（材料学专业论文）高硅铝基合金压铸工艺及性能的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 本文以a 1 1 0 s i 、a 1 2 0 s i 和a 1 3 0 s i 三种高硅铝基合金为研究对象，基于 液态压铸技术，研究了高硅铝基合金重力铸造与液态压铸试样的组织和性能，开 展了高硅铝基合金压铸工艺的研究，研究了压射速度、浇注温度对压铸试样的微 观组织和力学性能的影响。在此基础上，考察了s i 含量对高硅铝基合金显微组织 和力学性能的影响。实验结果表明： 与重力铸造相比，压铸可明显细化高硅铝基合金组织中的初生a a l 、共晶和 初生s i 相，抑制初生s i 相的生长，提高合金的力学性能。随着压射速度的增大， a 1 10 s i 和a l 一2 0 s i 合金试样的拉伸强度、伸长率和冲击韧性先增大而后减小， 硬度逐渐降低；a 1 3 0 s i 合金试样的拉伸强度、伸长率、冲击韧性和硬度先增大 而后减小。随着浇注温度的升高，a 1 1 0 s i 和a 1 2 0 s i 合金试样的拉伸强度、伸 长率、冲击韧性和硬度先增大而后减小；a 1 3 0 s i 合金力学性能则随着浇注温度 的升高而提高。在压铸工艺参数为浇注温度7 2 0 、压射速度2 5 m s 、模具温度 1 5 0 、工作压力16 0 b a r 时，a 1 1 0 s i 合金压铸件的抗拉强度2 3 3 m p a ，伸长率 8 5 7 ，硬度5 7 9 ：a 1 2 0 s i 合金压铸件的抗拉强度2 8 0 m p a ，伸长率4 8 3 ，冲击 韧性2 5 5 6 j c m 2 ，硬度8 0 6 。在压射速度2 5 m s 、浇注温度7 4 0 时，a 1 3 0 s i 合金 可获得良好的显微组织和力学性能，抗拉强度2 4 0 m p a ，伸长率2 9 7 ，冲击韧性 1 5 9 5 j c m 2 ，硬度8 8 9 。 随着s i 含量的增加，压铸高硅铝基合金s i 相数量逐渐增多，s i 相不断长大。在 优化的工艺参数下，随着s i 含量的增加，高硅铝基合金的抗拉强度先增大而后减 小，硬度逐渐提高，而伸长率和冲击韧性则逐渐降低。在所研究的高硅铝基合金 中，从力学性能看，s i 含量在2 0 时，合金的综合性能较好。 关键词：高硅铝基合金；压铸；显微组织；力学性能 a bs t r a c t t h i sp a p e ra i m e da tt h r e ek i n d so fh i g hs ia l - b a s e da l l o y sa l - 1 0 s i ，a l - 2 0 s i a n da 1 3 0 s ia l l o y t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ep r o d u c t s m a d eo fa 1 s ia l l o y su n d e rl i q u i dd i ec a s t i n ga r ei n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e d w l t ht h o s e u n d e rn o r m a lc a s t i n g t h ed i ec a s t i n gp r o c e s so f a l - s ia l l o y sw a sd e v e l o p e do na c o l d c h a m b e rd i ec a s t i n gm a c h i n e t h ee f 托c t so fi n j e c t i o nv e l o c i t y ，p o u r i n gt e m p e r a t u r eo n t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f h i g hs ia l - b a s e da l l o y sd l ec a s t l n g w e r ei r e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z e dd i ec a s t i n gp r o c e s s ，m e e f 托c t so tt h e c o n t e n to fs io nt h ep h a s ec o n s t i t u t i o n s ，m i c r o s t m c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t l e so t a l 。s 1 a l l o v sw e r es t u d i e d ，f r a c t u r es u r f a c ea r ea n a l y z e db ys e m t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a c t h el i q u i dd i ec a s t i n gh a v eb e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t yt h a nt h a to f t h en o r m a l c a s i n g ，a n do b v i o u s l yr e f i n et h ee u t e c t i c s t r u c t u r ea n dt h ep r i m a r yp h a s e s 【p r l m a r ) ， a a la n ds ip h a s e ) ，r e s t r a i nt h eg r o w t ho fp r i m a r ) r s ip h a s e w i t ht h ei n c r e a s eo t h e i n j e c t i o ns p e e d ，f o ra l 一10 s ia n da l 一2 0 s ia l l o y s ，t h e t e n s i l es t r e n g t h ，p e r c e n t a g e e l o n g a t i o na n di m p a c tt o u g h n e s s i si n c r e a s e dn r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e d ，w h i l eh b s i s d e c r e a s e d ：f o ra 1 3 0 s ia l l o y ，t h et e n s i l es t r e n g t h ，p e r c e n t a g ee l o n g a t i o n a n d1 m p a c t t o u 曲n e s sa n dh b si si n c r e a s e dn r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s eo t - t n e p o u r i n gt e m p e r a t u r e ， f o ra 1 10 s ia n da l 一2 0 s ia i l o y s ， t h et e n s l i es t r e n g t n ， p e r c e n t a g ee l o n g a t i o n ，i m p a c t t o u g h n e s s a n dh b si s i n c r e a s e df i r s t l y a n dt h e n d e c r e a s e d ：f o ra 1 3 0 s ia l l o y ， t h et e n s i l es t r e n g t h ，p e r c e n t a g ee l o n g a t l o n ，l m p a c t t o u g h n e s sa n dh b si sa l w a y s i n c r e a s e d w h e ni n j e c t i o nv e l o c i t y2 5 m s ，p o u n n g t e m p e r a t u r e7 2 0 ，m o u l dt e m p e r a t u r e l5o ，w o r kp r e s s u r e16 0 b a r ，t h em e c h a m c a i p r o p e r t i e s o fa 1 1 0 s ia l l o y ：o b = 2 3 3 m p a ，6 5 = 8 5 7 ，h b s = 5 7 9 ； t h em e c h a n l c a l p r o p e r t i e so fa 1 2 0 s ia l l o y ：o b = 2 8 0 m p a ，6 5 = 4 8 3 ，a k 2 2 5 5 6 j c m z ，h b s 5 8 0 6 a n d i n i e c t i o nv e l o c i t y 2 5 m s ，p o u r i n gt e m p e r a t u r e7 4 0 w e r et h eo p t i m i z e dd l ec a s t l n g p r o c e s sp a r a m e t e r sf o rt h ea 1 3 0 s ia l l o y t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l - 3 0 s i a l l o v ：o b = 2 4 0 m p a ，6 5 = 2 9 7 ，a k = 15 9 5 j c m 。，h b s2 8 8 9 w i t ht h ec o n t e n to fs ii n c r e a s i n g ，t h em a g n i t u d eo fp r i m a r ) r s im c r e a s e d ，t n e p r i m a r ys is p e e d i n e s sg r o 、t h w i t ht h ec o n t e n to f s ii n c r e a s i n g ，s 1 1 1 c o nl sd e t n m e n t a l l l 硕十学位论文 t ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tr o o mt e m p e r a t u r ew h e ni t sc o n t e n ti sm o r et h a n2 0 h a r d n e s sc a nb ei m p r o v e d h o w e v e r ，t h ep e r c e n t a g ee l o n g a t i o na n di m p a c tt o u g h n e s s i sd e c r e a s e d f f o mt h ep r o p e r t i e so fh i g hs ia l b a s e da l l o y s ，t h ea l l o yc o n t a i n i n g 2 0 s ip o s s e s s e dt h eb e s tm e c h a n i c a lp r o p e n i e s k e yw o r d s ：h i g hs ia l - b a s e da o y s ；d i ec a s t i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a l p r o p e r t y v i i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：场馏九 日期：勿叩年多月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 日期：御年莎月7 日 日期：砷年莎月7 日 硕l j 学位论文 第1 章绪论 1 1 铝硅合金的组织特征和性能 铝硅合金是典型的二元共晶型合金，a 1 s i 合金二元相图如图1 1 所示。从图1 1 可知，在室温下，a 1 s i 合金分为两相：s i 在a l 中形成的固溶体a 相和a l 溶于s i 中的 固溶体p 相。0 【相性能与纯铝相似，也可以写做( a 1 ) 相，而p 相中a l 的溶解度至今尚 未确定，由于其含量甚微，故可将b 相看作为纯s i ，即s i 相。亚共晶铝硅合金凝固 时首先在熔体中析出初生a 相，过共晶铝硅合金凝固时首先在熔体中析出初生s i 相，当温度降至5 7 7 时，析出的( + s i ) 被称作为共晶组织。在熔体未作处理时， 初生s i 呈粗大的多角形块状或板条状，共晶s i 呈细长的针片状。同时，随着合金元 素及其含量的不同，会形成一系列不同的相，如a 13 m 9 2 、a 13 f e 、m 9 2 s i 、a 1 2 c u 、 a 1 6 ( f e m n ) 等，这些相的形态、大小、分布同样影响着合金的性能【1 1 。 数燃驴鞠嘴翻譬s 稚叠伪n o辨扔拗铘筋鳓粥豹锵| l 嬲，州_ _ _ _ _ h _ _ _ _ - 嘲_ - - _ _ - _ _ - _ _ - _ _ _ - _ | _ _ ，啼 l 1 0 0 卜 辫 钧o 鳜 躺 钕蚋阮嘲融蹴獬 图1 1a 1 s i 合金二元相图 铝硅系合金中硅作为该类合金的主要合金元素加入，提高了合金的铸造性能、 改善了流动性、降低了热裂倾向性、减少了缩松、提高了气密性可获得组织致密 的铸件。经过变质后，具有良好的力学性能、物理性能和切削加工性能1 ，2 1 。对于 过共晶铝硅合金，由于凝固析出初生硅时会放出大量的结晶潜热的缘故，熔体显 高砖铝幕合余乐铸t 艺及件能的研究 示出较好的流动性，含硅量超过18 时，流动性也会有所下降【3 j 。随着硅含量的增 加，线收缩率减小，铸造性能相对于共晶和亚共晶成分较好；同时伴随着结晶温 度范围的扩大，一些铸造缺陷也会逐渐显现，如合金的缩松倾向增大、气密性降 低。过共晶铝硅合金具有比重小、耐磨性好、耐蚀性好、热裂倾向小、体积稳定 性高等特点，是制备发动机活塞类零件的理想材料【4 培】。过共晶铝硅合金按含硅量 可分为三组：i 组含硅l7 19 ；i i 组含硅2 0 2 3 ；i i i 组含硅2 4 2 6 。 i 、i i 两组有一定的塑性、铸造性能尚可，并具有较好的使用性能，使用较多； i i i 组虽然热膨胀系数更低、耐磨性和耐蚀性更好，但由于脆性大、结晶温度范围 宽、铸造性能差。要求铸造性能好的取i 、i i 两组，要求服役性能好的取i i i 组。 当s i 含量超过6 时，称为高硅铝合金，高硅铝合金的主体是共晶组织，存在大量 的粗大枝晶初生0 【相、板条状初生硅和针片状共晶硅【l 】。该类合金存在以下几个问 题：一是存在粗大板条状的初生硅和针片状的共晶硅，造成的应力集中引起合金 力学性能的下降；二是初生硅相硬度很高，使得该合金的机械加工性能较差；三 是随着硅含量的增多，硅颗粒偏聚明显，造成材料性能的不均匀，严重影响使用 性能。以上三个问题与s i 相的形态、尺寸和分布、初生a l 、二次相金属间化合物 及孔隙的形态、大小与分布有关，改善以上因素对提高该合金的使用性能是十分 重要的【9 1 。 s i 是该类合金组织中的第二相，它改善了合金的铸造性能，其形态、尺寸和 分布与合金的力学性能密切相关。s i 对合金的基体强度与韧性均有所削弱 ( s 6 ) 。如果s i 相细小、圆整、分布均匀，既提高力学性能又改善合金的加工 性能。因此，a 1 s i 合金主要是通过合金元素强化、改变第二相组织、减少合金杂 质含量等，以提高合金的力学性能。 1 2 铝硅合金制备方法的研究现状 铝硅合金的制备技术主要有熔炼铸造、快速凝固粉末冶金、喷射沉积和压力 铸造等方法1 0 】。 1 2 1 熔炼铸造法 传统a 1 s i 合金的制备主要采用熔铸法，在重力铸造条件下，未变质合金的组织 中会出现针状共晶硅，甚至出现粗大的多角形板状的初生硅，严重的割裂了a l 基 体，在s i 相的尖端和棱角处引起应力集中，合金容易沿晶粒的边界处或板状s i 本身 开裂而形成裂纹，使合金变脆，力学性能特别是伸长率显著降低，切削性能也不 好。铸造铝硅合金性能与合金组织中a a l 、共晶和或初生s i 等的形态、大小及分 布密切相关，改善这些因素对于提高合金的使用性能具有十分重要的作用。其中 细化变质处理是铝硅合金制备的关键。铝硅合金的细化变质，按细化变质的对象 2 硕f j 学位论文 来分，包括0 【固溶体、共晶硅和初生硅三个部分。对0 【固溶体的细化，通常是向a l s i 合金熔体中加入一定量的细化剂，使a 固溶体由粗大树枝状枝晶变成细小等轴晶。 主要是加入a 1 t i b 和a 1 b 中间合金，起细化作用的主要元素是b 、t i 。对共晶硅 的变质，即是通常所说的铝硅合金的变质处理，使长针状的共晶硅转变为粒状且 均匀分布。对初生硅的细化，主要使粗大的初生硅转变为尺寸比较小的颗粒，使 其分布均匀。铝硅合金的细化变质，按细化变质采用的方法来分，一是改变外界 条件，二是控制金属熔体的结构。改变外界条件的方法，基本上有增大冷却速度、 提高外界压力、电磁搅拌或机械搅拌以打碎枝晶等。外界条件的变化是通过改变 液态金属外在的凝固条件，如冷却速度，影响结晶过程，从而达到预期细化晶体 的目的。这类措施并没有改变金属凝固前的熔体结构。控制金属熔体结构的方法 主要是以改变熔体化学成分的手段来影响合金凝固的趋势，从而达到细化的目的。 适当的变质剂及变质工艺密不可分。总的说来，共晶铝硅合金和过共晶铝硅合金 的变质剂是不同的，共晶铝硅合金的变质目标是共晶硅；过共晶铝硅合金的目标 是初生硅，同时对共晶硅也有变质效果。用于共晶硅的变质元素主要是n a 、s r 、 b a 、s b 等。用于初晶硅的变质元素主要是p 。经过适当的变质处理后，合金的常温 及高温力学性能性能均可大幅度提高。最近用r e 来对a 1 s i 合金进行变质处理的研 究比较多，有研究表明，r e 能同时细化初生和共晶s i 。更近的有一些报道r e + x 的 复合变质或者三元变质取得了良好的效果【i 。重力铸造铝硅合金工艺流程如图 1 2 ： 图1 2 重力铸造铝硅合金制备工艺流程图 1 2 2 快速凝固粉末冶金法 快速凝固是指由液相到固相的转变非常快，冷却速度一般在1 0 4 s 以上。由 于快速凝固是在如此极端的冷却条件下进行，所以可获得传统铸造不能获得的成 分、组织和微观结构，可极大的提高合金元素的固溶度，获得少偏析或者无偏析 的组织。快速凝固粉末冶金( r s p m ) 铝硅合金制备工艺流程如图1 3 ： 图1 3 快速凝固粉末冶金( r s p m ) 铝硅合金制备工艺流程图 这种方法的关键工序是粉末的制备和粉末预压，粉末制备目前生产中常用的 3 赢砰锅幕合会斥铸t 艺及1 ，l ：能的研究 方法是超音速气体雾化法，即利用超音速气体喷射金属液流使其分解成细小熔滴， 在强制气体对流下使熔体快速冷却后凝固形成细小粉末。粉末预压工艺一般有热 挤压和热锻，主要通过热挤压和热锻使粉末表面氧化层破碎，使粉末之间通过焊 合而牢固的结合在一起。粉末冶金法制备快速凝固铝硅合金工序较多，使生产成 本较高，而且用这种方法制备的铝硅合金存在原始颗粒界面问题，因此合金韧性 相对较差【1 2 】。快速凝固工艺应用于过共晶a 1 s i 合金主要优点体现在以下几个方 面：快速凝固极大的冷却速度和大的过冷度，熔体在极短的时间内凝固，可以 产生更多的结晶核心，并在大的过冷度下生长，凝固时间极短，可以使s i 相得到 显著细化。快速凝固能够显著提高合金元素的固溶度，可以在熔体中加入合金 元素以改善合金的其他性能。例如在常规凝固条件下，f e 在铝合金中形成粗大针 状的p 相( a 1 5 f e s i ) ，而在快速凝固条件下，过饱和的f e 在较高的温度下脱溶沉淀形 成细小的p 相，可以大大提高材料的高温性能。 1 2 - 3 喷射沉积法 英国o s p r e y 金属有限公司率先推出的一种集快速凝固，半固态加工和近终成 形于一体的工艺，简称为“o s p r e y 成形法”，如图1 4 所示。 图1 4o s p r e y 示意图 该工艺的实质是：将液体金属在快速气体( n 2 ，a r 2 ) 作用下雾化成微细颗粒， 这些极细小的金属熔滴高速飞行，在尚未完全凝固前被喷射沉积在一定形状的收 集基板上，快速凝固而获得致密的金属半成品。喷射沉积铝硅合金制备工艺流程如 图1 5 ： 图1 5 喷射沉积( s f ) 铝硅合金制备工艺流程图 喷射沉积法是在气体雾化基础上发展起来的快速凝固技术，该法将制粉和粉 末预压合为一体，简化生产流程，降低生产成本，解决了粉末冶金法中原始颗粒 界面问题，使合金韧性得到改善。该法具有其它快速凝固工艺无法比拟的特点， 得到细小、致密、成分均匀的组织，简化生产工序，降低生产成本。适用于生产各 4 砀! 十学位论文 种形状的预成形金属制品。喷射沉积高硅铝合金的组织主要由a l 基，硅颗粒及少 量孔洞组成，组织均匀细小。然而，由于喷射沉积制备的锭坯存在一定的孔隙度， 给材料性能带来了不利影响，须经过后续加工工艺，如热锻，热挤压，热等静压 等方法来提高其致密性。 1 2 4 压力铸造法 压力铸造( 压铸) 的实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充 填压铸型型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。高压和高速充填压铸 型是压铸的两大特点【i3 1 。在压铸条件下，压力和快速凝固能够细化过共晶铝硅合 金组织，超高压下合金凝固组织为非平衡组织，冷却速度对合金中的初生s i 组织 有重要影响【1 4 。1 8 】。张士佼【1 9 1 利用含硅( s i ) = 1 5 的a 1 s i 系合金，讨论了压铸条件 下过共晶a 1 s i 系合金进行a 1 p 变质处理的必要性。结果表明，压铸工艺和变质处 理对过共晶a 1 s i 系合金组织都具有一定的细化效果，在a 1 p 中间合金变质处理和 压铸工艺双重作用下，细化效果更加明显。在压力下结晶时，a 1 15 s i 合金一方面 与低温压铸模接触导致合金液温度下降使得结晶过冷度增大；另一方面压力使表 面张力降低，从而导致临界晶核尺寸减小，结晶核心数目增加。压力还可以降低 溶质元素在金属液中的扩散系数，使原子的扩散率减慢，硅结晶延迟。另外，金属 液在高压下快速凝固，在比较高的冷却速度下，周围晶体的生长可以抑制初生s i 的生长，从而使初生s i 得到细化。在a 1 p 变质处理和高压下快速凝固的双重作用 下，可以得到比较明显的细化效果，初晶s i 尺寸减小到lo u m 左右，与未变质金属 型条件下的3 0 5 0 “m 相比，减小幅度在7 5 以上；与未变质压铸条件下的1 0 2 5 “m 相比，减小幅度为4 0 左右。共晶硅也变得更加细小，由片状和短杆状变为 细小的片状。 由于重力铸造冷速低，当s i 含量很高( 2 6 ) 时，仅依靠变质处理并不能使s i 细化到理想的效果，存在严重的宏观偏析、晶粒粗大等问题。因此，采用新制备 工艺显得尤为重要。快速凝固粉末冶金工艺复杂，成本高，粉末在储存和运输过 程中易氧化，难以适应现代工业发展的需要。而喷射沉积制备的锭坯存在一定的 孔隙度，给材料性能带来了不利影响，必须经过后续加工工艺。压铸生产效率高， 产品质量好，铸件尺寸精度高，一般不再机械加工而直接使用或加工量很小，既 提高了金属利用率，又减少了大量的加工设备和工时，使铸件成本下降。可见， 压力铸造是一种既能获得优异材料性能，成本又较低的工艺，是非常有发展前景 的工艺方法。 1 3 压铸铝硅合金的研究现状 目前，工业上应用的压铸铝合金主要有以下几大系列：a l s i 、a 1 m g 、a 1 s i c u 、 高砖铝荜合令斥铸t 艺及件能的研究 a 1 s i m g 等。压铸铝合金具有较高的比强度，良好的抗蚀性能和铸造性能，加工 性能和可再生性及优良的导电导热性能，广泛应用于汽车、航空航天和电器工业 等工业领域。随着汽车等工业的发展，铝合金压铸件的产量每年以将近1 3 的速 率增长，其产量占所有压铸件产量的7 5 以上【2 0 之1 1 ，且铝合金压铸件向着高强度、 高质量方向发展，这必将对铝合金压铸技术的进一步发展起到积极的推动作用。 1 3 1 压铸铝硅合金的开发 传统压铸件不宜进行热处理，这制约了压铸铝合金力学性能的提高。目前， 压铸铝合金已广泛应用于汽车结构件的生产，但对于车体等对力学性能要求高的 压铸件，仅靠现有压铸铝合金尚难满足需要。现有压铸铝合金牌号如表1 1 所示。 表1 1压铸铝合金牌号对照表 为提高压铸铝合金的力学性能，扩大压铸铝合金的应用范围，国内外研究人 员一直在进行新型压铸铝合金的开发，主要包括两个方面：一是通过合金成分优 化或添加合金元素的方法对现有合金优化；二是新型压铸铝合金的开发。 1 3 1 1现有压铸铝合金的优化 ( 1 )a l 。s i c u 系及a l s i m g 系 a 1 s i c u 系合金具有良好的铸造性能，中等的力学性能，典型合金有 a l s i 8 5 c u 3 5 和a l s i l1 c u 3 【6 1 。冯俊【2 2 1 利用稀土元素对y l l l 2 ( a l s i 8 5 c u 3 5 ) 合金化， 开发了a 1 s i c u r e 压铸合金，该合金具有良好的流动性、耐磨性、气密性和机加 工性能，高温性能，其力学性能明显优于同类铝硅铜压铸铝合金。可用于汽车变速 箱、发动机壳体、气阀、方向器、活塞、轮毂、高科技电子产品和高温环境下的 航空器件上。饶劲松【2 3 】在a d c l 2 ( a l s i l1 c u 3 ) 压铸铝合金成分的基础上，通过成分优 化设计，并对合金进行晶粒细化及变质处理，获得了一种更高性能的压铸铝合金 6 硕十学位论文 a d c l2 1r 。研究表明：a d c1 2 1r 合金具有更好的压铸成形性、出型性及机械加 工性能。对于过共晶压铸铝合金a 3 9 0 ( a l s i l 7 c u 4 m g ) 合金，p k a p r a n o s 【2 4 j 通过添 加n i 优化a 3 9 0 合金的力学性能。对a ( a 3 9 0 ) 、b ( a 3 9 0 + 1 n i ) 和c ( a 3 9 0 + 4 n i ) 3 组成分研究得到不同n i 含量a 3 9 0 合金的力学性能，如表1 2 所示。利用此种合金 已制备出刹车盘零件，与其他成型方法相比，降低了比重和成本。 表1 2流变成型a 3 9 0 合金的力学性能 a 1 s i m g 系合金具有较高的比强度，比模量，耐热性，抗疲劳性且具有良好 的物理性能。特别是a 3 5 7 合金，被广泛应用于航空、航天和军事等工业【2 1 1 。国 内生产的该类合金抗拉强度和伸长率均低于国外的水平，远不能满足一些航空、 航天产品的需求。为提高a 3 5 7 合金的力学性能，通过控制杂质元素的含量，综合 各元素对合金性能的影响，米国发【2 副优化a 3 5 7 合金的最佳配比为：( s i ) = 6 5 7 o ，( m g ) = o 5 5 0 6 0 ，( t i ) = 0 1 o 2 ，( b e ) = o 0 4 0 0 7 ，( f e ) 5 o 0 8 。在金属型，t 6 状态下其抗拉强度能达到3 8 0 m p a ，伸长率大于8 ，甚至 超过了国外研究的3 2 0 m p a ，伸长率5 的水平。德国莱茵铝业公司开发的s i l a f o n t 3 6 及c a s t a s i l 3 7 高强韧压铸铝合金，其中s i l a f o n t 3 6 合金属于低f e 高m n 含s r 的a l s i 9 m g 合金，可用于高应力、高负荷、韧性特好的汽车结构件。c a s t a s i l 3 7 属于a l s i 9 系合金，在压铸状态下伸长率就高达1 2 ，屈服强度在1 2 0 m p a 以上。 可用于直接压铸复杂的汽车零部件，不必进行固溶处理以提高合金性能，应用前 景良好。a l s i l 0 m g 合金在大型复杂压铸件，如高压开关壳体上得到应用。侯峻岭 【2 6 l 开发出a 1 1 0 s i 一3 c u 1 z n o 3 m g 0 1 5 t i 高强铝合金，采用1 0 r e 和o 0 1 5 s r 复合变质，合金热处理后抗拉强度可达3 7 2 m p a ，伸长率为2 ，提高了a l s i l 0 m g 合金的力学性能。 ( 2 ) a 1 s i 二元共晶合金 对于a l s i l 2 二元共晶铝硅合金，适宜于制造复杂、薄壁及承力要求不严格的 零部件，如仪表盘、护板、壳体等。长期困扰该合金的问题是强度不高，机械加工 性能较差，这限制了它的使用。b s u 矗r e z p e 矗a 【2 7 】在a l s i l 2 合金基础上同时添加 o 0 5 t t i 和o 0 5 t s r 可获得较好的力学性能，伸长率达到4 31 。黄勇1 2 8 】在 a l s i l 2 合金的基础上，分别加入质量分数为o 5 1 5 的c u ，o 4 o 7 的m g ， o 1 o 3 的p b ，o 1 0 3 的b i ，研制出一种易机械加工压铸铝合金。结果表明： 合金抗拉强度比a 1 s i l2 提高了1 4 17 ，机械加工性能明显高于a l s i l2 。该合金现 7 高计锚幂合令j k 铸t 艺及件能的研究 已用于支架、托盘等压铸件上，是一种既能满足压铸工艺性能要求，又具有良好 切削加工性能的合金。 1 3 1 2 新型压铸铝合金的开发 现正开发的压铸铝合金主要有半固态a 1 s i m g 系专用铝合金、难混熔压铸铝 合金、a 1 c u 系、a 1 f e 系、a 1 s i 系高硅压铸铝合金。a l s i 6 m 9 2 合金是一种利用热 力学方法并结合半固态加工的基本原理，开发的一种半固态专用压铸铝合金，其 综合性能较好，但塑性较低【2 9 1 。为提高合金的综合力学性能，王海东 2 9 ，3 0 1 研究了 微量合金化元素t i ，z r ，s r 对a l s i 6 m 9 2 合金组织和力学性能的影响，结果表明： 合金中t i 含量在0 0 8 左右时，能够细化组织，使合金的抗拉强度和屈服强度都有 所增加；加入0 1 0 o 1 4 z r 或o 0 2 o 0 4 s r ，均可使合金力学性能明显改善， 特别是塑性明显提高。但s r 效果更好，其塑性提高了l 倍以上，达到了8 。另外， 对此合金还需进一步研究微量合金元素添加对合金热处理的影响，以进一步提高 合金性能，实现a l s i 6 m 9 2 合金的应用。x f a n g 【”】在a 3 5 7 合金基础上适当添加合金 元素p b ，研制出a 1 s i p b 难混熔压铸合金。该合金具有良好的流动性、耐蚀性及抗 疲劳性，可用于轴承材料的设计。控制a 1 s i p b 合金中p b 的含量可获得不同的力学 性能。当p b 浓度低于1 0 t 时，合金的抗拉强度和伸长率降低不明显；当p b 浓度 达到1 7 2 t ，极限拉伸强度和伸长率分别降低了2 0 和4 0 含c u 4 5 的 a 1 c u 合金具有良好的力学性能，但铸造性能差，热裂倾向大，制约了此种合金的 推广和应用。宋鸿武【3 2 】采用z l 2 0 1 ( a l c u 5 m n ) 合金为基础合金，添加0 2 t i 、 o 1 5 v 、0 0 6 b ，开发了一种高性能的a 1 c u 压铸铝合金，合金的o b ，6 5 分别达到 2 5 0 2 6 0m p a ，7 8 。铝铁系合金是航空航天工业中极具竞争力的高温结构材料， 普通熔铸条件下，合金中易形成质脆的针状或片状a 1 3 f e 相，严重割裂基体，大大降 低了铝铁合金的力学性能。合金在高压下凝固，可以减少缩松、缩孔，获得致密 合金组织，从而提高性能。张士佼【”】对3 组a 1 f e 合金进行压铸研究，结果表明： a 1 f e v s i ( a 1 5 5 f e o 6 v 1 1 s i ) 组合金的平均抗拉强度为2 0 4 5m p a ，伸长率为 1 7 2 ，在几类合金中是最低的；a 1 f e m n m g 组合金的强度与a 1 f e v s i 合金十 分接近，但是伸长率比它提高了近3 倍，a l f e m n m g s i 组合金的强度，相对于前 面两组平均提高了约2 5 m p a ，伸长率处于两组之间，且明显低于a l - f e - m n - m g 组合 金。在压铸条件下，铝铁合金具有较好的力学性能。但此类合金熔点高、流动性 不良、易吸气、热裂，不利于设备维修保养和铸件生产，需要作进一步研究，以 实现其应用。过共晶高硅铝合金是极具前途的轻质、低膨胀、高耐磨材料。为了 提高高硅铝合金的耐热性，目前通常向合金中加入铁等耐热合金元素，通过先进 压铸技术制备a 1 s i f e 合金，提高其性能。赵树国【3 4 】利用半固态挤压技术制备出高 硅、高铁的a 1 1 7 s i 5 f e 3 m n 4 c u 1 m g 合金。经过半固态成型后，合金第二相发生了 明显细化，尖角钝化，且分布更均匀；常温极限抗拉强度达到了2 3 9 6 m p a ，伸长 8 十 位镕女 率达到了20 。当前汽车发动机要求废气排放量低和合适的能量”。y a m a g a t 8 ” 利用a l s i 2 0 c u 3 合金采用真空压铸技术生产了汽缸体，如图l6 所示，该合金具有较 好的耐磨性能，且与a 3 9 0 台盒成分相近。已有的高硅压铸铝合金逐渐不能满足生 产的需求，因此，还应该根据需要继续研制和开发新的压铸合金。新型高硅铝合 金的研发，扩大了压铸产品的种类和应用领域，因此其开发研制。直住进行， 图l6 真空压铸汽缸体 132 压铸铝硅合金的应用 铸造铝合盒是在纯铝的基础上加入其他的金属或非金属元素，不仪能保持纯 铝的基本性能，而且由于台金化及热处理的作川，使铝合金具有良好的综合性能。 因此，铸造铝合余在工业上占有重要的地位”7 ”j 。 目前，铝合余压铸工艺已成为汽车用铝台金成形工艺中应用最广泛的工艺之 。汽车、摩托车工业以及汽车附件的消耗和配套产品的需求拙统计，汽车每 减雨1 0 ，油耗可降低6 8 ，为压铸件生产提供了一个广阔的市场，压铸铝台 会在汽车，摩托车上的应用将不断扩大，如汽车发动机的活塞、工作缸与主缸等 采用铝合金制造m 】。活塞是发动机、宅压机、液压马达等传递能量和介质的重要 部件。活塞苛刻的工作条件对活塞材料要求：1 ) 具柏高的机械强度，尤其是应具 有较高的高温强度：2 ) 具有低的热膨胀系数；3 ) 具有良好的减摩件能与耐磨、 耐蚀性能。4 ) 具有满足使用要求的力学性能等。高硅过共晶铝合余可满足上述大 部分要求，国外己广泛应用高硅过共晶刽活塞合金。由于热膨胀系数低，可在发 动机设计上缩小汽缸筒与活塞之间的间隙，从而提高发动机效率。国内也已肝始 使用汽缸体气缸体是发动机q | 最大的零件，也是最复杂的零件。采j j 钒台盒代替铸 铁制造气缸体的晟大优点是使发动机再鼍大大减轻。如美国通用汽车公司v 8 发动 机气缸体采用铸铁时熏量为9 44 k g ，而采用锅舍余后重量仅为2 45 k g ，采用铸铁和 铸铝的重量之比为39 ：1 。铝合金材料及铝铸件制造技术的发展使得大批量生产铝 气缸体的成本费用也在不断下降4 “4 ”。奔驰公司下属的个子公司研制了一种过 共晶铝硅台盒新型缸套，类似于a l s i l 7 c u 4 m e 。它的硅含量高能形成人量的耐磨 商砖铝幕含会斥铸t 艺及件能的研究 硬质点，所以工作面耐磨性良好【4 4 1 。牡丹江空调机厂早在l9 9 5 年就已开始通过工 艺控制使用b 3 9 0 合金生产v 5 压缩机缸体压铸件【45 1 。由于工艺控制方法先进，防 止铸造缺陷效果明显，铸件成品铝稳定在8 5 以上。 1 4 压铸技术的特点和研究现状 1 4 1 压铸的实质及特点 压铸的实质是将液态或半固态合金在高压作用下，通过压射冲头的运动，以 极高的速度，在极短的时间内充填到压铸模型腔中，并在压力下结晶凝固而获得 铸件【4 6 4 8 1 。高压和高速是压铸充填成形过程的两大特点，也是压铸与他铸造方法 最根本的区别所在。与其他铸造方法相比较，压铸有以下优点：( 1 ) 铸件的尺寸精 度和表面粗糙度要求很高。( 2 ) 铸件的强度和表面硬度较高。由于压铸模的激冷作 用并在压力下结晶，因此，压铸件表面层晶粒较细、组织致密，抗拉强度一般比 砂型铸件高，但伸长率较低。( 3 ) 可以压铸形状复杂的薄壁铸件。由于压铸件形成 过程始终是在压力作用下充填和凝固，对于轮廓峰谷、凸凹、窄槽等都能清晰的 压铸出来。( 4 ) 生产率极高，适合于大批量的生产。( 5 ) 可省略装配操作和简化制 造工序。压铸的缺点主要是：( 1 ) 压铸件常有气孔及氧化夹杂物存在。( 2 ) 不适合 小批量生产。 ( 3 ) 压铸件尺寸受到限制。( 4 ) 压铸合金种类受到限制。目前，用 来压铸的合金主要是锌合金、铝合金、镁合金及铜合金。( 5 ) 压铸的生产准备费用 较高。这是由于压铸机的成本高，压铸模加工周期长、成本高【4 9 5 1 1 。以传统压铸 为例，压铸过程循环如图1 7 所示。 图1 7 压铸循环过程图 1 4 2 压铸工艺 压铸工艺参数主要有压射压力，压射速度，浇注温度，模具温度和充填时间 等【5 2 1 。压铸工艺把压铸合金，压铸模和压铸机这3 个压铸生产要素有机结合和运用 的过程【5 3 彤】。这些因素相互影响和相互制约，调整一个因素会引起相应的工艺因 1 0 硕十学何论文 素的变化，因此，正确选择和控制工艺参数至关重要【5 6 】。 ( 一)压铸压力 压铸压力作用于金属液上，是获得组织致密和轮廓清晰的铸件的主要因素， 是压铸工艺中主要的参数之一。压射压力有压射力和压射比压两种形式。 压射力是指压射冲头作用于金属液上的力，来源于高压泵，压铸时它推动金 属液充填到模具型腔中。其大小随压铸机的规格而不同，它反映了压铸机功率的 大小。它的大小由压射缸的截面积和工作液的压力决定。压射力计算公式为： c = 竿 ( 1 - 1 ) 式中，f y 一压射力，n ；p g - 压射缸的压射腔内工作液的压力，m p a ；d 一压 射缸的直径，m m 。 压射比压是指充填时压室内金属液在单位面积上所受的力，即压射力与压室 截面积之比。由于压射力在压铸过程中的各个阶段是变化的，因此压射比压在压 铸过程中也是变化的，实际选取的压射比压参数是指在充模刚结束时压射冲头作 用于压室中金属液单位面积上的力。其计算公式为： 尸= 2 = 二当( 1 2 ) a冗d 2 式中，p 一压射比压，m p a ；f v _ 压射力，n ；a 一压室面积，m m 2 ；d 一压室直 径，m m 。 增压时的比压称为增压比压。制定压铸工艺时，正确选择比压的大小对铸件 的力学性能，表面质量和模具使用寿命有很大影响。为了提高铸件的致密度，提 高压射比压无疑是有效的。增大压射比压，作用在金属液上的补缩压力随之增加， 铸件就得到有效的补缩，卷入的的气体进一步压缩，使气孑l 的面积分数和尺寸减 小。结晶细，细晶层增厚，由于填充特性改善，填充动能加大，铸件表面质量提 高，缩孔和缩松减轻，从而抗拉强度提高。但是，过高的压射比压会使铸型受到 金属液的冲刷和增加粘模的可能性，降低铸型的使用寿命。压射比压过低会导致 铸件组织不致密和轮廓不清晰。因此，应根据不同合金和不同结构特点的铸件选 择合适的压射比压【5 7 1 。 ( 二)速度 要获得表面光洁及轮廓清晰的压铸件，除了合适的压射比压以外，还必须正 确地选择速度。压铸生产中，速度主要有压射速度和充填速度两种形式。 压射速度又称冲头速度，是压室内压射冲头推动金属液的移动速度。压射冲 头以一定的速度较慢地推动金属液，使金属液充满压室前端并堆聚在内浇口前沿， 然后按调定的最大速度移动，突破内浇口阻力，在较短的时间里充填满模具的型 腔。最后，冲头继续移动，压实金属，使疏松组织致密。选择压射速