脉冲电流处理对Al-Si活塞合金凝固组织和性能的影响

摘要

活塞作为发动机上的重要构件，担负着动力传输的重要任务。Al-Si合金以其较高的比强度及较好的尺寸稳定性，在活塞材料中已逐步占据了统治地位。其性能的每一次提高都必将伴随着机动车的一次“速度革命”。脉冲电场细晶凝固技术始于国外，近些年在国内得到了快速发展。其所能作用的材料及其范围不断扩大，理论研究也不断深入，有望在不久的将来进行大规模工业应用。然而为了提高Al-Si合金的高温及耐磨性能，通常大量增加合金中Si的含量，因此使得合金凝固组织中的共晶Si、初生Si的形态和分布不合理，而且当加入变质剂时又易带来污染、过变质及合金成分不准确等一系列问题。本文针对上述问题，制备了三种不同成分的Al-Si活塞合金试样，且对每种成分合金试样在不同过热度下进行了电脉冲处理(PECT)实验。并采用金相观察、SEM及EDS分析手段，对PECT前后及不同温度PECT下试样的凝固组织进行了分析，主要包括晶粒组织及第二相的形态、分布等。最后对合金试样的相关力学性能进行了测试。结果表明：PECT能显著细化Al-Si活塞合金组织，使得含Si量小于12.6wt%合金晶粒尺寸减小；含Si量大于12.6wt%合金的一次枝晶臂间距(PDAS)的大小与PECT温度相关；合金凝固组织中初生Si、共晶Si及第二相的形态、分布特征在PECT前、后变化明显；结合对合金试样进行的强度、塑性及显微硬度的力学性能测试结果，得出了PECT对Al-Si活塞合金的最佳处理工艺。运用热力学上关于正规溶液模型的假设，将Al-Si活塞合金熔体近似为Al-Si二元体系。根据Al-Si二元系固液两相的平衡条件，基于电脉冲孕育观点，分析了脉冲电场引起的熔体中组元相互作用能的变化对其发生固液相变时吉布斯自由能变化的影响。并结合脉冲电流提高形核率观点，解释了PECT后Al-Si活塞合金组织中初生Si、共晶Si在形貌、分布上变化的原因。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 Al-Si活塞合金的特点及发展

1.2.1 活塞的特点

1.2.2 Al-Si活塞合金的发展

1.3 Al-Si活塞合金的变质

1.3.1 各类变质剂的特点

1.3.2 使用变质剂时存在的问题

1.4 脉冲电流处理对金属凝固组织的影响

1.4.1 液相线温度以上电脉冲处理

1.4.2 液固两相区内电脉冲处理

1.5 脉冲电流处理对金属凝固组织的作用机理

1.5.1 液相线以上电脉冲处理机理

1.5.2 液固两相区内电脉冲处理机理

1.6 目前研究工作中存在的问题

1.7 本文研究内容

第2章 实验材料及方法

2.1 Al-Si活塞合金试样的制备

2.1.1 合金化学成分的选取

2.1.2 合金的熔配、精炼及变质

2.1.3 合金化学成分的测量

2.1.4 实验试样的浇铸

2.2 PECT实验

2.2.1 脉冲电源参数

2.2.2 实验装置

2.2.3 实验过程

2.3 组织观察及分析

2.3.1 金相组织观察

2.3.2 SEM及EDS分析

2.4 力学性能测试

2.4.1 拉伸性能测试

2.4.2 显微硬度测试

第3章 脉冲电流处理对Al-Si活塞合金凝固组织影响

3.1 PECT前后合金显微组织对比分析

3.2 不同温度下PECT的合金凝固组织对比分析

3.3 脉冲电流处理细化凝固组织效果分析

3.3.1 PECT温度对亚共晶成分合金DAS的影响

3.3.2 PECT温度与WGJ、BGJ及WGGJ成分合金PDAS的关系

3.3.3 PECT前后合金凝固组织主要组成相分析

3.3.4 PECT与化学变质作用效果对比

3.4 脉冲电流处理后凝固组织第二相的分析

3.4.1 PECT对Mg_2Si、Al_2Cu、Al_3Ni形貌的影响

3.4.2 PECT对富Fe相的影响

3.5 本章小结

第4章 脉冲电流处理对Al-Si活塞合金性能的影响

4.1 对PECT前后Al-Si活塞合金力学性能的对比分析

4.1.1 PECT对合金强度、塑性的影响

4.1.2 PECT对合金显微硬度的影响

4.2 本章小结

第5章 脉冲电场作用Al-Si合金熔体机理

5.1 脉冲电场对合金熔体结构的影响

5.2 脉冲电场对Al-Si合金熔体作用机理的热力学分析

5.3 脉冲电场对Al-Si合金熔体作用机理的动力学分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢