電解加鈦共晶鋁硅活塞合金的組織和性能研究.pdf

1、本文以汽車、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞使用的共晶鋁硅合金材料為研究對(duì)象，直接使用電解低鈦鋁基合金細(xì)晶鋁錠替代純鋁錠配制共晶鋁硅ZU08試驗(yàn)合金(簡(jiǎn)稱EZU08Ti)，詳細(xì)分析研究了該試驗(yàn)合金的微觀組織、室溫和高溫力學(xué)性能、磨損性能，對(duì)電解加鈦EZU08Ti合金的晶粒細(xì)化機(jī)理、強(qiáng)化機(jī)理及磨損機(jī)理進(jìn)行了探討。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了電解加鈦EzU08Ti合金在摩托車活塞上的應(yīng)用研究，并對(duì)試驗(yàn)活塞進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。結(jié)果表明：直接采用電解低鈦鋁基合金完全可以制備出

2、高性能的活塞，在汽車、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。 首次對(duì)不同鈦含量電解加鈦共晶鋁硅試驗(yàn)合金的微觀組織進(jìn)行了對(duì)比分析研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鈦含量為0.10％左右時(shí)，電解低鈦鋁基合金表現(xiàn)出了最佳的晶粒細(xì)化效果。此時(shí)，電解加鈦試驗(yàn)合金的α(Al)二次枝晶臂間距最小為16.71μm；共晶Si顆粒的長(zhǎng)徑、短徑和直徑最小，分別為3.28μm、2.29um和2.69um：金屬間化合物富Fe相的形態(tài)從魚骨狀轉(zhuǎn)變成典型的漢字狀，分布在晶界或枝

3、晶間，外形圓鈍，是高溫?zé)岱€(wěn)定相，對(duì)提高合金的高溫性能非常有利。相同鈦含量電解加鈦和熔配加鈦試驗(yàn)合金的α(Al)二次枝晶臂間距和共晶Si顆粒尺寸相差不大。 分析了鈦對(duì)試驗(yàn)合金的細(xì)化機(jī)理：電解加鈦共晶鋁硅試驗(yàn)合金的微觀組織細(xì)化與電解低鈦鋁基合金中均勻細(xì)小、高度彌散分布的Al2Ti第二相質(zhì)點(diǎn)有緊密的聯(lián)系。在鈦含量低于0．15％時(shí)，成份過(guò)冷引起的非自發(fā)形核以及鈦元素抑制鋁晶粒長(zhǎng)大是鈦細(xì)化合金的重要原因。同時(shí)，由于合金中Si、Mg、Cu等

4、元素的存在可降低Al-Ti包晶反應(yīng)溫度和鈦在鋁液中的溶解度，使包晶點(diǎn)成分向低鈦量方向位移，因此，即使鈦含量低于0．15％，包晶反應(yīng)可能也在起作用。共晶硅相總是與α(Al)相協(xié)調(diào)生長(zhǎng)，隨著α(Al)相的細(xì)化，也會(huì)相應(yīng)細(xì)化合金中的硅顆粒尺寸，改善硅顆粒形狀。當(dāng)合金中的鈦含量超過(guò)0.13％時(shí)，熔體中形成的第二相粒子將聚集、長(zhǎng)大，晶粒細(xì)化作用逐步減弱。 首次對(duì)比分析研究了共晶鋁硅不加鈦ZU08、不同鈦含量電解加鈦EZU08Ti和熔配加鈦

5、MZU08Ti活塞合金的力學(xué)性能，結(jié)果表明：電解加鈦試驗(yàn)合金的室溫力學(xué)性能在鈦含量范圍0.10％加0.13％時(shí)較高，抗拉強(qiáng)度達(dá)到370MPa以上，屈服強(qiáng)度達(dá)到330MPa以上；在鈦含量為0.08％-0.12％范圍時(shí)有較好的300℃高溫抗拉強(qiáng)度，鈦含量為0.12％時(shí)，電解加鈦試驗(yàn)合金的高溫抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到135.94MPa。對(duì)鈦含量分別為0.18％和0.22％的兩組電解加鈦和熔配加鈦試驗(yàn)合金進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，兩種加鈦方法對(duì)力學(xué)性能的影響

6、相當(dāng)。電解加鈦共晶鋁硅試驗(yàn)合金屬丁多元活塞合金材料，其強(qiáng)化機(jī)理是細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化等多種強(qiáng)化因素共同作用的結(jié)果。 首次全面系統(tǒng)地對(duì)比研究了共晶鋁硅不加鈦zU08和不同鈦含量電解加鈦EZL108Ti試驗(yàn)合金的室溫磨損性能。在潤(rùn)滑條件下，試驗(yàn)合金與40Cr鋼組成的摩擦系統(tǒng)中，磨損形式是磨粒磨損，鈦含量為0.08％和0.12％的電解加鈦試驗(yàn)合金表現(xiàn)出了最佳的耐磨性能，對(duì)磨粒磨損形式的磨損機(jī)理進(jìn)行了探討，并建立了該磨損形式磨損

7、量評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型：w=kanvP2/cσs2，即材料的磨損體積w與載荷P的平方以及磨粒滑動(dòng)速度v成正比，與材料的屈服強(qiáng)度os的平方成反比，并從試驗(yàn)中驗(yàn)證了此結(jié)論。在無(wú)潤(rùn)滑條件下，試驗(yàn)合金與灰鑄鐵配副時(shí)，磨損形式屬于氧化磨損；與45＃鋼配副時(shí)，屬于粘著磨損形式。 首次在相同的工業(yè)生產(chǎn)條件下，在優(yōu)化出的最佳鈦含量范圍內(nèi), 采用磷變質(zhì)分別澆注了共晶鋁硅不加鈦、電解加鈦和熔配加鈦活塞實(shí)體，對(duì)比研究了三種活塞合金材料的抗拉強(qiáng)度和微觀組織，

8、概率統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：鈦含量為0.13％的電解加鈦活塞合金的抗拉強(qiáng)度比不加鈦ZLl08提高了15.2％，兩組數(shù)據(jù)有顯著差異；兩種不同加鈦方式活塞合金的抗拉強(qiáng)度無(wú)顯著差異。三種活塞實(shí)體的體積穩(wěn)定性都很好，遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.03％。 分別對(duì)工業(yè)條件下澆注的共晶鋁硅不加鈦ZU08和電解加鈦EZU08Ti試驗(yàn)活塞裝機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。在相同的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)，不加鈦zU08活塞產(chǎn)生活塞環(huán)卡死、活塞抱缸現(xiàn)象，使得活塞環(huán)槽部位、裙部外圓均有不同程度