多元Al--Si--Cu合金铸造工艺参数优化及其在汽车发动机缸体应用的研究

摘要

高速、节能、环保、安全、舒适是汽车工业发展的主题，而轻量化是实现上诉目标最直接最有效的途径。发动机是汽车的“心脏”，质量占整车重量的20～30％，而缸体作为发动机中最大的铸件，其质量占发动机重量的25～35％。近年来，铝合金作为一种新型材料，在汽车轻量化建设中得到了广泛应用。用铝合金代替传统的铸铁材料生产发动机缸体后，不但可使缸体减重30％左右，还可以提高导热性能，防止汽车高速行驶过程中出现转向偏差。因此，采用铝合金生产缸体对降低汽车发动机乃至整车重量，推进我国汽车工业节能减排进程都具有重要意义。目前，国内在高性能铝合金缸体的研发应用上还与国际水平存在较大的差距。要想实现高性能铝合金缸体的工业化生产，必须解决三个方面的问题:新型的铸造铝合金缸体材料、精密成熟的铸造工艺和先进成套的工业化生产装备，其关键和根本是要解决材料和铸造工艺的问题。 基于此，借助日本马自达品牌汽车发动机缸体用铸造铝合金的生产经验，与苏州明志科技有限公司合作开发了长春一汽马自达系列轿车发动机缸体用的新型铸造铝硅合金，并对其铸造工艺及其应用进行了研究。力争拥有自主知识产权的高性能铝制发动机缸体的生产技术，提升国内生产铝制发动机缸体的能力，加快我国汽车行业在轻量化道路的发展速度。本文主要研究内容和研究成果如下: 1、研究了细化变质处理对多元Al-Si-Cu合金组织和力学性能的影响。选取目前工厂生产中最常用的三种细化变质剂: Al-5Ti-B、Al-10Sr和RE，借助正交试验优化得到复合细化变质配方为:Al-10Sr=0.1wt％、RE=0.3wt％、Al-5Ti-B=0.8wt％。与单一细化变质处理的合金以及母合金相比，该配方制备合金的力学性能和显微组织均得到极大的提升，其力学性能为:σb=252MPa、σs=191MPa、δ=3.0％、布氏硬度=90.6HB，其组织中α-Al相更加细小且轮廓清晰，共晶硅相、Al-Cu相、Al-Si相以及含铁相的成分变得多元化，且尺寸更小、形状更圆整、分布更均匀，说明三种细化变质剂起到相互促进的作用。最后提出了两个描述变质效果的参数:平均面积和长宽比，细化变质合金的变质效果最优。 2、研究了不同原砂制砂芯及其壁厚对多元Al-Si-Cu合金组织和力学性能的影响。选用石英砂、铬铁矿砂和宝珠砂分别制成厚度范围在8mm～40mm的阶梯状砂芯，由于提供的冷却速度不同，直接影响制备的多元Al-Si-Cu合金的力学性能、二次枝晶间距和细化变质效果。铬铁矿砂砂芯制合金的抗拉强度和伸长率性能最好，硬度是石英砂的最好。随壁厚增加，三种砂芯制合金的抗拉强度由360MPa变为280MPa，伸长率由8％变为3％，而壁厚对硬度性能的影响并没有明显规律。当壁厚为40mm时，石英砂和宝珠砂制合金组织中出现片状和块状Si相，变质效果恶化。最后，在三种砂芯制合金的力学性能与二次枝晶间距之间建立了拟合方程，用于指导工厂实际生产。 3、研究了多元Al-Si-Cu合金的热疲劳性能。通过对不同热处理试样在不同温度幅下热疲劳裂纹萌生与扩展的观察和分析，发现由于T6态合金的温度敏感性最弱、抗氧化性能最强，其热疲劳寿命最长。多元Al-Si-Cu合金在热疲劳裂纹萌生期要经历三个阶段:形成微观氧化层、氧化层内生成微坑、微坑生长或微坑内部生成裂纹源。裂纹扩展前期为沿晶生长，主要靠裂尖钝化-尖锐化引起裂纹扩展;而后期为沿晶和穿晶混合生长，以裂尖钝化-尖锐化和裂尖前沿空洞连体复合方式扩展。最后发现了Si相形状和位向影响裂纹扩展行径的两种方式:“绕墙”扩展和“穿墙”扩展。提出了两种新的表征合金热疲劳性能的方法:裂纹曲折度和裂纹的长宽比。 4、研究了多元Al-Si-Cu合金的摩擦行为和磨损机理。结果表明:T6态合金在不同载荷和磨损时间下的质量磨损率和摩擦系数最小，磨面磨损形貌处于较轻微的磨损机理状态。当载荷小于500N且磨损时间小于3h时，T6态和铸淬时效态合金的耐磨性能接近，主要是因为二者硬度性能相近;增大载荷延长磨损时间，发现三种状态合金的亚表面内Si相发生破碎，间接提高了合金的表面硬度，改善了润滑效果。载荷过大则导致Si相甚至Al2Cu相周围出现微裂纹和撕裂状塑性变形，严重影响合金的耐磨性能。多元Al-Si-Cu合金摩擦磨损至失效过程中，磨损机理的衍变过程是:磨粒磨损→磨粒磨损+粘着磨损→粘着磨损→粘着磨损+剥层磨损→剥层磨损+氧化磨损。依据材料磨面塑性变形程度及其硬度缩减情况，率先提出将氧化磨损分为氧化轻微磨损和氧化失效磨损两类。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 汽车行业的重要地位及发展现状

1．1．2 汽车行业发展带来的弊端

1．1．3 铝合金是汽车轻量化的首选材料

1．2 铝合金在汽车工业的应用与发展

1．2．1 铝合金汽车及零部件的发展现状

1．2．2 汽车工业常用铝合金材料及性能

1．2．3 铝合金在汽车工业的应用

1．3 汽车发动机缸体技术的发展

1．3．1 缸体材料的发展

1．3．2 铝缸体铸造的先进技术

1．3．3 国内外铝缸体的应用现状

1．4 课题研究的目的、意义和内容

1．4．1 研究目的和意义

1．4．2 研究内容

第二章 实验方法及研究方案

2．1 研究路线

2．2 实验材料

2．3 多元Al-Si-Cu合金的制备

2．3．1 前期准备工作

2．3．2 熔炼过程

2．3．3 浇注过程

2．4 多元Al-Si-Cu合金的热处理

2．5 多元Al-Si-Cu合金的实验方法

2．5．1 细化变质处理

2．5．2 不同原砂制砂芯及其壁厚的影响

2．5．3 热疲劳实验

2．5．4 摩擦磨损实验

2．6 多元Al-Si-Cu合金的性能测试

2．6．1 力学性能

2．6．2 其他性能

2．7 多元Al-Si-Cu合金的组织结构分析

2．7．1 金相组织分析

2．7．2 SEM分析

2．7．3 XRD分析

第三章 细化变质对多元Al-Si-Cu合金组织和性能的影响

3．1 引言

3．2 正交试验优化细化变质剂

3．2．1 正交试验设计

3．2．2 正交试验结果

3．2．3 正交试验数据分析

3．3 优化结果验证及其分析

3．3．1 化学成分测试

3．3．2 力学性能测试

3．3．3 显微组织分析

3．3．4 变质效果分析

3．3．5 形成相分析

3．4 本章试验结论

第四章 不同原砂制砂芯及其壁厚对多元Al-Si-Cu合金组织和性能的影响

4．1 冷芯盒精密组芯造型工艺

4．1．1 三乙胺法的基本原理

4．1．2 三乙胺法制芯辅助材料

4．1．3 三乙胺法的制芯工艺

4．2 工艺参数对砂芯性能的影响

4．2．1 原砂含水量对砂芯性能的影响

4．2．2 树脂对砂芯性能的影响

4．2．3 存放时间对砂芯性能的影响

4．3 砂芯及壁厚对合金力学性能和组织的影响

4．3．1 砂芯及壁厚对合金力学性能的影响

4．3．2 砂芯及壁厚对合金组织的影响

4．4 二次枝晶间距分析

4．4．1 二次枝晶间距结果

4．4．2 建立拟合分析模型

4．5 相关性能分析

4．5．1 化学成分

4．5．2 流动性

4．5．3 针孔度

4．6 本章试验结论

第五章 多元Al-Si-Cu合金热疲劳性能的研究

5．1 铝合金热疲劳性能研究现状

5．2 多元Al-Si-Cu合金的力学性能和显微组织

5．2．1 合金的力学性能

5．2．2 合金相和组织的分析

5．3 热疲劳裂纹生长行为研究

5．3．1 温度幅对裂纹生长行为的影响

5．3．2 裂纹萌生与扩展行为

5．3．3 热疲劳裂纹扩展速率变化的分析

5．3．4 组织缺陷对裂纹生长行为的影响

5．4 热疲劳裂纹生长机理分析

5．4．1 裂纹扩展方式

5．4．2 裂纹扩展行径

5．4．3 热疲劳性能表征

5．4．4 氧化作用

5．5 本章实验结论

第六章 多元Al-Si-Cu合金摩擦行为及磨损机理的研究

6．1 铝合金材料摩擦磨损的研究现状

6．2 多元Al-Si-Cu合金的摩擦性能

6．2．1 多元Al-Si-Cu合金的力学性能和显微组织

6．2．2 多元Al-Si-Cu合金的质量磨损率

6．2．3 多元Al-Si-Cu合金的摩擦系数

6．3 多元Al-Si-Cu合金的磨损特征及分析

6．3．1 多元Al-Si-cu台金的磨面形貌

6．3．2 多元Al-Si-Cu合金的亚表面形貌和硬度分布

6．3．3 多元Al-Si-Cu合金的磨屑形貌

6．3．4 多元Al-Si-Cu合金的磨损机理

6．4 本章实验结论

第七章 结论与创新点

7．1 结论

7．2 创新点摘要

参考文献

致谢

博士期间发表论文及其他科研成果