此类合余机械性能较好，强度、硬度一殷，塑性偏低，但有良好的铸造性能和工艺性能，应用最广，适于多种铸造方法，目前生产中大部分铸造铝合金均属此类合金。一般而占，此系列合金不是高强韧铝合金。但是经过提高纯度、细化晶粒和适当的热处理，也在此类中获碍了高强度镪合会。( 2 ) a i c u 类( 4 c u ) ：此类合金的特点是耐热性好，室温机械性能高，强度、韧性、塑性好，有良好的切削加工和焊接性能。但热裂倾向大，流动性差，补缩困难，因而铸造性能较差，抗蚀性较低，主要作为耐热或高强度铝合会应用，用以承受重大载荷的结构件和耐热零件。( 3 ) a i m g 类( 5 m g ) ：此类合金在大气和海水等介质中有良好的抗蚀性，机械性能也很高，强度、韧性、塑性好，但有一定的应力腐蚀倾向，裂纹倾向大，有自然失效倾向，在长期使用中会因塑性下降而开裂，熔铸工艺也较复杂，易氧化夹渣，废品率较高，限制了它的使用，主要作为耐蚀合金，有时也作为高强度铝合金和装饰用合金。( 4 ) a 1 r e 类：此类合金的特点是耐热性很高，热稳定性能好，主要用作在3 5 0 4 0 0 c 下工作的铸件，但室温机械性能不高，特别是伸长率很低。( 5 ) a i z n 类：其特点是在铸造冷却条件下有“自动淬火 现象，又能自然时效硬化，故可不再进行热处理就可使合金强化。但这类合金的抗腐蚀性能差，密度大，铸造时容易产生热裂，因而应用较少，主要用作压铸仪表之类零件。铸造铝合金自1 9 世纪7 0 年代发展的铝锌合金以来，到2 0 世纪发展了铝铜、铝硅、铝镁合金，目前的新一代铝铜合金的合金化程度更高、综合性能更优良，其机械强度已经由1 9 世纪的1 6 0 m p a 左右，提高到现在的5 0 0 m p a 以上；铝合金的铸造技术已经从1 9 世纪末2 0 世纪初只能铸造形状比较简单、单件重量在1 0 k g以内、壁厚在8 m m 以内、尺寸精度为士2 3 m m 的铝合金铸件，发展到今天可以铸造形状复杂的整体叶轮、大型( 最大尺寸为2 3 m ，重达数吨) 薄壁( 局部壁厚l m m ) 、高精度高强度的铝合金铸件。铸造铝合金的发展已在合金种类、铸造技术、设备等方面取得了惊人的进步，其产量约为社会对铝合金制品需求总量的4 0 左右垆】。在以上各种类型的铸造铝合金中，舢s i 系合会具有优良的铸造性能，如流动性好，收缩率小和热裂倾向小，经过变质和热处理后具有良好的力学性能，物理性能，耐蚀性能、气密性好和加工工艺性能是用途最广的铸造铝合金，其用量占铝合金铸件总产量的8 0 以上，典型的牌号如z l l 0 1 、z l l 0 7 等。因而研究开发基于a i s i 系合金的铸造高强度铝合金具有很强的现实意义。a l s i 合金相图如图1 3 所示。北柬文通人学顾i 学 ! j 论文温度，coz o4 06 08 n1 0 0a it s i ，s i图1 3 铝硅台金相圈n g 1 3d i a g r a mo f a l u m i m m l - # i l i c o na l l o y1 2 铸造铝合金强韧化理论与途径1 2 1 铸造铝合金强韧化理论纯铝和一般铝台金的力学性能不高，不适宜制作承受较大载荷的结构零件，因此需要对其进行强化以获得适合在各种工作环境下使用的具有特定强度性能的铝合金材料。从晶体理论上分析，材料的强化存在两种截然不同的方法。一种方法是尽可能的减少品体中的位错及其他缺陷使晶体接近于理想的完整状态使其强度接近其理论强度，因为完整晶体屈服强度的理论值比实测值要高出二f 倍以上。此时材料变形不能依靠位错运动，滑移而上所有原子必须同时移动，这种滑移需要很大的切应力。从而使材料具有很高的强度。但就目i i f 的技术水平而言，要想佳晶体接近于理想的完整状态还相当困难，特别是对于工程应用的实际零部件更加困难。另一种方法受l i 是反其道而行之，尽量增加晶体够陷，以阻止位错运动来提高金属的强度例如固溶强化、细品强化、第二相强化( 沉淀强化、弥散强化) 和形变强化等l “。目前主要是采用此类方法对铝合会进行强化。实际当中金属抵抗变形的能力主要由位错运动的难易程度决定，所以金届及其合金的强化原则主要是增加其对位错运动的抵抗力。一般而言，金属的强化涉及形变、合金化及热处理相变等基本途径。就乓强化机制而论，又可分为位错强化，晶界强化、固溶骰化和第二相强化等四种堆本方式。北京交通人学坝i 。学位论卫绪论( 1 ) 固溶强化固溶强化是会属材料的重要强化方式之一，金属常通过合会化( 其中一个重要原因是实现固溶强化) 来获得足够高的强度。合盒元素加入纯铝q - 形成铝基固溶体，起固溶强化作用，使其强度增高。根据合会化的一般规律，形成无限固溶体或有限固溶体型合会时，不仅能获得高的强度，而且还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。但应该指出，一般固溶体的晶格畸变程度较低，铝合会化后都形成有限固溶体，如a 1 c u 、a i m g 、a 1 一z n 、a 1 一s i 、a i - m n 等二元合金均形成有限固溶体，并且都有较大的极限溶解度( 见表l 一2 ) ，能起较大的固溶强化效果。在一般铝合金中固溶强化最常用的合金元素是铜、镁、锌、硅、锰，铬、镍等元素。表1 2 常用合金元素在铝中的溶解度( )t a b l e l 2 s o l u b i l i t y o f f a m i l i a r a l l o y i n g a g e n t s i na l u m i n u m元素z nm gc um l i ts ic rf en it i名称极限3 8 0 4 5 0 5 5 0 6 6 0 5 8 0 6 6 0 6 5 5 6 4 0 6 5 5 固溶3 2 81 4 95 6 51 8 21 6 5o 7 70 0 5 20 0 51 o o度室温 o i o ，1时溶22o 2 0皇o o 1 o 1 ，5 0 0 m p a , 6 3 ，是目前强度最高的铸造铝合金材料【3 9 】。z l 2 0 5 a 采用t 5 热处理的强韧性最好，伸长率最高可达1 3 ，已经用于生产多种汽车、飞机和航天器零部件，使用效果良好，随着推广工作的开展，其应用领域还将进一步扩大，并将取得更大的经济效益。北京航空材料研究院吕杰等研制一种与z l 2 0 5 a 成分裙近、韧性特别好的铸造铝合金材料，伸长率达1 9 2 3 ，冲击韧性为1 8 1 3 0 4 k i m 2 。沈阳铸造研究所的李德成等在z l l 0 7 的基础上，通过研究m g 、z n 、c d 等多元微量元素对合金性能的影响，优化微量合金化元素的加入量，使改进后的合金z l l 0 7 a 在金属型铸造，t 5 热处理状态下，曲为4 2 0 4 7 0 m p a , 0 0 2 为3 2 53 9 0 m p a ，6 为4 6 1 4 0 l 。1 5 选题的背景和意义纵观我国高速铁路列车发展趋势，轻量化已经成为高速列车发展的必由之路。北京变通人孕母! l 。学位地文舛 论很多铁道车辆关键零部件( 如轴箱、风缸和牵引电机端盖等) 由于结构尺寸大、形状复杂，无法采用铝合金板材和型丰于制造，我国目前还是畏用铸钢件，无法减少车辆的重量，而同本、德国、法国等发达国家已经采用高促度铸造铝合令束制造上述零部件。我国自行设计的高速车辆轴重为1 4 5 吨，与j | 本高速车辆1 1 3 吨的轴重有较大差距，需要进一步开展轻量化技术研究。而我1 日目前的铝合金品种的技术经济性与铁路上的要求还存在一定的差距，为了发展我国高速列车，改进原有品种的性能并优化其热处理工艺，以及开发铝合金新品种的需求显得尤其迫切。铁道车辆关键零部件受力复杂，它们的性能和质量对列车运营安全具有重要的影响，传统铸造铝合金的综合力学性能难以满足它们的使用要求，特别是传统的重力铸造方法，由于成型质量和铸造缺陷等问题，也难以满足铁道车辆关键零部件对成型质量要求。因此。开发可用于大型复杂件的铸造高强度铝合金对我国高速列车的发展具有重要的意义。本论文受实验室承担的北京交通大学校重大基金项目“高速客车用铸造高强度铝合金的强韧化技术及机理研究”资助，以典型的a 1 s i 系铸造铝合金a 3 5 6 为基础，开展有关的研究工作，为高速列车关键零部件轻量化的选材和生产提供技术基础。1 6 论文主要研究内容本论文将主要从以下几个方面来进行研究：( 1 ) 材料成型技术研究，主要包括合金熔炼工艺研究和材料成型制备工艺研究两个方面。在不改变a 3 5 6 合金化学组成，并且不添加任何细化剂和变质剂的条件下，本文改进合金熔炼工艺，降低合金的浇注温度，设计合理的浇铸系统，改进材料铸造成型工艺方法，调整成型工艺参数，并配合真空搅拌除气措施，减少气体对铸件的有害影响，通过提高合金组织致密度来提高铸造铝硅合金a 3 5 6 的铸态力学性能。( 2 ) 热处理技术研究。本文采用单项试验和正交试验相结合的方法，选择合理的试验参数水平，对合会的热处理工艺进行优化，并结合金相组织分析、电镜分析、组织中相的能谱分析等手段，研究各热处理工艺参数对合金组织的影响，并最终确定出最佳热处理工艺方法。( 3 ) 孔隙率和组织及性能关系研究，本文采用孔隙率来表征材料的致密度，并研究孔隙率与a 3 5 6 合金铸态力学性能和t 6 热处理后的力学性能的关系。同时，本文在保证浇注质量的前提下降低合金浇注温度，细化和改善合金晶粒组织，并研究了不同合金浇注温度对合金组织品粒和合金孔隙率的影响关系。北京空通人学坝卜学f z 论文绪论图l - 5 论文主要研究内容f i g 1 5m a i nc o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o n2 2 北京交通人帧i 。学位论史2 试验内存发研究方往2 试验内容及研究方法本论文的试验内容主要包括铝合金的熔炼及其质量控制、浇注过程、试样热处理过程，以及试样的力学性能测试和微观会相组织分析。其中，熔炼浇注过程和热处理过程是试验的关键步骤，将直接影响到最终的实验结果。2 1 合金的熔炼浇铸2 1 1 试验原料原材料的选择对试验结果有着十分重要的影响。由于许多材料具有组织遗传特性，因此所选原材料必须要有合格的化学成分、组织结构和纯净度。本文研究的是一种a 1 s i 系铸造铝合金，故本试验选用该系列中应用广泛的典型牌号a 3 5 6合金为原料。合金铸锭在使用前应先进行清洁，除去表面的污染物和水分，确保不将杂质带入熔体中原材料应贮存在温度变化不大并干燥的库房内。原材料的化学成分如下表所示：表z 1 原材料的化学成分t a b l e 2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t h em a t e r i a li剐m gt if ec as rz nc um nn ii ，0 3 5 5o 1 1 8o “0 舯1 4o 啦s0 。0 0 8o o o lo so l2 1 2 合金熔炼工具准备试验过程中所有与合金熔体接触的工具都要用防护性涂料均匀的涂刷，以免将杂质元素带入熔体，尤其要防止f e 元素进入合金中，因为f e 是铝合金中的主要杂质元素。本试验过程中主要的工具有坩埚、吸管、扒渣勺、测温热电偶、搅拌杆、钟罩等。这些涂刷好的熔炼工具在每次使用前都要进行预热，以除去其表面带有的水气，防止熔体的吸气2 1 3 熔炼设备本试验采用4 5 k w 的坩埚电阻炉进行合金的熔炼，采用实验室自主研发的真空调压铸造成型工艺方法浇注试样，设备如图2 1 所示。北京交通人学坝i 学位论文2 试验内容及f 究方法图2 14 s k w 电阻炉及真空调压设备f t g a 14 s k we l e c t r i c a lr e s i s t a n c ef u r n a c ea n dv a g u n ma d j u s t a b l ec a s t i n ge q u i p m e n t2 1 4 合金的熔炼工艺合金的熔炼过程按如下步骤进行：( 1 ) 烘烤吸管。先将吸管用耐火材料压紧，然后放入吸管烘烤炉中进行预热。以备铝料熔化后吸铸用。( 2 ) 升温化料。在吸管加热半个小时后，将铝料放入预先刷好涂料的坩埚内，将坩埚抽真空，在真空环境下把铝料加热至浇注温度。( 3 ) 搅拌除气和扒渣。在熔体温度达到浇注温度后，要定期用铌制搅拌杆进行搅拌除气，同时抽真空。在浇注之前要扒渣数次。除去氧化皮和杂质2 2 合金液态质量控制合金的熔体质量一般包含三方面的内容：熔体温度、熔体成分和熔体结构，它们对金属和合金的凝固组织与性能有重要的影响。本试验采用实验室自主开发的一套搅拌系统来进行适当搅拌，使各种合金元素尽量均匀的分布于铝液中，保证熔体成分的均匀性，并促进熔体合金中的气体析出。( 1 ) 合金熔体温度对合金凝固过程中组织形成及各类缺陷的控制有重要的影响。熔炼温度过低，不利于合金元素的溶解及气体和夹杂物的排出增加了形成偏析、冷隔的倾向，还会因冒口热量不足，使铸件撂不到合理的补缩。熔炼温度过高，不仅耗费能源更严重的是因为温度越高，吸氢越多，晶粒越大，铝的氧北京交通人学坝f ：学位论文2 试验内容及研究方往化越严重，一些合会的烧损也越严重从而导致合金的铸造性能和机械性能均下降。实践证明：把合金液快速升温到较高的温度进行合理的搅拌以促进所有合金元素的溶解。扒出浮渣后，降低浇泣温度，这样可以使偏析程度最小，溶解的氢也最少，有利于获得均匀致密、机械性能高的合金组织。本文将具体研究不同浇注温度对合金组织以及孔隙率的影响规律。本文中合金温度的控制采用控温表来控制电流的输出，防止熔体的过热，同时用热电偶每隔一定的时间测量铝液的温度，以控制铝液温度。( 2 ) 合金的化学分是影响合金性能的最基本因素之一，因此对合金成分的控制十分重要。金属材料一般都要经过熔化过程，再通过熔体凝固才能得到最终的合金，因此在熔化过程中控制合金成分非常重要。本试验采用真空熔炼的方法。真空条件下熔炼可以减少铝液与大气的接触，有效地去除金属中的气体( 氢、氧、氮) 和非金属夹杂物，因而提高合金的机械性能、抗氧化性能和抗腐蚀性能，提高铸件合格率。恒温下l m o l 气体的压力由p i 变为p 2 时，气体的自由焓变化为a g = r t l n ( p 2 ，a ) ，当p p 2 时，则a g o ，气体将由高压向低压自动进行。铝液上方抽成真空，溶于铝液的有害气体在铝液中分压相对升高，气体将自发从铝液中析出。而且真空下，铝液与空气隔绝，降低了铝一水反应，减少了气体的生成，同时还隔绝了大部分的氧气，降低了氧化物的生成，生成的少量氧化物浮在铝液表面，将随炉渣一起排除。( 3 ) 在一定的过热度范围内，合金熔体内元素分布与原始炉料的状态有不同程度的相关性，而熔体中元素的分布特点又影响凝固组织，因此控制合金熔体结构对稳定和优化合金性能很重要。2 3 合金最佳浇注温度研究合金的浇注温度对合金组织和性能有着重要的影响。常规重力浇注条件下a 3 5 6 合金的浇注温度通常为7 0 0 c 7 4 0 ，远远高于其液相线温度6 15 c ，过热度极高，这对于重力浇注是有利的，可以保证合金熔体在重力作用下进入型腔后具有更好的充型能力和补缩能力，但带来的不足之处是合金熔体冷却凝固后组织晶粒粗大，并呈现发达的树枝晶，同时产生比较严重的疏松和缩孔等铸造缺陷，使得a 3 5 6 合金的力学性能低下，无法制备出高强度铸造铝硅合金本文采用的是实验室自主开发的真空调压铸造成型工艺方法，是一种极具技术优势的反重力铸造成型方法，其成型原理和效果与常规重力浇注方法相比存在很大的不同。因此，在合理的浇注温度的选择上需要进行研究，并尽量考虑降低浇注温度，减少铸件冷却凝固过程中的热量，提高冷却速度，改善合金组织。北京交通人学顺l 学位论文2 试验内容及研究方法2 4 合金的热处理2 4 1 热处理试验方案a 3 5 6 的主要合金元素是m g 和s i ，同时还有微量的t i 元素在合会中起到细化组织晶粒的作用，m g z s i 是该合会的主要强化相。对合金进行热处理目的主要是使存在于晶界的m 9 2 s i 相先充分固溶于o t ( a i ) 基体，通过淬火形成过饱和固溶体，在随后的时效过程中过饱和固溶体又重新分解，均匀析出极为细小弥散的沉淀产物，起到沉淀强化和弥散强化的作用，从而达到提高改善合金力学性能的目的。为了加速固溶过程，在保证不过烧的前提下，应尽可能使固溶温度接近共晶温度。一般固溶温度低于共晶温度( 5 1 0 ) 。0 ( a 1 ) + s i l 的共晶转变温度为5 7 7 ，但合金中不可避免的存在着一些低熔点共晶体，热处理过程中这些低熔点的共晶体很容易发生分解而导致试样的过烧，因此它们对热处理工艺影响较大，在制定具体的热处理工艺时应该十分谨慎【4 2 1 。查阅相关的铸造和热处理资料手册，可以得出该合金的大致热处理温度在5 3 5左右。但是在不同的手册资料中对该合金的热处理温度的推荐并不统一，处理保温时间也存在很大的差异，而且本文采用的是实验室自主开发的真空调压铸造成型工艺，这种成型工艺与传统的重力浇注成型方法相比有很大的不同，具有很强的技术优势，而资料手册上提供的工艺参数都是以传统的重力浇注工艺为基础得出的，不可直接应用的到本文的真空调压铸造成型方法上来。因此，需要系统研究适合本文成型方法的热处理工艺。热处理工艺的主要工艺参数包括固溶温度、固溶时间、时效温度、时效时间。通过认真查阅和对比各资料参数，对这四个因素分别选取三个水平，采用单项试验和正交试验相结合的方法来确定最佳热处理工艺。正交试验中各试验参数的选择需要先通过单项热处理预试验来修正，以保证试验的针对性和可靠性。具体的正交试验安排如下表2 2 中所示。由于a 3 5 6 合金的化学成分相对简单，所含合金元素种类较少，因此可以采用一次加热到固溶温度的单级加热方法，而不需要采用分级加热制度。2 4 2 测温方法与热处理设备在试样的热处理过程中，处理温度的控制十分关键。若温度控制不准确，将严重影响试验结果的可靠性，严重时将使试样产生过烧，使试样报废。为了精确控制试样的温度，我们将测温热电偶在造型阶段就预埋入砂型中，在铸件吸铸成型时热电偶与试棒成为一体，这样在热处理过程中将测温仪表与试棒上的热电偶直接相连读取温度信息，并实时监控，以保证温度控制的准确性和安全性。北京交通大学颂 j 学位论文2 试验内容发研究方_ i 土表2 2 热处理正交试验方案t a b l e 2 2o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n因素固溶温度( )固溶时间( h )时效温度( )时效时间( h )试验号1( 1 )5 5 5( 1 ) 81 )1 (1)82( 1 )5 5 5( 2 )i i( 2 )1 7 0( 2 )l o3( 1 )5 5 5( 3 )1 4( 3 )1 8 0( 3 )1 24( 2 )5 4 5( 1 ) 8( 2 )1 7 0( 3 )1 25( 2 )5 4 5( 2 )i 1( 3 )1 8 0(1)86( 2 )5 4 5( 3 )1 4( 1 )1 6 0( 2 )1 07( 3 )5 3 5( 1 ) 8( 3 )1 8 0( 2 )1 08( 3 )5 3 5( 2 )1 i( 1 )1 6 0( 3 )1 29( 3 )5 3 5( 3 )1 4( 2 )1 7 0( i ) 8本文采用冷热疲劳试验炉对试样进行热处理试验，热处理炉及其控制设备如下图2 2 中所示。图2 2 热处理试验炉及其控制设备f i g 2 2h e a tt r e a t m e n tf u r n a c ea n dt h ec o n t r o l l i n ge q u i p m e n t2 7 北京交通人学颂i 学付论文2 试验内容发研究方法2 5 材料测试和分析方法本文主要是研究铸