（材料加工工程专业论文）微合金化对全铝发动机高强度铸造alsi合金性能和组织的影响.pdf

江苏大学硕士学位论文 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。使用全铝发动机可显著提高 发动机和汽车的性能，还可使发动机的重量减轻。本课题通过对铸造舢s i 合金进 行微合金化，分析了含微量元素n i 、c r 、z n 对合金的力学性能和显微组织的影响， 进一步提高了以舢7 5 s i 3 5 c u 0 3 5 m g 为基体的铸造舢s i 合金的综合性能。 在基体合金中分别添加微量元素n i 、c r 、z n 以考察它们对力学性能和微观组 织的影响。实验表明：( 1 ) 当n i 的添加量在0 0 1 加0 3 ( 叭) 范围内时，随n i 含量的增加，合金的拉伸强度有显著提高而延伸率无显著变化，0 0 3 n i 的加入生 成了一种含微量n i 的光亮片状或网状的复杂0 相，能减少针状或片状含f e 的割裂 相，提高合金的强度。( 2 ) 当c 晗量o 0 3 和0 0 4 5 时，合金的拉伸强度和延伸率 都较高，添加c r 后生成灰白色短棒状或小片状的冗相能部分取代针状、片状等含f e 混杂相，减少对合金的割裂作用。( 3 ) z n 含量在0 1 5 时拉伸强度达到最大，而延 伸率随着z n 含量的增加始终降低，z n 是以固溶体而并非相的形式比较均匀的分布 在基体组织中。 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c r 对试验合金的综合力学性能影响最大，依次是n i 和z n ，最优配比为 n i o 0 2 c r o 0 3 z n o 2 ，此配比下合金的拉伸强度达到2 3 3 5 1 m p a ，延伸率6 为2 4 6 。 在5 0 5 固溶6 h + 1 7 0 时效8 h 的热处理工艺下，优化合金的拉伸强度高达 3 7 4 8 m p a 。通过建立n i 、c r 和z n3 种元素影响合金综合力学性能的拟合曲线， 得出3 种元素各自含量的最优取值范围分别为：n i 为0 0 1 8 - - 一0 0 2 2 ，c r 为 0 0 2 8 o 0 3 2 ，z n 为o 1 8 0 2 2 。优化后合金s e m 组织和能谱分析表明， 新生成的含微量n i 、c r 、z n 的短棒状或粒状的复杂灰白色相，能中和f e 的有 害作用，对合金基体有一定的钉扎强化作用，还可以诱发a 1 2 c u 相在其周围形核， 提高合金的强度。 热处理条件下，添加微量元素新生成的相都趋于圆整、均匀及弥散分布。a 1 2 c u 相在固溶处理时溶入a 固溶体中，时效过程中析出，使合金强化。其中添加c r 形 成的相大部分都溶解到a ( a b 中，析出富c r 的兀，相为弥散质点相，起到一定的弥 微合金化对全铝发动机高强度铸造s i 合金性能与组织的影响 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。 通过电磁悬浮熔炼与普通熔炼的对比可以得出，电磁悬浮熔炼合金晶粒尺寸 明显减小，初生a 相晶粒尺寸变小，共晶s i 变得细小致密，分布更均匀，组织间 距大大减小，尖锐棱角基本被钝化，气孔、夹杂物等缺陷更少，电磁悬浮熔炼合 金的性能要比普通熔炼合金性能优越。 关键词：微合金化，高强度铸造甜s i 合金，正交试验，拉伸强度，微 观组织，电磁悬浮熔炼 江苏大学硕士学位论文 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 ni n c r e a s i n gn u m b e ro fc a 瑙u s i n gh i g h - p e r f o r m a n c e a l u m i n u mt or e p l a c es t e e l ，i r o na n do t h e rt r a d i t i o n a lm a t e r i a l s t h eu s eo fa l u m i n u m e n g i n ec a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n ea n d 潲，b u ta l s ot o r e d u c et h ew e i g h to ft h ee n g i n e t h es u b j e c t sa d o p t e dac a s ta i - s ia l l o ym i c r o - a l l o y i n g ， t h ei m p a c to ft r a c ee l e m e n t sn i ，c r , a n dz no nt h ea l l o ym e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d m i c r o s t r u c t u r ew e r ea n a l y z e d ，a n df u r t h e re n h a n c e dt h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c et o 舢- 7 5 s i - 3 5 c u - 0 3 5 m ga st h eb a s eo ft h ea 1 一s ic a s ta l l o y t h em a t r i xa l l o yw a sa d d e dt r a c ee l e m e n t sn i ，c r , a n dz nt oe x a m i n et h ee f f e c t so f t h e s et r a c ee l e m e n t st ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h ec a s ta l l o y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) w h e na d d i n gn ii nt h er a n g eo f0 0 1 一0 0 3 ( 叭) ，而lt h en ic o n t e n ti n c r e a s e d ，t h et e n s i l es t r e n g t hh a ss i g n i f i c a n t l yi n e a s e d w h i l et h ee l o n g a t i o nh a sn os i g n i f i c a n tc h a n g e a d d e d0 0 3 n i ，g e n e r a t e sa l i g h ts h e e t o rm e s hc o m p l e x0 - p h a s e ，w h i c hc o n t a i n i n gt r a c ea m o u n t so fn i ，c a nr e d u c et h e n e e d e - l i k eo rf l a k e - l i k ef e - c o n t a i n i n gs p l i t - p h a s e ，t oi m p r o v et h es t r e n g t ho fa l l o y s ( 2 ) w h e nc ro f0 0 3 a n d0 0 4 5 ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o na l eb o t hh i g h ，a n d a d d i n gc rg e n e r a t e dt h es h o r tr o d l i k e o rs m a l lf l a k e so f f - w h i t ex - p h a s ec a np a r t l y r e p l a c et h en e e d l e - l i k eo rf l a k e l i k ef e c o n t a i n i n gp h a s e ，r e d u c i n gt h ef r a g m e n t a t i o no f t h er o l eo fa l l o y ( 3 ) w h e nz no f0 1 5 ，t h et e n s i l es t r e n g t hr e a c h e st h em a x i m u m ， w h i l et h ee l o n g a t i o na l w a y sd e c r e a s e s 丽mt h ez nc o n t e n ti n c r e a s e s ，z nd o e sn o te x i s t i naf o r mo fp h a s eb u ta ss o l i ds o l u t i o ni nt h ef o r mo fr e l a t i v e l yu n i f o r md i s t r i b u t i o ni n t h em a t r i x b yt h eo 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 ee v a l u a t i o no ft h ew e i g h t e dv a l u e o fy a st h ee v a l u a t i o no ft h ec o m p r e h e n s i v ep 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 d t h a tc ra f f e c t e dt h em o s t ，f o l l o w e db yn ia n dz n ，a n dt h e o p t i m a lr a t i o i s n i o 0 2 c r o 0 3 z n o 2 u n d e rt h i sr a t i ot h et e n s i l es t r e n g t ho br e a c h2 3 3 5 1 m p a ，a n dt h e e l o n g a t i o n6i s2 4 6 v v h e n i t sh e a tt r e a t m e n tc y c l ei s5 0 5 c x 6h + 1 7 0 。c x 8 h ，t h e t e n s i l es t r e n g t hi su pt o3 7 4 8 m p ao ft h eo p t i m i z e da l l o y t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to f t h ef i t t i n gc u r v e so f3a l l o ye l e m e n t sn i ，c r , a n dz na f f e c tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s r e s p e c t i v e l y , o b t a i n e dt h eo p t i m a lr a n g eo f t h e i rc o n t e n t sw e r e ：n i0 0 1 8 一0 0 2 2 ，c r 0 0 2 8 一0 0 3 2 ，a n dz n0 1 8 一0 2 2 t h es e mo r g a n i z a t i o na n de d sa n a l y s i so f 1 1 i 微合金化对全铝发动机高强度铸造s i 合金性能与组织的影响 t h eo p t i m i z e da l l o ys h o w e dt h a tt h en e w l yg e n e r a t e dc o n t a i nt r a c ea m o u n t so fn i ，c r , a n dz ns h o r tr o d l i k eo rg r a n u l a rg r a yc o m p l e x p h a s e ，c a l ln e u t r a l i z et h eh a r m f u l e f f e c t so ff e ，h a v eac e r t a i np i n n i n ga n ds t r e n g t h e n i n ge f f e c t st ot h em a t r i xa l l o y , b u t a l s oi n d u c et h ea 1 2 c up h a s en u c l e a t i o ni ni t ss u r r o u n d i n g s ，t h u se n h a n c et h es t r e n g t ho f t h ea i - s ic a s ta l l o y i nt h ec o n d i t i o n so fh e a tt r e a t m e n t ，t h en e w p h a s eg e n e r a t e db ya d d i n gt h r e et r a c e e l e m e n t sh a v et e n d e dt ob er o u n d ，e v e n l ya n dd i s t r i b u t i o nd i s p e r s e d t h ea 1 2 c up h a s e w i l lb ei n t e g r a t e di n t o t h ea - s o l i ds o l u t i o ni n t h es o l u t i o nt r e a t m e n t ，a n dw i l lb e p r e c i p i t a t e do u ti nt h ea g i n gp 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 t h o s ep h a s e sw h i c h f 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 ea ( 舢) ，a n dt h ep r e c i p i t a t i o no f c r - r i c hx - p h a s ei st h ed i s p e r s e dp a r t i c l ep h a s e ，p l a y i n gac e r t a i nr o l ei nt h ed i s p e r s i o n s t r e n g t h e n i n g z na l em 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 nt h ea l l o yw h i c hc a n b 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 b yt h ec o n t r a s to fe l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o nm e l t i n ga n dn o r m a lm e l t i n g ，w ec a n a r r i v et h a t a l l o y sm e l t e db ye l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o nm e l t i n gg r a i n s i z er e d u c e d s i g n i f i c a n t l y , t h ep r i m a r ya - p h a s eg r a i ns i z ei ss m a l l e r , e u t e c t i cs ip h a s eb e c o m e ss m a l l a n dd e n s e ，a n dd i s t r i b u t e dm o r ee v e n l y ，o r g a n i z a t i o ns p a c i n gr e d u c e dg r e a t l ga n ds h a r p e d g e sa r ep a s s i v a t e dm o s t l y ，a l s o ，p o r o s i t i e s ，i n c l u s i o n sa n do t h e rd e f e c t sh a v er e d u c e d t h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o nm e l t i n ga l l o y si ss u p e r i o rt h a nt h a tt h e o r d i n a r ym e l t i n ga l l o y s k e yw o r d s ：m i c r o - - a l l o y i n g ；h i g hs t r e n g t ha i - - s ic a s ta l l o y s ；o r t h o g o n a l t e s t ；t e n s i l es t r e n g t h ；m i c r o s t r u c t u r e ；e l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o nm e l t i n g i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密白。 学位论文作者签名： 硼汐年歹月斫日 指导教师签名：司词锹 硼t 年1 只 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2 o o 年j 月砰e l 江苏大学硕士学位论文 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。在汽车工业中运用铝合金取代铁合金能起到减轻自重，提高功率质量比，达 到节能、高速、高效的目的。以汽车制造业为例【1 】，近几十年来，能源问题同益突 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 。7 ，可见减轻车重可显著提高燃油效率。为此，各大汽车生产厂家纷纷使 用铝合金来代替钢铁材料，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1 4 0 k g ，且每年以2 0 。3 0 的速度递增【2 - 3 】。 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。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。铝合金具有比铸铁更高 的导热性能，这有非常利于强化发动机的散热，防止工作过程中的局部过热。由 于目前轿车大多采用发动机前置驱动，采用铝合金缸体缸盖减轻发动机的重量， 有利于均衡前后重量比，防止高速行驶过程的转向偏差现象，从而提高了轿车的 操控性和安全性。采用高性能铝合金缸体和缸盖的全铝制发动机，已经成为体现 轿车技术水平的标志之一。 铸造铝硅合金是铸造铝合金中最重要的一个系列，由于其密度小、比强度高， 同时具有优异的铸造性能、耐蚀性能、可焊性及热膨胀性，广泛地应用于航空航 天、汽车、机械等行业，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【4 】。 1 1 全铝发动机的研究概况 近年来，现代汽车及其发动机逐步向轻量化方向发展，轻量化的材料具有代 表性的有轻金属、高弹力钢、塑料等。在构成材料中，这些材料所占有的比例渐 渐增加1 5 1 。发动机的气缸体、气缸盖要求材料导热性好，耐蚀性高，铝合金正好能 满足这些性能要求，故很多汽车公司发动机的气缸体、气缸盖多采用全铝型旧。 微合金化对全铝发动机高强度铸造s i 合金性能与组织的影响 1 1 1 全铝发动机的研究现状 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 l l o y t e c v 6 ”( 合金技术v 6 ) 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。美国通用汽 车公司采用全铝钢套，法国车的铝气缸套已达1 0 0 ，铝气缸体达4 5 。美国福特 公司n g t 货车发动机汽缸盖、z e t a 4 缸机、m o d u l a r v6 v8 机、克莱斯勒公司新 v 6 发动机缸体和缸盖都使用铝合金材料。克莱斯勒公司j e e p ( 吉普) 5 缸机、3 8 l v 6 和道奇货车发动机改用铝合金缸盖。日本的日产汽车公司( n i s s a n ) 在m a x i m “麦克 西马1 车上使用了新型的v q 系列v 6 发动机，其特点是在制造这种发动机的铸铝 缸体时，使用了高压模铸工艺( i - i p d c ) 。日产公司v q 和丰田公司的l e x u s ( 凌志) m 亿 f e v 6 发动机均使用了铸铝油底壳。通用公司也在5 7 l c , o r v e t t e v 8 发动机上使用 这种油底壳。此外，日产公司v q 汽缸还采用了铝气门挺杆【一。 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 。占 发动机总重量8 5 左右的缸体和缸盖传统上均采用铸铁制成，采用全铝发动机可 使发动机的重量减轻4 0 以上。资料表明，车重每减少1 0 蚝，油耗下降l ；轿车 发动机重量约1 8 0 k g ，使用全铝发动机后重量减少7 2 埏以上，油耗下降7 2 以上。 根据国家统计局于2 0 0 8 年2 月2 8 日发布的2 0 0 7 年国民经济和社会发展统计公 报显示，我国2 0 0 7 年轿车产量为4 7 9 8 万辆比0 6 年增长2 4 0 ，民用轿车保有 量1 9 5 8 万辆，增长2 6 7 ，其中私人轿车1 5 2 2 万辆，增长3 2 5 。按私人轿车每 百公里油耗约1 0 l 计算，若全铝发动机的使用率为3 0 ，平均每车每年行驶1 5 万公里，则节油4 9 亿升，价值2 5 1 亿元。 国外全铝发动机研制水平较高，发展迅猛，应用范围日趋广泛。国外已经采 用精确砂型重力铸造工艺进行高性能铝合金缸体缸盖的工业化生产，并作为新一 代高性能车用发动机开发的技术基础；国外汽车厂商纷纷全面采用铝合金缸盖缸 体，使全铝制发动机从原来的高中档轿车( 宝马7 系列、奥迪a 6 、马自达6 等) 2 江苏大学硕士学位论文 向经济型桥车拓展( 如：p o l o 系列、标志3 0 7 等) 。 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 重力铸造铝合金缸体的工业化生产几乎为零，尚处起步价段。国内自9 0 年代中期 起开始大规模开发使用铝合金缸盖，但在工业化生产铝合金发动机缸体方面，还 没有起步。目前国内仅瑞士( i f 公司苏州工厂等少数外资企业，采用压铸工艺批量 生产铝合金发动机缸体。近年来国内少数厂商也开始尝试自主开发，采用精确砂 型重力铸造工艺生产铝合金缸体铸件，但一直没有形成稳定可靠的工业化生产技 术。一汽、奇瑞等国产品牌车已开始投入全铝发动机的开发和研制。 目前铝合金缸体的制造工艺复杂、要求高，仍处于探索、改进和完善阶段， 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，重力铸造工业化生产工艺不成熟，生产装备落后。铝合金缸盖方面的开 发研究重点，主要集中在进一步提高铝合金材质的高温性能以及缸盖铸件的制造 精度两方面。 1 1 2 全铝发动机的发展趋势 过去，汽缸体几乎无一例外地都是采用灰铸铁制造的。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 。因此，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。它相对于灰铸铁来说， 减轻质量的潜力高达5 0 左右。在汽油机领域内，用铝合金代替灰铸铁的趋势已 经相当普遍。 汽缸体是发动机里最重的零件，采用轻质的材料可以大幅度减轻发动机的重 量，压铸铝是首选的新型机体材料。铝合金汽缸体与灰铸铁相比，其质量大约可 减轻3 0 ，表1 - 1 为铝铸替件代铸铁件的重量对比表，当前轿车的开发目标之一是 减轻所有零部件的质量。发动机约占整车质量的1 5 ，所以在减轻质量的措施方 面具有很大的潜力。若对发动机的各种零部件进行一番比较，就可以发现汽缸体 占发动机总质量的3 0 以上，因而汽缸体成了发动机轻量化措施的重要目标【刀。 3 微合金化对全铝发动机高强度铸造s i 合金性能与组织的影响 表1 - 1 铝铸替件代铸铁件的重量对比表 ( 单位：k g ) 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。 1 2 全铝发动机铸造技术 国内铝合金缸体的工业化生产发展缓慢主要受制于缸体材料性能不高和生产 工艺不成熟、生产装备落后。由于铝合金发动机缸盖和缸体结构复杂，通常只能 用铸造的方法成形。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。目前铝合金缸盖方面的开发研究重点，主要集中在进一步提 高铝合金材质的高温性能以及缸盖铸件的制造精度两方面。而铝合金缸体的制造， 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 2 1 压力铸造 压力铸造是目前铝合金缸体铸件最主要的生产工艺，如德国的 d a i m l e r - c h r y s l e r 公司和爱肯公司、瑞士的g f 公司、挪威的h y d r o 铝业公司等均 采用压铸工艺。压铸法具有高效率高工艺稳定性的特点，生产的铸件也具有尺寸 精度高和表面光洁度好的优点。然而，压铸时液态铝合金充型过程中的高速射流， 必然会引起紊流卷气，从而导致缸体铸件内部含气量高致密性差，并使得压铸铝 缸体无法通过固溶强化，来改善和提高机械性能。目前普通压铸铝合金的结构强 度和抗疲劳性能明显低于铸铁，这导致压铸铝缸体不得不加大壁厚和体积( 例 c h r y s l e re a 8 2 7 压铸铝缸体的汽缸中心距从铸铁缸体的8 2 5 m m 提高到8 8 r a m ) 。 此外由于压铸中采用金属铸型和型芯，为了保证脱模和抽芯，对压铸铝缸体的形 4 江苏大学硕士学位论文 状有较大的限制。通常压铸出的铝缸体只能为开舱式结构，明显降低了缸体的刚 性和稳定性。 1 2 2 金属型重力铸造 金属型重力铸造是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。 铸型是用金属制成，可以反复使用多次( 几百次到几千次) 。 金属型铸造中金属液一旦进入型腔，就把热量传给金属型壁。液体金属通过 型壁散失热量，进行凝固并产生收缩，而型壁在获得热量，升高温度的同时产生 膨胀，结果在铸件与型壁之间形成了“间隙”。金属型或金属型芯，在铸件凝固过程 中无退让性，阻碍铸件收缩。采用金属铸型和型芯的金属型重力铸造，虽然了解 决铸件内部的含气量问题，但同样存在对缸体结构形状方面的限制。金属型铸造 主要用于生产铝缸盖及简单的铝缸体【8 】。德国d a i m l e r - c h r y s l e r 公司有2 台直径分别 为1 2 m 及1 3 m 的1 2 工位转盘金型机，生产铝缸盖。德国v w 公司汉诺威铸铝厂采用9 台6 工位转盘金型机生产铝缸盖。 1 2 3c o s w r o t h 法 c o s w r o t h 法能克服压铸铝缸体的两个主要不足，但工艺相对复杂，生产效率较 低。英国c a m p h e l l 教授发明的c o s w o r t h 法，采用冷芯盒砂芯组芯造型，但是它使 用锆砂( 通常在铸造生产中使用石英砂) 。它利用电磁泵来实现在可控压力下使铝 合金液由下而上地充填铸型。由于锆砂的热膨胀率很小而且恒定，因而有利于获得 尺寸精确度高的铸件。但是，由于锆砂导热性极好，比石英砂高出2 倍，因而用它 所造的砂型难以浇注出壁厚 7 ) 【2 3 】。 ( 2 ) 镁：m g 是砧- s i 合金中主要的强化元素，m g 与s i 经热处理强化形成m 9 2 s i 沉淀相，有效提高了合金的性能。随着m g 含量的增加，合金强度增加，但延性下 降【2 6 1 。通常，为提高合金的强度和塑性而向合金中加入的镁一般不超过1 ，且随 1 1 微合金化对全铝发动机高强度铸造舢s i 合金性能与组织的影响 合金中的硅含量越高，其镁含量相应的减少。若加镁量合适，在淬火加热时m 9 2 s i 呈杆状。若镁的加入量过多，则有一部分粗大的m 9 2 s i 不能溶入a ，使合金变脆。 当j j l l m g 量达n o 2 加5 时，其析出相的硬度高，抗拉强度和弹性模量( 屈服点) 都得到提高，但韧性有所降低。如再增加含m g 量，则容易氧化，使合金液中卷入 的氧化皮增多并使流动性变坏阳。 ( 3 ) 铜：在舢s i m g 系中加入铜，可进一步提高合金强度。铜在合金中能形 成2 c u ，可通过热处理使合金得到强化，显著的提高合金的力学性能，但降低合 金的耐蚀性。为了提高合金的强度和硬度，可在合金中多加一些铜，但最多不超 过5 ；而为了使合金既具有较高的强度和硬度，又具有较好的塑形和耐蚀性，就 应该少加入一些铜，其加入量最多不超过3 ，通常硅与铜的总量不大于1 0 。在 s i c u 合金中，含s i 量比含c u 量多的牌号，铸造性能好，机械性能、切削加工 性能、焊接性能也比较好，但韧性较低，一般使用的比较多，反之，若含c u 量比 含s i 量多，则耐蚀性能比较差。在硅含量相同的条件下添加c u ( q ：0 7 ) ， 则舢s i ( 6 0s i ：0 1 0 ) 合金铸态组织及t 6 处理后合金抗拉强度、屈服强度、断后 伸长率及硬度随铜及硅的含量升高而升高。添加m g ( m g ：0 加5 ) ，则- s i ( s i ：7 1 2 ) 合金抗拉强度、屈服强度、断后伸长率及硬度随镁及硅的含量 升高而升高 2 7 - 2 8 。 ( 4 ) 铁：f e 是础合金中极为有害的杂质，它来自坩埚、熔炼工具或炉料 2 9 - 3 0 1 。 铁相在结晶过程中呈现两种截然不同的组织结构：片状( 或针状) d - a 1 5 f e s i 和汉字 状的a - a 1 1 5 f e 3 s i 2 3 2 1 ，还有报道称汉字0 【f e 相的结构式为a 1 8 f e 2 s i 和a 1 1 2 f e 3 s i 2 。 通常加入适量的m n 、c r 或c o 等合金元素来中和f e 的有害影响。m n f l 皂与f e 形成 ( f e m n ) 3 s i a l l 2 金属间化合物，往往都呈汉字状或花卉状，从而减弱t o - a 1 5 f e s i 的脆 性影响【3 3 训。 ( 5 ) 镍：n i 在铝合金中形成n i a l 3 等金属间化合物，提高合金的高温强度和体 积、尺寸稳定性，并有使f e 的化合物变成块状的倾向，即降低杂质f e 的有害作用， 但生成的n i 化合物，会使合金的耐蚀性有所下降，所以通常只在要求高温强度的 铝合金中加入少量的n i 。 ( 6 ) 铬：c r 在铝合金中形成趾1 2 ( c r 、f e ) 3 s i 、( c r 、f e ) a 1 7 、( c r 、m n ) a l n 等化 合物，主要作用是提高高温性能、降低杂质f e 的有害作用，阻碍再结晶的成核和 江苏大学硕士学位论文 长大过程，强化结晶晶粒边界，改善合金的抗应力腐蚀裂纹能力。 ( 7 ) 锌：在s i 系合金中，添加少量的z n ，可稍微提高合金的强度，但韧性 有所下降。z n 在非z i l 系铝合金中的添加量控制在1 左右为好，因为超过1 ， 则抗蚀性能降低，并且凝固时收缩量也大，有助长裂纹的倾向【蚓。 参照目前国内外高强度铝硅合金成分，同时综合考虑各种合金元素强化机理， 通过正交实验以及单项实验，优化调整成分而得到新型合金p q 。哈工大桂满昌等【3 7 1 采用一元回归正交实验法，研究分析了3 种主要元素s i 、c u 、m g 对合金机械性能的 影响，在试验区域内建立了这3 种元素的含量与机械性能的定量关系。研究表明： s i 、c u 、m g 对铝硅合金机械性能有不同程度的影响( 硅含量6 以上、c u 含量1 以上) 。对强度而言，c u 影响最大，m g 次之，s i 最小；对延伸率而言，s i 、m g 影 响最大，c u 次之。 沈阳铸造研究所的李德成等在z l1 0 7 基础上【3 8 1 ，添加了m g 、z n 、c d 、b e 、 t i 和b 等六种多元微量合金化元素，研究开发出的新型高强度铸造铝合金z l1 0 7 a ， 该合金具有优良的铸造性能和高的力学性能。合金中z n 的存在改变了c u 的溶解速 度和溶解度。z n 含量在1 0 左右时，全部固溶在基体中，不形成可见的相组织。 而t i 和b 可以细化合金组织。 王金国和潘青林等【3 3 侧探讨了n i 和对a 1 一s i c u m g 四元合金凝固组织，凝 固过程及时效硬化特性的影响，n i 和可以加快a 1 一s i c u m g 合金的时效硬化速 度，同时又推迟了过时效现象的出现，有利于合金耐热性的提高。 1 4 2 熔体处理技术 铝的化学性质比较活泼，熔炼过程中易与水汽反应，被氧化并且吸氢。氢在 铝合金中溶解，易使铝合金铸件产生针孔和夹杂等缺陷。所以熔体品质控制是铸 造铝合金研究的一项重要内容。去除铝液中的气体和央杂物是铸造铝合金改善品 质的关键【捌。改善和提高铝材的冶金质量已开始引起人们的关注。尤其对铝熔体 净化、富f e 杂质相变质及结晶组织微细化处理等方面已进行了较系统深入的探讨， 并获得了高效的净化熔剂、变质添加剂、晶粒细化剂及其相应的处理工艺，有效 地改善和提高了铝材的冶金质量。 最早铝液净化是用c 1 2 或氯盐进行处理，但c 1 2 和氯盐除氢气效果虽好，去夹杂 能力却较差，同时产生大量有毒气体，因此用n 2 、a r 等惰性气体来取代氯化物， 微合金化对全铝发动机高强度铸造s i 合金性能与组织的影响 但是惰性气体去氢效果并不理想。因此，很长时间以来，人们一直采用c 1 2 、c c l 4 、 s f 6 等与惰性气体的复合处理技术【垮2 6 1 。2 0 世纪8 0 年代末，英国f o s e c o 公司利用 气泡浮游原理【3 9 】，研制出1 种f d v 设备，采用旋转喷头自铝液底部吹入惰性气体， 使气泡被分离或弥散，呈均匀分布的小气泡，大大增加了气体与溶液接触面积与 作用时间，能有效地去除氢及夹杂物，这种方法称为r i d 法。此外，英国h e p w r t h 矿产化学有限公司【加】综合气体净化和溶剂净化的优点，研制出溶剂喷射机。该法 以惰性气体为载体，将溶剂喷入合金液中，净化与变质同时进行。 目前国内外较先进的净化方法与装置有s n i f 、m i n t 、a l p u r 法等。但这些 方法大多以除氢净化为主，而对于各种高技术、高成形性的产品，排杂除氢净化 的程度要求很高，传统的精炼除气或这些较先进的方法均存在着一定的局限性， 除氢效率有限，对排杂作用也不明显。究其原因，主要在于净化工艺设计时忽视 了铝熔体中夹杂物与氢相互作用关系及影响，难以从根本上消除除氢净化动力学 的主要限制因素，从而在一定程度上也限制了各种先进除氢技术的发挥。 研究资料表明，铝合金熔体中的夹杂物会吸附氢气。只有先着眼于铝液中氧 化夹杂物( a 1 2 0 3 为主) 的净化，有效地降低夹杂物含量，尤其是悬浮在铝液中弥散 的夹杂物数量，才能防止铝液增氢，消除去氢障碍，从而获得纯净的铝液，浇注 出优质铸件。因此人们根据“渣( a 1 2 0 3 ) 既尽，气必除”这一现象总结出“除渣 为主，去气为辅”的铝合金精炼工艺原则。 通过研究得出以下结论： ( 1 ) 惰性气体虽能去除部分铝液中的夹杂物，但它去除固体夹杂物的能力 不强，只有尺寸大于3 0 4 0 m 的夹杂物才有可能被气泡带走【4 l 】。而影响铝铸件质 量的夹杂物尺寸一般在1 0 2 0 1 a m 以下，故仅靠惰性气体去除夹杂物是不够的。因 此过滤技术也被广泛采用，过滤一般采用过滤网、过滤块、过滤床等，净化效果 较为理想【4 2 1 。 ( 2 ) 高效铝熔体净化、富f e 杂质相变质、晶粒细化3 种熔体处理均改善和提 高了铝材的冶金质量，但只有在高效净化的基础上进行变质和细化等综合处理， 才可充分发挥各自的作用，达到高效处理铝熔体的目的，即净化是高效铝熔体处 理的关键技术，是变质和细化处理的基础。 1 4 江苏大学硕士学位论文 1 4 3 合金变质处理 础s i 合金的力学性能与组织中共晶硅的形态紧密相关，s i 合金未变质时， 共晶硅以粗大的针片状形态出现，严重割裂基体，产生应力集中，从而使合金的 力学性能，尤其是韧性降低。通过变质，改变共晶硅的形态，减小其对基体性能 的削弱作用，是提高合金性能的有效途径。自1 9 2 0 年p a c z l 4 3 发现n a 对舢s i 合金具 有变质作用以来，众多学者在此方面进行了大量的试验研究，s i 合金的变质机 理已逐渐被人们所认识，并已研制出多种变质剂，且可对变质效果进行控制。 s i 合金中的变质处理分为两类：一类是以提高越s i 合金塑性为主的n a 、s r 变质；另一类是以细化和增加初晶s i 量，提高合金耐磨性的p 变质处理。无论是n a 、 s r 变质，还是p 变质均存在一些问题，如孕育衰退，环境污染严重，变质不足或过 变质造成的性能下降等，其中最为严重的是环境污染问题。另有文献报道，对含 硅量大于1 6 的砧s i 合金，p 在s i 合金中将不再起变质作用m 。国内学者做了很 多工作并取得了很好的效果，研制出0 1 p 0 5 s r 复合变质剂、0 0 8 0 1 2 p 0 8 8 混合稀土复合变质剂。另外将o 6 7 磷铜和0 3 碳酸钠先后加入过共 晶舢s i 合金中也取得了良好的双重变质效果1 4 4 1 。 1 4 4 晶粒细化处理 金属结晶时，每个晶粒都是由一个晶核长大形成的。晶粒的大小取决于形核 率和长大速度的相对大小。形核率越大，则单位体积中的晶粒数目越多，每个晶 核的长大余地越小，因而长成的晶粒越细小。同时长大速度越小，则在长大过程 中将会形成更多的晶核，使晶粒更细小。反之，形核率越小，长大速度越大，晶 粒越粗大。因此，晶粒度取决于形核率n 与长大速度g 之比，比值n g 越大，晶粒 越细小。凡能促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒。反之，凡能抑制形核， 促进长大的因素，