压缩机活塞Er变质性能强化与重力铸造过程仿真研究

发布时间：2017-09-08 03:24

  本文关键词：压缩机活塞Er变质性能强化与重力铸造过程仿真研究

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【摘要】：活塞是往复活塞式制冷压缩机的关键零件,对系统的运行性能、振动和噪声等有着重要的影响。ZL108合金具有密度小、比强度高、热膨胀率低和热传导率高等优点,但是未变质合金共晶硅呈粗大片状形式分布于α-Al相基体中,对合金性能产生不利影响。本文采用拉伸性能测试、定量金相分析、X射线衍射、扫描电镜和能谱分析等手段研究了稀土Er对ZL108合金共晶硅的变质作用和机理,同时采用ProCAST软件对铝活塞金属型重力铸造成形过程进行了数值模拟,预测并实验验证了活塞铸件缩松缺陷情况。稀土Er主要通过杂质诱发孪晶机制对共晶硅产生明显的变质作用,具有良好的变质长效性和重熔性。除极少量固溶于α-Al相外,稀土Er主要以A13Er金属间化合物形式析出。当稀土Er加入量超过0.6%时,部分稀土Er以点状AlSiEr相和针状AlSiCuEr相存在,针状AlSiCuEr相对合金基体产生切割作用,对合金性能产生不利影响。当稀土Er含量为最佳加入量0.6%时,共晶硅得到完全变质,由粗大片状转变为珊瑚状结构,其平均长度和长宽比分别为5.84um和3.89,较未变质共晶硅分别减小了73.81%和62.99%,同时α-Al相二次枝晶臂间距为22.0umm,较未变质合金减小了32.31%。稀土铝合金铸态抗拉强度和断后伸长率分别为220.2MPa口2.53%,较未变质合金分别提高了22.20%和39.01%,其拉伸断裂形式由脆性断裂向脆性和韧性断裂的混合断裂模式转变。在515℃×5h固溶+205℃×8h时效热处理过程中,表面能态较高的珊瑚状共晶硅球粒化效果良好,合金性能得到进一步提高。采用垂直缝隙式浇注系统的铝活塞铸件金属型重力铸造过程中,铝液流动平稳,从下向上逐渐充型。在浇注温度为740℃和模具预热温度为250℃时,数值模拟获得的铸件凝固时间为114.1s,活塞部分凝固时间为66.0s。当铸件最低温度达到400℃、开模时间达到227s,铸件最大应力出现在直浇道底端拐角处,为100.2MPa,同时活塞上部应力较大,为85.9MPa。模拟预测活塞销座上部和顶面背部加强肋两端存在缩松缺陷,模拟结果与实验结果相符合。同时,活塞宏观组织评定等级为3级,达到相关标准的要求。通过稀土Er变质前后铝活塞微观组织的对比分析,可以看出稀土Er不仅能对共晶硅产生明显的变质作用,而且能使杂质Fe元素的主要存在形式由粗大鱼骨状AlFeMnSi相转变为细小点状复杂多元化合物相,降低了Fe元素的有害作用,提高了合金性能和铝活塞质量。
【关键词】：ZL108活塞 稀土Er 变质 力学性能 ProCAST数值模拟
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG249.3
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 符号说明9-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 引言10
• 1.2 制冷压缩机铝活塞材料的发展概况10-11
• 1.3 共晶铝硅合金中共晶硅的变质机理和研究现状11-12
• 1.3.1 共晶铝硅合金中共晶硅的变质机理11-12
• 1.3.2 共晶硅变质剂的发展概况12
• 1.4 铸造成形过程数值模拟技术的发展概况12-13
• 1.4.1 铸造成形过程数值模拟技术的发展和应用12-13
• 1.4.2 铸件凝固过程中缩孔缩松的预测13
• 1.5 课题研究的来源、意义及主要研究内容13-14
• 1.5.1 课题研究的来源和意义13-14
• 1.5.2 课题研究的主要内容14
• 1.6 本章小结14-16
• 第二章 试样制备及实验方法16-21
• 2.1 引言16
• 2.2 稀土Er变质铝合金试样的制备16-18
• 2.2.1 稀土Er变质铝合金的熔炼及浇注方案16-17
• 2.2.2 稀土Er变质铝合金的热处理方案17-18
• 2.3 稀土Er变质铝合金性能测试方法18-19
• 2.3.1 拉伸性能测试18
• 2.3.2 硬度性能测试18-19
• 2.3.3 摩擦磨损性能测试19
• 2.4 稀土Er变质铝合金微观组织及相组成物分析方法19-20
• 2.4.1 金相组织分析19
• 2.4.2 扫描电镜和能谱分析19-20
• 2.4.3 X射线衍射分析20
• 2.4.4 DTA热分析20
• 2.5 本章小结20-21
• 第三章 稀土Er对ZL108合金微观组织及性能的影响21-41
• 3.1 引言21
• 3.2 ZL108合金微观组织的物相组成21-23
• 3.3 稀土Er对ZL108合金微观组织的影响23-28
• 3.3.1 稀土Er对ZL108合金共晶硅微观形貌及尺寸的影响23-27
• 3.3.2 稀土Er对ZL108合金α-Al相二次枝晶臂间距的影响27-28
• 3.4 稀土Er对ZL108合金性能的影响28-33
• 3.4.1 稀土Er对ZL108合金拉伸性能的影响28-29
• 3.4.2 稀土Er对ZL108合金拉伸断口微观形貌的影响29-31
• 3.4.3 稀土Er对ZL108合金硬度的影响31-32
• 3.4.4 稀土Er对ZL108合金耐磨性的影响32-33
• 3.5 稀土Er对ZL108合金共晶硅变质机理分析33-38
• 3.5.0 稀土铝合金共晶硅微观形貌分析33-34
• 3.5.1 稀土铝合金DTA热分析34
• 3.5.2 稀土铝合金微观组织中稀土Er分布及物相组成34-38
• 3.5.4 稀土Er对共晶硅的变质机理分析38
• 3.6 热处理时效工艺参数对稀土铝合金性能的影响38-40
• 3.7 本章小结40-41
• 第四章 稀土Er对ZL108合金变质作用的长效性与重熔性研究41-54
• 4.1 引言41
• 4.2 稀土Er对ZL108合金变质作用的长效性研究41-47
• 4.2.1 变质保温时间对ZL108合金微观组织的影响41-45
• 4.2.1.1 变质保温时间对ZL108合金共晶硅微观形貌及尺寸的影响41-44
• 4.2.1.2 变质保温时间对ZL108合金α-Al相二次枝晶臂间距的影响44-45
• 4.2.2 变质保温时间对ZL108合金性能的影响45-47
• 4.2.2.1 变质保温时间对ZL108合金拉伸性能的影响45-46
• 4.2.2.2 变质保温时间对ZL108合金硬度的影响46
• 4.2.2.3 变质保温时间对ZL108合金耐磨性的影响46-47
• 4.3 稀土Er对ZL108合金变质作用的重熔性研究47-52
• 4.3.1 变质熔炼次数对ZL108合金微观组织的影响47-50
• 4.3.1.1 变质熔炼次数对ZL108合金共晶硅微观形貌及尺寸的影响47-49
• 4.3.1.2 变质熔炼次数对ZL108合金共晶α-Al相二次枝晶臂间距的影响49-50
• 4.3.2 变质熔炼次数对ZL108合金性能的影响50-52
• 4.3.2.1 变质熔炼次数对ZL108合金拉伸性能的影响50-51
• 4.3.2.2 变质熔炼次数对ZL108合金硬度的影响51-52
• 4.3.2.3 变质熔炼次数对ZL108合金耐磨性的影响52
• 4.4 本章小结52-54
• 第五章 制冷压缩机铝活塞金属型重力铸造过程数值模拟分析54-71
• 5.1 引言54
• 5.2 制冷压缩机铝活塞工作过程应力分析54-55
• 5.3 铝活塞金属型重力铸造过程数值模拟的前处理55-58
• 5.3.1 铝活塞铸件及模具三维模型的建立55-56
• 5.3.2 铝活塞铸件及模具模型的网格划分56-57
• 5.3.3 铸造成形过程数值模拟材料属性及边界条件的设置57-58
• 5.4 铝活塞金属型重力铸造过程数值模拟结果分析58-67
• 5.4.1 铸件充型过程数值模拟结果分析58-60
• 5.4.2 铸件凝固过程数值模拟结果分析60-63
• 5.4.3 铸件应力场数值模拟结果分析63-65
• 5.4.4 铸件缩孔缩松缺陷模拟结果分析65-67
• 5.5 铝活塞铸件微观组织分析67-69
• 5.5.1 共晶组织分析67-69
• 5.5.2 铁相夹杂物分析69
• 5.6 本章小结69-71
• 第六章 总结与展望71-74
• 6.1 总结71-72
• 6.2 展望72-74
• 参考文献74-80
• 致谢80-81
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的学术论文81-82
• 作者在攻读硕士学位期间获得的专利82-83
• 作者在攻读硕士学位期间参加的研究项目83-84

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