压铸铝合金汽车空调压缩机缸体缺陷及力学性能的研究

摘要

压铸Al-Si-Cu合金因密度小、铸造性能好和比强度高等优点而被广泛应用于汽车制造领域。但是，压铸Al-Si-Cu汽车压缩机缸体中易存在缺陷（主要包括孔洞和夹杂物），会严重劣化其力学性能。
　　因此，本文采用光学显微镜、3D激光扫描显微镜、扫描电子显微镜、能谱对压铸Al-Si-Cu汽车空调压缩机缸体中孔洞以及夹杂物的性质、尺寸、数量及分布进行研究，揭示孔洞与拉伸性能和冲击性能之间的关系及相应的机理。在此基础上，研发组合时效工艺，从而进一步提高铸件力学性能。
　　孔洞主要有圆形、多边形和带有尖角形三种形状。DOE结果表明，直径较大的孔洞分布在铸件壁较厚的区域。在铸件中夹杂物主要有两类，包括氧化物(γ-Al2O3、α-Al2O3、SiO2)和碳化铝。夹杂物的显微硬度在539～1425.7HV之间，大约是铝基体的5～14倍。造成孔洞和夹杂物的主要原因是在压铸期间，用于润滑活塞和压射缸滴入的冲头油，带入了氢和碳。因此，采用固体石墨润滑活塞和压射缸的新工艺，减少氢气和碳化铝的形成。
　　拉伸实验测得改善压铸工艺前，压铸Al-Si-Cu合金抗拉强度、延伸率分别为230.1MPa和0.71％，改善压铸工艺后抗拉强度、延伸率分别为303.98MPa和2.13％。断面上的孔洞大小、分布都不均匀，随着断面孔隙率的升高，抗拉强度、延伸率逐渐降低，并且断面孔隙率与抗拉强度、延伸率存在着定量的关系。屈服强度却没有随着孔隙率的升高而表现出特定的规律。SEM观察表明裂纹起源于尺寸较大、形状不规则的孔洞，并且裂纹会向周围小的孔洞扩展。在断面上发现了大量的准解理断裂花样，断裂为准解理断裂。
　　冲击实验测得改善压铸工艺前，压铸Al-Si-Cu合金的冲击吸收功为1.4J，断面孔隙率为9.59％。改善压铸工艺后，冲击吸收功为11.31J，断面孔隙率为2.56％。随着断面孔隙率的升高，冲击吸收功显著降低，并且存在定量关系。而体积孔隙率对冲击吸收功没有特定的影响。在断裂过程中，孔洞直径大且深度、形状不规则的孔洞会形成裂纹源，并且会向周围孔洞扩展，裂纹总体沿着Ⅴ型口方向扩展。SEM观察表明，冲击断面上的孔洞大小、分布都不均匀，形状不规则，并且出现了大量解理断裂花，冲击断裂为解理断裂。
　　在组合时效过程（包括第一阶段自然时效和第二阶段人工时效）中，压铸Al-Si-Cu合金显微组织中枝晶逐渐变细并且聚集，逐渐显现出较为圆整且细化的Al基体晶粒。硬度随第一阶段自然时效时间延长而增加，最后趋于稳定。在之后的第二阶段人工时效中，硬度得到进一步提高，随人工时效时间延长而升高。最佳组合时效为:自然时效26h+175℃人工时效9h，所获得的硬度值为HRB59.8。SEM观察α-Al晶粒中析出具有方向性的细小而弥散的沉淀强化相的主要为G.P(Ⅰ)区以及θ

目录

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 压铸Al-Si-Cu合金的化学成分及显微组织特点

1．3 铝合金压力铸造工艺及其发展

1．4 压铸铝合金的主要缺陷

1．4．1 孔洞

1．4．2 夹杂物

1．4．3 凹陷

1．4．4 冷隔

1．5 压铸孔洞对Al-Si-Cu合金力学性能的影响

1．5．1 压铸孔洞对拉伸性能的影响

1．5．2 压铸孔洞对冲击性能的影响

1．5．3 压铸孔洞对疲劳性能的影响

1．6 铝合金时效工艺及其对性能的影响

1．7．1 课题的研究意义

1．7．2 课题的研究内容

第二章 实验材料、设备及方法

2．1 实验材料

2．2 生产工艺路线

2．3 缸体孔洞观察部位

2．4 组合时效工艺

2．5．1 拉伸实验

2．5．2 冲击试验

2．5．3 洛氏硬度测试

2．5．4 显微硬度测试

2．6．1 试样制备及OM观察

2．6．2 SEM和EDS观察

2．6．3 FESEM观察

2．6．4 3D测量激光显微镜观察

2．6．5 断面孔隙率测量

2．6．6 冲击式样体积孔隙率测量

2．6．7 DOE分析

2．7 夹杂物形状因子分析

第三章 压铸Al-Si-Cu合金汽车空调压缩机缸体缺陷形成机理的研究

3．1 引言

3．2．1 试样孔洞分布及形貌的光学显微镜观察

3．2．2 孔洞的SEM观察及EDS分析

3．2．3 孔洞分布的DOE分析

3．3 夹杂物

3．3．1 夹杂物宏观观察

3．3．2 微观观察

3．3．3 多片状形状影响因子

3．3．4 夹杂物显微硬度分析

3．3．5 EDS分析

3．4．1 气孔

3．4．2 夹杂物形成机理

3．5 工艺改善

3．6 本章小结

第四章 压铸Al-Si-Cu合金中孔洞对拉伸性能的影响

4．1 引言

4．2．1 拉伸曲线

4．2．2 断面孔隙率

4．3 压铸Al-Si-Cu合金试样拉伸机理

4．3．1 拉伸宏观断口

4．3．2 拉伸微观断口

4．3．3 拉伸行为机理

4．4 本章小结

第五章 压铸Al-Si-Cu合金中孔洞对冲击性能的影响

5．1 引言

5．2．1 孔洞与冲击吸收功

5．2．2 孔隙率与冲击吸收功

5．2．3 孔洞最大尺寸、深度及形貌

5．3 压铸Al-Si-Cu合金试样冲击机理

5．3．1 冲击宏观断口

5．3．2 冲击微观断口

5．3．3 冲击行为机理

5．4 本章小结

第六章 压铸Al-Si-Cu合金组合时效的研究

6．1 引言

6．2．1 原始组织OM观察

6．2．2 固溶淬火显微组织OM观察

6．2．3 时效后显微组织OM观察

6．2．4 时效前显微组织SEM观察

6．2．5 时效后显微组织EDS分析

6．3 自然时效对硬度的影响

6．4．1 自然时效2h后人工时效

6．4．2 自然时效14h后人工时效

6．4．3 自然时效26h后人工时效

6．5．1 自然时效

6．5．2 人工时效

6．6 DOE分析

6．7 结论

第七章 结论与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

作者在攻读硕士学位期间发表的专利

作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

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