本文關(guān)鍵詞：多元Al-Si-Cu合金鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化及其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體應(yīng)用的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《江蘇大學(xué)》 2013年

多元Al-Si-Cu合金鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化及其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體應(yīng)用的研究

劉光磊  

【摘要】：高速、節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適是汽車工業(yè)發(fā)展的主題,而輕量化是實(shí)現(xiàn)上訴目標(biāo)最直接最有效的途徑。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的“心臟”,質(zhì)量占整車重量的20-30%,而缸體作為發(fā)動(dòng)機(jī)中最大的鑄件,其質(zhì)量占發(fā)動(dòng)機(jī)重量的25-35%。近年來(lái),鋁合金作為一種新型材料,在汽車輕量化建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。用鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑄鐵材料生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體后,不但可使缸體減重30%左右,還可以提高導(dǎo)熱性能,防止汽車高速行駛過(guò)程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)向偏差。因此,采用鋁合金生產(chǎn)缸體對(duì)降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整車重量,推進(jìn)我國(guó)汽車工業(yè)節(jié)能減排進(jìn)程都具有重要意義。目前,國(guó)內(nèi)在高性能鋁合金缸體的研發(fā)應(yīng)用上還與國(guó)際水平存在較大的差距。要想實(shí)現(xiàn)高性能鋁合金缸體的工業(yè)化生產(chǎn),必須解決三個(gè)方面的問(wèn)題：新型的鑄造鋁合金缸體材料、精密成熟的鑄造工藝和先進(jìn)成套的工業(yè)化生產(chǎn)裝備,其關(guān)鍵和根本是要解決材料和鑄造工藝的問(wèn)題。 基于此,借助日本馬自達(dá)品牌汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體用鑄造鋁合金的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),與蘇州明志科技有限公司合作開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)春一汽馬自達(dá)系列轎車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體用的新型鑄造鋁硅合金,并對(duì)其鑄造工藝及其應(yīng)用進(jìn)行了研究。力爭(zhēng)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的生產(chǎn)技術(shù),提升國(guó)內(nèi)生產(chǎn)鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的能力,加快我國(guó)汽車行業(yè)在輕量化道路的發(fā)展速度。本文主要研究?jī)?nèi)容和研究成果如下： 1、研究了細(xì)化變質(zhì)處理對(duì)多元Al-Si-Cu合金組織和力學(xué)性能的影響。選取目前工廠生產(chǎn)中最常用的三種細(xì)化變質(zhì)劑：Al-5Ti-B、Al-10Sr和RE,借助正交試驗(yàn)優(yōu)化得到復(fù)合細(xì)化變質(zhì)配方為：Al-10Sr=0.1wt%、RE=0.3wt%、Al-5Ti-B=0.8wt%。與單一細(xì)化變質(zhì)處理的合金以及母合金相比,該配方制備合金的力學(xué)性能和顯微組織均得到極大的提升,其力學(xué)性能為：σb=252MPa、σs=191MPa、δ=3.0%、布氏硬度=90.6HB,其組織中a-Al相更加細(xì)小且輪廓清晰,共晶硅相、Al-Cu相、Al-Si相以及含鐵相的成分變得多元化,且尺寸更小、形狀更圓整、分布更均勻,說(shuō)明三種細(xì)化變質(zhì)劑起到相互促進(jìn)的作用。最后提出了兩個(gè)描述變質(zhì)效果的參數(shù)：平均面積和長(zhǎng)寬比,細(xì)化變質(zhì)合金的變質(zhì)效果最優(yōu)。 2、研究了不同原砂制砂芯及其壁厚對(duì)多元Al-Si-Cu合金組織和力學(xué)性能的影響。選用石英砂、鉻鐵礦砂和寶珠砂分別制成厚度范圍在8mm～40mm的階梯狀砂芯片,由于提供的冷卻速度不同,直接影響制備的多元Al-Si-Cu合金的力學(xué)性能、二次枝晶間距和細(xì)化變質(zhì)效果。鉻鐵礦砂砂芯制合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率性能最好,硬度是石英砂的最好。隨壁厚增加,三種砂芯制合金的抗拉強(qiáng)度由360MPa變?yōu)?80MPa,伸長(zhǎng)率由8%變?yōu)?%,而壁厚對(duì)硬度性能的影響并沒(méi)有明顯規(guī)律。當(dāng)壁厚為40mm時(shí),石英砂和寶珠砂制合金組織中出現(xiàn)片狀和塊狀Si相,變質(zhì)效果惡化。最后,在三種砂芯制合金的力學(xué)性能與二次枝晶間距之間建立了擬合方程,用于指導(dǎo)工廠實(shí)際生產(chǎn)。 3、研究了多元Al-Si-Cu合金的熱疲勞性能。通過(guò)對(duì)不同熱處理試樣在不同溫度幅下熱疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展的觀察和分析,發(fā)現(xiàn)由于T6態(tài)合金的溫度敏感性最弱、抗氧化性能最強(qiáng),其熱疲勞壽命最長(zhǎng)。多元Al-Si-Cu合金在熱疲勞裂紋萌生期要經(jīng)歷三個(gè)階段：形成微觀氧化層、氧化層內(nèi)生成微坑、微坑生長(zhǎng)或微坑內(nèi)部生成裂紋源。裂紋擴(kuò)展前期為沿晶生長(zhǎng),主要靠裂尖鈍化-尖銳化引起裂紋擴(kuò)展；而后期為沿晶和穿晶混合生長(zhǎng),以裂尖鈍化-尖銳化和裂尖前沿空洞連體復(fù)合方式擴(kuò)展。最后發(fā)現(xiàn)了Si相形狀和位向影響裂紋擴(kuò)展行徑的兩種方式：“繞墻”擴(kuò)展和“穿墻”擴(kuò)展。提出了兩種新的表征合金熱疲勞性能的方法：裂紋曲折度和裂紋的長(zhǎng)寬比。 4、研究了多元Al-Si-Cu合金的摩擦行為和磨損機(jī)理。結(jié)果表明：T6態(tài)合金在不同載荷和磨損時(shí)間下的質(zhì)量磨損率和摩擦系數(shù)最小,磨面磨損形貌處于較輕微的磨損機(jī)理狀態(tài)。當(dāng)載荷小于500N且磨損時(shí)間小于3h時(shí),T6態(tài)和鑄淬時(shí)效態(tài)合金的耐磨性能接近,主要是因?yàn)槎哂捕刃阅芟嘟�；增大載荷延長(zhǎng)磨損時(shí)間,發(fā)現(xiàn)三種狀態(tài)合金的亞表面內(nèi)Si相發(fā)生破碎,間接提高了合金的表面硬度,改善了潤(rùn)滑效果。載荷過(guò)大則導(dǎo)致Si相甚至Al2Cu相周圍出現(xiàn)微裂紋和撕裂狀塑性變形,嚴(yán)重影響合金的耐磨性能。多元Al-Si-Cu合金摩擦磨損至失效過(guò)程中,磨損機(jī)理的衍變過(guò)程是：磨粒磨損→磨粒磨損+粘著磨損→粘著磨損→粘著磨損+剝層磨損→剝層磨損+氧化磨損。依據(jù)材料磨面塑性變形程度及其硬度縮減情況,率先提出將氧化磨損分為氧化輕微磨損和氧化失效磨損兩類。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：U464.13;TG292
【目錄】：

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  本文關(guān)鍵詞：多元Al-Si-Cu合金鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化及其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體應(yīng)用的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：125900