铝合金活塞的时效处理及其充型凝固过程数值模拟的研究

摘要

活塞是发动机的心脏，由于其工作环境恶劣，所以对其强度、热稳定性、耐磨性等性能要求很高。本文通过改变传统时效处理工艺，采用二级时效处理来改善铝合金活塞的力学性能和显微组织。并采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等手段来探讨时效强化作用。此外，对工厂即将生产的一种活塞进行了模其设计，采用UG进行三维制图，采用MAGMASOFT进行铝合金活塞充型和凝固过程数值模拟，优化工艺参数和对铸件进行缺陷预测。
　　 通过改变二级时效的预时效和终时效的温度和时间，来观察活塞力学性能和显微组织的变化。研究表明:经过二级时效处理后，初晶硅的颗粒尺寸较一级时效时明显减小，分布均匀，在时效处理工艺为150℃×2.5h+220℃×2.5h时显微组织及力学性能最好，合金的抗拉强度为335MPa，硬度底部75.0HRB，裙部74.8HRB，金相组织符合一级标准，体积稳定性合格。
　　 对时效过程中的强化作用做了分析，结果为:时效过程中有强化相析出，通过检测，强化相成分主要为:Mg2Si、A13Ni、Q-AlsFeMg3Si6。形成时效强化作用的主要因素有:以上析出相呈与基体呈半共格状态;位错线在滑移过程中，遇到了基体中的析出相时就在析出相的周围缠结在一起;第二相生长过程中，受到阻碍，生长缓慢，形成弥散分布质点，从而有效的抑制局部平面滑移。
　　 结合工厂传统生产经验以及要生产活塞的特点，进行了模具设计，设定传热参数，并利用数值模拟进行优化，最后进行充型和凝固过程的数值模拟。其结果为:预测出裙部，底部和销轴与底部交接处有微量的缩孔，其中温度越高，缩孔越不明显;利用所设计模具，在750℃时进行浇注。并将模拟容易产生缺陷的部位剖解，缺陷几乎没有。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 铝合金活塞生产工艺概况

1．2．1 熔化铝锭

1．2．2 变质处理

1．2．3 毛坯铸造

1．2．4 活塞热处理

1．2．5 活塞加工

1．2．6 国外生产状况

1．3 二级时效的定义及特点

1．4 国内外铝合金时效处理的研究现状

1．5 铸造充型凝固过程模拟内容

1．5．1 凝固过程的数值模拟

1．5．2 充型过程的数值模拟

1．5．3 应力场数值模拟

1．5．4 组织形态的数值模拟

1．6 铸造充型凝固过程数值模拟的意义及研究现状

1．6．1 研究的意义

1．6．2 国内外研究现状

1．7 课题的选题意义及研究内容

1．7．1 课题的选题意义

1．7．2 研究内容

第二章 试验材料和方法

2．1 试验材料

2．2 试验方案

2．2．1 时效处理工艺试验方案

2．2．2 计算机充型凝固模拟实验方案

2．3 实验设备及仪器

2．4 时效处理的研究

2．5 MAGMA数值模拟的研究

2．6 显微组织观察及力学性能测试

2．6．1 洛氏硬度的测定

2．6．2 拉伸性能的测定

2．6．3 体积稳定性的测定

2．6．4 透射电镜观察

2．6．5 扫描电镜观察

2．6．6 金相组织观察

2．6．7 XRD分析

第三章 二级时效温度对铝合金组织和力学性能的影响

3．1 合金显微组织的观察分析

3．1．1 合金的金相组织分析

3．1．2 XRD衍射分析

3．1．3 透射电镜分橇

3．2 合金力学性能的变化

3．2．1 铝合金活塞硬度的变化

3．2．2 铝合金活塞体积稳定性的变化

3．2．3 抗拉强度的变化

3．2．4 断口形貌分析

3．3 本章小结

第四章 不同时效处理时间对合金显微组织和性能的影响

4．1 金相组织分析

4．2 合金硬度的变化

4．3 体积稳定性的变化

4．4 抗拉强度的变化

4．5 合金的断口形貌分析

4．6 本章小结

第五章 活塞的铸造模具设计及数值模拟

5．1 模具的设计

5．2 计算机模拟的预处理

5．2．1 几何构建

5．2．2 设置点

5．2．3 网格的划分

5．2．4 参数的确定

5．3 模拟结果分析

5．3．1 充型过程的温度场分析

5．3．2 凝固过程温度场分析

5．3．3 缺陷预测

5．4 实际生产

5．5 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢