论文部分内容阅读
当今时代,汽车工业发展迅速,越来越多的汽车开始采用铝合金代替钢铁材料以达到轻量化的目标,铸造铝合金在汽车发动机中的气缸盖、活塞和进气歧管中得到大量的应用。目前,乘用车轻量化的结构设计和轻质高强材料的应用已经成为应对节能减排和提高燃油效率以及动力性的主要措施,通过缩小尺寸和减重的方式达到优化比功率减少排放的目的。发动机比功率的增加和燃烧流强度的提高迫使缸盖缸体等发动机关键零部件在服役过程中承受更高的工作温度,热机械疲劳要求更加严酷,尤其是在柴油发动机中,因其要求更高的爆发压力和更高的压缩比,柴油发动机缸盖的工作温度已接近300℃,这就要求所用铝合金必须具备更优良的高温力学性能,常用的耐热铝合金主要有Al-Si-Cu系和Al-Si-Mg系,但Cu和Mg的价格较高,大大增加了材料的生产成本,因此,提高合金的高温强度和降低生产成本是目前需要解决的问题。本课题制备研究了Al-9Si-（4.5-x）Cu-x Fe-yMn系列合金,其中,x=1,1.5,2,3,y/x=0,0.6,0.8,1,1.2,提高Fe的含量,降低Cu的含量,起到“以Fe代Cu”的目的。通过OM、SEM、EDS、XRD、电子万能试验机、摩擦磨损试验机等分析测试方法,研究不同Cu、Fe、Mn含量下合金的微观组织、力学性能以及摩擦磨损性能。变质细化处理、热处理对Al-9Si-（4.5-x）Cu-x Fe-yMn合金组织与力学性能影响研究结果表明（以x=1,y=1为例）:在熔体温度为760℃时,加入熔体总质量0.05%的Sr-Na双重变质剂和熔体总质量0.1%的Al-5Ti-1B细化剂后,共晶Si由长条状、粗大块状转变为细小块状,α-Al相得到圆整细化;在此基础上,经过T6热处理（520℃×6h+170℃×10h）后,共晶Si相得到进一步球化、细化,均匀弥散分布基体中,平均尺寸为3.92μm,富铁相并没有明显的变化;力学性能相比未变质细化、热处理的合金得到大幅度提升,抗拉强度由174 MPa增加到367 MPa,伸长率由3.8%增加到7.4%,增幅分别为110.9%、94.7%。Al-9Si-（4.5-x）Cu-x Fe-yMn合金中Mn、Fe比例对合金组织与力学性能影响研究结果表明（以x=1为例）:当y=0时,富铁相的形态为细长针状,主要由Al、Fe、Si三种元素组成,属于β-Al5Fe Si相;合金抗拉强度为181 MPa,伸长率为3.01%;随着y的增加（0.6～1.2）,富铁相形貌有着显著变化,由长针状转变为汉字状、树枝状,力学性能呈现先增加后减小的变化趋势。特别是,当y=1时,长针状富铁相完全消失,转变为树枝状、汉字状α-Al15（Fe,Mn）3Si2富铁相,长宽比较小,趋于圆整化;合金的力学性能最佳,抗拉强度为367 MPa,伸长率为7.4%,其断裂机制为准解理断裂。Al-9Si-（4.5-x）Cu-x Fe-yMn（x=1,1.5,2,3,y=x）合金中Fe含量对合金组织与室温力学性能影响研究结果表明:Fe含量对合金组织中富铁相形貌和力学性能影响显著。随着Fe含量增加,富铁相形态由汉字状、树枝状转变为块状、短棒状、镂空块状、花卉状、田字状等,各种形态的富铁相为由Al、Fe、Mn、Si元素组成的α-Al15（Fe,Mn）3Si2相;当x=1,1.5,2,3时,富铁相平均尺寸分别为23μm、26μm、28μm、49μm;室温抗拉强度分别为:367 MPa、298 MPa、258 MPa、182 MPa,伸长率分别为:7.4%、5.7%、5.0%、3.2%,抗拉强度和伸长率在不同Fe含量变化区间内的降低率先减小后增大。Al-9Si-（4.5-x）Cu-x Fe-yMn（x=1,1.5,2,3,y=x）合金高温力学性能研究结果表明:四种合金的伸长率都随着温度的升高而增加,抗拉强度都随着温度的升高而降低,但降低幅度随Fe含量的增加而减小。特别是,当温度为320℃时,x=1.5时合金的抗拉强度为207 MPa,比x=1,2,3时的201 MPa、188 MPa、140 MPa分别高3%、10.1%、47.9%,伸长率为9.5%,比x=2,3时的7.7%、6.2%分别高23.4%、53.2%,略低于x=1时的9.7%;当x=1,1.5时,合金320℃时的抗拉强度都高于200 MPa,展现出优异的高温力学性能。Al-9Si-（4.5-x）Cu-x Fe-yMn（x=1,1.5,2,3,y=x）合金不同温度下干滑动摩擦研究结果表明:合金的磨损失重与温度关系曲线中存在一个临界转变温度,合金的平均摩擦系数均随温度的升高而增加。当x=1,1.5,2,3时,四合金的临界转变温度分别为175℃、225℃、275℃、275℃,在临界转变温度之前,摩擦系数增幅较小,磨损失重随温度的升高而缓慢降低;在临界转变温度之后,磨损失重随温度的升高急剧增加。