喷射成形高硅铝合金缸套镶铸行为研究

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本文研究了喷射成形高硅铝合金缸套与ZL104铝合金缸体的镶铸工艺,并通过缸套表面电镀锌预处理及控制浇注和热处理工艺参数使缸套与缸体之间实现了冶金结合。喷射成形高硅铝合金初晶Si组织均匀细小、热膨胀系数低、耐磨性好,与铝合金缸体及铝合金活塞相容性好,可以实现“全铝型”发动机的设计要求,提高燃油效率。铝合金缸套在空气中及预热时极易氧化,形成的氧化膜熔点高且润湿性不好,镶铸时铝合金液不足以使其熔化从而影响缸套与缸体的冶金结合。采用氯化物镀锌,在35°C的电镀液中通入6.0A/dm2的阴极电流密度电镀15min时,得到的锌镀层均匀致密,镀层厚度约15μm,均匀致密地覆盖在铝硅合金材料表面,与喷射成形高硅铝合金的结合力较强。通过在铝硅合金缸套表面电镀一层低熔点且相对稳定的金属锌,可以保护缸套不被氧化并在浇注金属液后熔入缸体合金中暴露出新鲜的缸套表面与缸体基体充分接触反应产生结合。通过正交实验法对镶铸过程中影响界面结合质量的主要浇注工艺参数分析发现:各参数对界面导热性能及界面结合强度的影响程度的大小依次为ZL104合金液浇注温度、镶铸试样(缸套)预热温度和模具预热温度。并且,相对于未进行表面电镀锌处理的镶铸实验,镶铸试样镀锌处理后界面结合得到明显改善,界面导热系数从65.2W/m·K提高到103.2W/m·K,界面结合强度从51.6MPa提高到91.2MPa。在缸套与缸体预热温度为350°C、浇注温度为820°C镶铸时,界面能谱分析表明,锌镀层完全熔入ZL104合金中并向界面两侧扩散,界面处两种合金之间存在元素的相互扩散,缸套与缸体实现了冶金结合。对镶铸件进行整体热处理,最终确定的最佳热处理工艺:在530°C固溶温度下固溶3h后水淬,自然时效48h后经160°C人工时效16h。热处理后界面结合进一步改善,导热系数提高到110.814W/m·K,与铸铁相比,其导热性能更好。摩擦磨损实验结果证明,喷射成形高硅铝合金缸套材料具有与铸铁相媲美的摩擦学性能。
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