稀土铝合金连杆的半固态成形实验仿真与力学性能研究

摘要

连杆是影响发动机性能的关键零件之一，通常是由小头、杆身和大头组成，连杆小头通过活塞销与活塞相连，大头通过螺栓与曲轴连接。连杆在工作过程中，主要是将活塞承受的力传递给曲轴，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆在实际运转过程中，主要承受拉伸、压缩、弯曲、冲击等交变载荷的复合作用，当连杆的力学性能不能满足使用要求，发生过早的失效断裂时，会产生严重的破坏性事故，甚至导致整台发动机报废。因此，为了提高发动机连杆力学性能，本文主要从稀土铝合金成分的优化、ProCAST的仿真、半固态成形的模拟和实验等方面进行了详细的研究，结果表明半固态成形稀土铝合金连杆的力学性能较高。
　　稀土元素铒非常容易和铝合金中的气体、杂质以及铝合金基体发生作用，使得铝合金的成分和微观结构发生变化，从而起到净化熔体、细化晶粒、改善组织、提高力学性能的作用。本文通过标准试棒的拉伸、硬度和金相分析等方法确定稀土元素铒的最佳加入量为0.2％，此时合金的晶粒尺寸约为60μm，晶粒缩小60％，经过热处理的试样的抗拉强度和硬度峰值分别达到365MPa和116.2HBW，比未加稀土的2A14铝合金提高25.9％和4.4％;同时采用扫描电镜SEM、能谱分析EDS以及X射线衍射XRD等方法分析了新型的2A14-0.2Er合金中元素铒的合金相组织是A13Er和Al8Cu4Er。
　　采用铸造仿真软件ProCAST模拟分析了普通的金属型重力铸造以及新型半固态成形工艺，通过温度场、流场、应力场以及缺陷预测等参数的模拟计算，优化了铸造工艺。结果表明:金属型重力铸造的浇注系统尺寸可以减小为(φ)21mm×46mm（浇口）和(φ)27mm×46mm（冒口）;铸造工艺参数为浇注温度680℃、模具预热温度300℃、铸件留模时间180s;半固态成形的优选工艺为浇注温度625℃、浇注速度2.5m/s、模具预热温度300℃。
　　采用新型的2A14-0.2Er稀土铝合金，根据数值模拟结果进行半固态成形实验，制备了高强度稀土铝合金连杆，通过连杆试样的拉伸、硬度以及金相实验的对比分析，结果表明:半固态成形铸件的晶粒细化、球化效果明显，热处理前的半固态成形铸件的平均晶粒尺寸达到40μm，比普通重力铸造减小了33.3％，同时经过热处理的半固态成形铸件的力学性能与普通重力铸造相比有较大提高，抗拉强度、延伸率和硬度最大值分别达到403MPa、4.52％和HBW134.2，与普通的重力铸造2A14-0.2Er铝合金相比提高了10.4％、58.0％和15.5％。