汽车用过共晶铝硅合金缸套材质的研究
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【摘要】：过共晶铝硅合金由于其优异的耐磨性,在耐磨件的生产上使用的越来越广泛。目前,高硅铝合金缸套的制备主要是采用喷射沉积技术。德国PEAK公司与Daimler-Benz公司已经用喷射沉积技术成功地研制出了过共晶铝硅合金缸套,并将其应用于汽车V6发动机。喷射沉积方法制备出的铝硅合金缸套与铸铁缸套相比,具有更轻的质量,更低的磨损率,更小的燃油消耗和尾气排放。但是喷射沉积技术也存在着工艺复杂、生产中对精度的控制要求极高、成本高昂、生产效率低下等缺点。这些不足限制了高硅铝合金缸套的推广和应用。传统铸造法具有工艺简单、生产效率高、成本低等优点。但是传统铸造法生产出来的过共晶铝硅合金组织粗大,严重割裂金属基体,使Al-Si合金的性能大大恶化。Fe在铸造过共晶Al-Si合金中的作用具有两重性:一方面,Fe的添加会在铸造过共晶Al-Si合金中形成粗大的富铁相,使合金的力学性能下降;另一方面,Fe的加入在铸造过共晶Al-Si合金中形成的富铁相和基体相比,不仅具有更高的硬度,而且还具有高温稳定性,对其磨损性能尤其是高温磨损性能有利。因此,在本文中,Fe作为一种合金化元素被应用到过共晶Al-Si合金的制备中。在用Al-P变质剂对初生硅进行变质的前提下,本文研究了Fe含量对过共晶铝硅合金流动性的影响规律;探讨了Fe含量对过共晶铝硅合金显微组织和相组成的影响;分析了热处理和Mn对过共晶Al-Si-Fe合金中粗大富铁相的细化作用,并给出了最佳的Mn/Fe质量比;讨论了温度和载荷对新型过共晶铝硅合金和基体合金干摩擦磨损性能的影响,并探究了他们的摩擦磨损机理,为实现传统铸造方法生产发动机铝硅合金缸套奠定一定的研究基础。通过本文的研究,主要得出以下结论:(1)Fe对过共晶铝硅合金的铸造性能有害,过共晶铝硅合金的流动性随着Fe含量的增加而降低。随着Fe含量从1wt.%增加到5 wt.%,Al-Si合金的流动长度从1241mm减小到350mm。当Fe含量为5 wt.%时,流动长度与不加Fe时相比减小了73%。因此必须控制Fe含量,以减小其对过共晶铝硅合金铸造性能的损害。本文制备的新型过共晶铝硅合金中的Fe含量为2 wt.%。(2)Fe加入过共晶铝硅合金后会形成针状的富铁相,而且随着Fe含量的升高合金中的粗大组织越来越多。XRD和EDS表明,合金中的富铁相主要是β-Al5FeSi相。长针状的富铁相对合金力学性能会产生不利的影响,因此需要细化富铁相。(3)富铁相具有高温稳定性,因此采用热处理并不能将其细化。当合金中加入适量的变质元素Mn后,粗大的富铁相形貌得到了很大的改善,一定程度上改善了长针状富铁相对基体组织的割裂。实验表明,最佳的Mn/Fe质量比在1:1左右。(4)干摩擦磨损实验表明,新型过共晶铝硅合金在高温下具有更加优异的抗粘着磨损性能。在临界温度以下,合金的磨损量很小。一旦超过临界温度点,合金的磨损量将会急剧升高。实验发现,在相同的载荷、滑动速度及滑动时间下,新型过共晶铝硅合金比基体合金有着更高的临界转变温度;在相同的载荷、滑动速度及温度下,新型过共晶铝硅合金的抗磨损能力更高。(5)合金的摩擦磨损机理主要有磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损、剥层磨损、热软化磨损和疲劳磨损。在低温和低载下,以磨粒磨损和轻微粘着磨损为主;在高温和高载下,剥层磨损、热软化磨损和疲劳磨损成为主要的磨损机理。
【关键词】：过共晶铝硅合金 流动性 富铁相 Mn变质 干摩擦
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG292
【目录】：
- 摘要4-6
- Abstract6-12
- 第1章 绪论12-32
- 1.1 选题意义12-14
- 1.2 铝硅合金的研究现状及其应用14-19
- 1.2.1 铝硅合金的研究现状14
- 1.2.2 铝硅合金的应用14-18
- 1.2.3 汽车发动机缸套材料存在的问题18-19
- 1.3 过共晶铝硅合金组织的细化19-24
- 1.3.1 过共晶铝硅合金初生硅的细化19-21
- 1.3.2 过共晶铝硅合金共晶硅的细化21-22
- 1.3.3 铝硅合金中富铁相的细化处理22-24
- 1.4 铝硅合金的磨损性能24-30
- 1.4.1 材料的磨损机理25-28
- 1.4.2 铝硅合金磨损性能的研究进展28-30
- 1.5 主要研究内容30-32
- 第2章 实验方法32-38
- 2.1 实验材料32-33
- 2.2 合金的熔炼与制备33
- 2.3 流动性实验33-34
- 2.4 热处理试验34-35
- 2.5 干摩擦磨损试验35-36
- 2.6 试样制备36
- 2.6.1 金相试样制备36
- 2.6.2 磨损试样制备36
- 2.7 检测方法36-37
- 2.7.1 显微组织和磨损试样观察36
- 2.7.2 X射线衍射分析36-37
- 2.7.3 布氏硬度测试37
- 2.8 试验流程图37-38
- 第3章 Fe对过共晶铝硅合金组织与流动性的影响38-48
- 3.1 引言38
- 3.2 Fe对过共晶Al-Si合金相组成和铸态组织的影响38-42
- 3.2.1 合金的成分、浇注及变质处理38-39
- 3.2.2 Al-Si-Fe合金的相组成39-41
- 3.2.3 不同Fe含量铝硅合金的铸态组织41-42
- 3.3 Fe对过共晶Al-Si合金流动性能的影响42-46
- 3.3.1 流动性实验结果43-44
- 3.3.2 Fe对Al-Si合金流动性能影响原因分析44-46
- 3.4 本章小结46-48
- 第4章 热处理及变质处理对Al-16Si-2Fe合金组织的影响48-56
- 4.1 T6热处理对Al-16Si-2Fe合金显微组织的影响48
- 4.2 Mn元素对过共晶铝硅合金中富铁相组织的影响48-54
- 4.2.1 Mn对过共晶Al-Si-Fe合金中富铁相微观组织的影响49-50
- 4.2.2 Mn对过共晶Al-Si-Fe合金中相组成的影响50-52
- 4.2.3 Mn元素细化过共晶Al-Si-Fe合金中富铁相的机理52-54
- 4.3 本章小结54-56
- 第5章 新型过共晶铝硅合金的高温干摩擦磨损性能56-74
- 5.1 引言56
- 5.2 基体合金和新型过共晶铝硅合金的硬度56-57
- 5.3 基体合金和新型过共晶铝硅合金的高温干摩擦磨损性能57-60
- 5.3.1 温度对A合金和B合金干摩擦磨损性能的影响58-59
- 5.3.2 载荷对A合金和B合金高温干摩擦磨损性能的影响59-60
- 5.4 基体合金和新型过共晶铝硅合金的磨损表面分析60-71
- 5.4.1 温度对A合金和B合金磨损表面形貌的影响60-65
- 5.4.2 载荷对A合金和B合金磨损表面形貌的影响65-67
- 5.4.3 A合金和B合金高温干摩擦磨损磨屑分析67-70
- 5.4.4 A合金和B合金干摩擦磨损亚表层的分析70-71
- 5.5 基体合金和新型过共晶铝硅合金干摩擦磨损机理分析71-72
- 5.6 本章小结72-74
- 第6章 结论74-76
- 参考文献76-83
- 作者简介及在攻读硕士期间所取得的科研成果83-84
- 致谢84
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