铝铁双金属铸造工艺及其复合界面的研究

摘要

复合材料由于能将不同材料的优势结合起来，在全球的各个领域都正在发挥着越来越重要的作用;关于复合材料的研究，也吸引着越来越多专家和学者的目光。而双金属复合铸造材料，由于采用铸造方法合成，工艺简单，成本低廉，具有很大的应用前景，但是浇注过程中两种金属接触时间短，降温速度快，严重影响着二者的结合，这也成为制约双金属复合铸造材料生产和应用的瓶颈。因此，如何使双金属铸件具有良好的结合和性能，是本文研究的重点。
　　 为用铸造方法得到铝铁复合线材，降低铝包钢芯铝绞线的生产成本而设计本实验。自行设计复合铸造模具，在洁净的铁丝表面预先进行热浸镀铝处理一定时间，用出炉温度在800℃的铝液浇注试样，通过金相显微镜和扫描电子显微镜观察发现:铝和铁的界面处形成了宽度为10μm～30μm的结合区域，成分分析结果表明其中铝的质量分数为50.37％，原子分数67.75％。由元素质量分数和相关热力学数据判定结合区主要由Fe2Al5和FeAl构成，其显微硬度值在HV250以上。相同浇注温度下未经热浸镀铝处理得到的试样，通过金相观察、能谱分析和显微硬度测试，证实了铝和铁间形成了宽度为10μm的缝隙。实验结果说明，采用预先浸镀后浇注的工艺可以实现铝和铁的冶金结合，为实现铸造工艺得到铝铁复合线材的构想提供出了初步的支持。
　　 为增加铝铁之间的扩散，增强双金属铸件的结合而设计实验，将常用合金元素Ni、Cr和Zr以1％-2％的质量分数加入工业纯铝中作为热浸镀熔体，其他实验参数保持不变。经过形貌观察、成分分析和性能测试，三种元素都极大得提高了铝铁原子的扩散，结合层宽度明显增加，达200-400μm;并且结合区由FeAl、Fe2Al5、FeAl3等多种相构成;另外，Fe通过长程扩散和Al原子形成金属间化合物在Al基体中析出，在加入Cr的试样中，球状弥散分布的新相对材料性能有积极作用。而加入的微量合金元素并不影响其导电性，并提高了耐蚀性。
　　 为解决汽车发动机缸体用铝合金强度和耐磨性不足的问题，设计实验进行汽车发动机缸体用双金属复合材料。将经过表面清洁处理的灰铁250在ZL101A铝合金熔体中进行热浸镀处理，控制热浸镀时间，分别控制热浸镀时间为5min，10min，15min和20min进行热浸镀处理，然后用出炉温度在750℃的ZL101A铝合金浇注试样，取样后在金相显微镜和扫描电子显微镜下进行微观组织观察，发现随温度的升高和时间的增长，两种合金的结合区域从无到有，过渡区域宽度逐渐增加，从20μm到70μm。实验结果表明，热浸镀时间和温度是影响试样结合质量的关键。
　　 利用500℃固溶4小时+200℃时效处理6小时的工艺对所得铸件进行热处理。结果表明，热处理后铝铁复合铸件过渡区明显变宽，特别是加入Cr后热浸镀的试样，过渡区变得均匀平缓，宽度能达到数百微米，而弥散分布的球状Fe-Al相可延伸1mm左右，甚至肉眼可见。但对于HT250和ZL101A双金属复合铸件的结合区影响不大。

目录

声明

摘要

本文的创新与主要贡献

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 双金属复合铸造材料

1．1．2 双金属复合铸造工艺研究现状

1．1．3 铝包钢芯铝绞线应用现状

1．1．4 汽车用发动机缸体缸盖材料的发展及现状

1．2 本文研究的目的和主要内容

1．2．1 研究意义

1．2．2 研究目标

1．2．3 研究内容

第二章 实验研究方法与实验设备、材料

2．1 研究方案及技术路线

2．2 实验材料

2．3 实验设备

2．3．1 中频感应加热炉

2．3．2 浇注用模具

2．4 分析测试设备

2．4．1 热场发射扫描电镜

2．4．2 能谱仪

2．4．3 显微硬度计

2．4．4 高温高精度电阻测量仪

2．4．5 回转振动式高温熔体黏度测量仪

第三章 铝包钢芯铝绞线双金属复合铸造工艺研究

3．1 引言

3．1．1 润湿性实验

3．2 表面热浸镀预处理对铸件结合面的影响

3．2．1 实验方案

3．2．2 实验结果

3．2．3 结果讨论

3．3 热浸镀熔体成分变化对铸件结合区的影响

3．3．1 实验方案

3．3．2 实验结果

3．3．3 热浸镀熔体成分对材料硬度的影响

3．3．4 热浸镀熔体成分对材料导电性的影响

3．3．5 热浸镀熔体成分对材料耐蚀性的影响

3．3．6 热浸镀熔体黏度的测量

3．3．7 讨论

3．4 本章结论

第四章 汽车发动机缸体缸盖用双金属复合铸造工艺研究

4．1 引言

4．2 热浸镀工艺参数对双金属结合区组织的影响

4．2．1 实验方案

4．2．2 实验结果

4．3 热浸镀工艺参数对铸件硬度的影响

4．4 本章结论

第五章 热处理对双金属复合铸造结合面的影响

5．1 热处理工艺方案

5．2 热处理对铝铁双金属复合铸件的影响

5．2．1 实验结果

5．3 热处理对HT250、ZL101A复合铸造的影响

5．3．1 实验结果

5．4 本章结论

第六章 全文总结及展望

参考文献

致谢

附录

学位论文评阅及答辩情况表