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重力铸造汽车发动机缸体用新型铝硅合金变质处理的研究

刘光磊  
【摘要】: 汽车工业正朝着轻量化、高速、舒适、节能、低排放的方向发展,发动机作为汽车的心脏,重量约占整车重量的三分之一,其性能和重量直接关系到汽车的价值。采用全铝发动机不但可以显著提高发动机的性能,还可减轻发动机的重量。国内铝合金缸体的工业化生产发展缓慢主要受制于三个方面:缸体材料性能达不到要求,重力铸造工业化生产工艺不成熟,生产装备落后。今后研究的重点,就是要解决缸体材料的问题。 基于此,本论文通过优化复合变质处理进一步提高了新型亚共晶铝硅合金的综合性能。采用金属型重力铸造法,探索了AlTi_5B, Al-lOSr和复合稀土单-变质对该合金组织和性能的影响;利用正交试验法优化复合变质,并对复合变质合金的组织和性能进行检测。采用了X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、光谱仪和光学显微镜分析(OM)等手段以及基本的力学性能测试法对其进行了研究,获得的研究结果如下: 1、AlTi_5B变质处理后合金的抗拉强度和硬度都有显著提高,当Ti=0.04 wt.%时,抗拉强度、伸长率和布氏硬度都达到其最大值,分别为245.27MP_a、2.535%和80.24。RE变质后合金伸长率有显著影响,当RE=0.4wt.%,其最小值3.03%也远远高于母合金的2.3%。Sr变质后,抗拉强度下降20MPa左右;对伸长率和硬度的影响都比较小。 2、组织方面:AlTi_5B变质后Si相变为近球状;由于α相依附于Al_3Ti上形核,使晶粒得到了细化;条形AlCu相由粗变细而且分布均匀,起到强化晶界的作用;杂质Fe相形状变得圆整,削弱了负面影响。RE变质后Si相变为短棒状;RE与Si、Cu形成了片状的T (AlSiCuNd)相,而在AlCu相中又与Fe等元素形成了T(AlSiCuMnFeNiNd)相,形状更为纤细,严重割裂了铝基体;伸长率显著提高是因为在640℃富Al稀土相与Al形成共晶,这些共晶组织在晶界处形成骨架,起到晶界强化作用。Sr变质效果最为理想,但对其熔体表面氧化膜分析表明,SrO与Al_2O_3形成的复合氧化物SrAl_2O_4使氧化膜变得更加疏松、脆弱并极易开裂,造成熔炼过程吸气严重,针孔率上升。 3、正交试验优化复合变质处理结果表明:选择抗拉强度指标的权值为W1为0.7,伸长率指标的权值为W_2为0.2,硬度指标的权值为W_3为0.1进行综合分析结果表明:复合变质剂的最佳配合为Sr=0.01wt.%,RE=0.3wt.%,Ti=0.04wt.%。 4、优化复合变质处理后合金的力学性能检测结果为:抗拉强度232Mpa,伸长率2.66%,布氏硬度78.4,流动性22.1个格,综合性能有了明显的提高,满足制备汽车发动机缸体的要求。金组织分析表明:三种变质剂的作用相互之间得到了强化。α-A1相得到极大的细化且晶粒轮廓清晰,等轴晶占面积大;Si相变成圆点状或颗粒状,变质效果优异。其次,与Sr变质的合金相比,针孔率大大降低,而且晶界处的金属间化合物尺寸大幅度减小,其形状变为羽毛状或近似羽毛状。


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