铝/钢液—固复合铸造工艺及其组织性能研究

【摘要】：随着轻量化的发展，复合材料的应用成为当前工业领域的主要研究方向之一。本文结合工厂活塞的实际生产，对铝钢液固复合工艺进行了研究。铸态铝合金活塞在实际工作环境中易发生热应力开裂现象，为了防止这种情况，通常在铸造过程中采用固态钢条与液态铝合金铸造复合的工艺。然而钢铝异种金属之间的复合连接过程不易控制，两者之间是否能形成性能良好的冶金结合界面是重点和难点。本文通过对铝/钢液固复合工艺及界面组织的研究，对该工艺提出了优化探讨和理论支持。重点研究了Q235冷轧钢基底的表面处理、铝/钢液固复合工艺对钢铝复合样品界面组织和性能的影响。 钢材在大气工作环境下，容易在表面形成一层氧化物铁锈层。本文研究的铝/钢液固复合项目的最终目的是达到铝钢之间的冶金复合。而该层氧化物将极大的阻碍了冶金复合进程，即使成功达成冶金复合，也会在界面中引入大量的杂质，严重影响了复合层的质量进而影响工件的强度。本文采用酸洗除锈后热浸镀熔盐、电化学镀金属镀层等表面处理对钢材基底进行了处理，以期解决钢铝复合过程中自然氧化和二次氧化的问题； 为了实现良好的冶金结合，本文通过控制液固双金属复合过程中的温度、压强、预热温度、保温时间等参数，同时排除实验过程中的二次氧化干扰，对不同工艺参数所得到的钢铝复合结果进行了分析。最后分析结果表明：采用Ni-Cu镀层表面处理、浇铸温度730℃、预热时间90s、保温时间90s的工艺参数所得的样品性能最佳； 根据所研究出的最佳工艺参数，对工厂实际生产的柴油机铝合金活塞(ZL109)加装防开裂钢条(DC01)工艺进行了改进，钢铝冶金复合结果达到预期，效果良好。 结果表明：对Q235钢基底进行表面处理可以有效地改善ZL109铝合金在Q235钢基底表面的润湿性；选取适当的预热温度和预热时间，是钢铝形成冶金结合的必要条件。镀Ni-Cu复合镀层可以很明显地改善铝钢液固结合中的润湿性并防止二次氧化的产生。通过该工艺复合的Q235(700℃)/ZL109(730℃)复合界面为冶金结合，界面组织为α-Fe、α-Al、FeAl3、Fe2Al5金属间化合物，并能将厚度控制在15μm到20μm之间,显著提高复合界面的剪切强度。而采用该工艺方案的DC01钢片与ZL109铝合金活塞结合情况良好，满足实际使用需求。