CN105755331A - 汽车发动机用铝硅合金的半固态成型工艺 - Google Patents

汽车发动机用铝硅合金的半固态成型工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车发动机用铝硅合金的半固态成型工艺，其特征在于：以99.99%的铝、99.99%的镁、Al?26Si、Al?10Mn、Al?20Fe和Al?50Cu中间合金为原料，采用斜坡法制备Al?20Si?3Fe?1Mn?4Cu?1Mg合金坯料；倾斜板长度为1000mm、宽度为100mm、倾斜角为45℃；进行二次加热、触变成形和固溶时效处理。本发明具有以下优点：操作简便，提高合金性能，进而提高汽车发动机的性能。

Description

汽车发动机用铝硅合金的半固态成型工艺
技术领域
本发明涉及发动机制造技术领域，尤其是一种汽车发动机用铝硅合金的半固态成型工艺。
背景技术
随着国民经济的快速发展，我国汽车产量与使用量呈现逐年上升的趋势。据统计，我国汽车产量已连续三年超过1800万辆，月均产量已经月月超过120万辆，汽车工业已进入总量较高的平稳发展阶段。对于传统的汽车发动机而言，通常使用铸铁、铸钢或者烧结钢等制造，不仅重量大、油耗高，而且使用效率低；新一代的汽车发动机用材已经逐步被亚共晶和共晶铝硅合金取代，然而，由于合金在高温时产生了不可逆膨胀体积，且尺寸稳定性和抗咬合能力差等缘故，需要在合金中提高硅含量来克服以上缺陷。
已有的研究结果表明，硅含量的增加会使得合金中产生粗大的初晶硅相，使得合金的加工性能和力学性能降低。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种汽车发动机用铝硅合金的半固态成型工艺，操作简便，合金性能好。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种汽车发动机用铝硅合金的半固态成型工艺，以99.99％的铝、99.99％的镁、Al-26Si、Al-10Mn、Al-20Fe和Al-50Cu中间合金为原料，采用斜坡法制备Al-20Si-3Fe-1Mn-4Cu-1Mg合金坯料；倾斜板长度为1000mm、宽度为100mm、倾斜角为45℃；进行二次加热、触变成形和固溶时效处理。
进一步地，原料在820℃熔化后，撒上覆盖剂扒渣，降温至650℃，保温 20min后将金属溶液沿斜坡冷却剪切装置倒入石墨坩埚中浇铸，得到Al-20Si-3Fe-1Mn-4Cu-1Mg合金坯料。
进一步地，所述二次加热温度为580℃，时间为30min。
进一步地，所述固溶时效处理为540℃固溶6h和180℃12h。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：操作简便，提高合金性能，进而提高汽车发动机的性能。
附图说明
图1为铸态合金的扫描电镜观察结果；
图2二次加热前后合金的金相组织(a)二次加热前(b)二次加热后；
图3不同加热温度对合金金相组织的影响(a)575℃(b)585℃(c)595℃；
图4不同加热时间下合金的金相组织(a)20min(b)30min(c)40min；
图5触变成形金相组织(a)触变成形(b)触变成形后热处理。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
一种汽车发动机用铝硅合金的半固态成型工艺
1、试验材料与方法：
以高纯铝(99.99％)、高纯镁(99.99％)，Al-26Si、Al-10Mn、Al-20Fe和Al-50Cu中间合金为原料，采用斜坡法制备了汽车活塞发动机用Al-20Si-3Fe-1Mn-4Cu-1Mg合金坯料。试验原料熔化时，先将井式炉温度调至820℃，待其溶化后撒上覆盖剂进行扒渣，将炉温降低到650℃时，保温20min后将金属溶液沿着自制的斜坡冷却剪切装置倒入石墨坩埚中浇铸，通过斜坡法制得半固态金属坯料，并进行二次加热、触变成形和固溶时效处理。其中，倾斜板长度为1000mm、宽度为100mm、倾斜角为45℃，触变挤压设备 未YH-300型金属挤压机，二次加热采用SX-1型箱式电阻炉。
采用QUANTA-200型扫描电镜对合金表面形貌进行了观察，并用附带的能谱分析仪分析了相的成分；金相试样经过打磨、抛光后，用Keller试剂浸蚀，在OLYMPUS金相显微镜下观察不同状态下的显微组织；拉伸力学性能测试在MTS-810型电子万能拉伸机上进行。
2、结果与分析
2.1铸态组织
铸态合金的扫描电镜观察结果参见图1所示，可以看出，在铸态合金中形成了多种不同形状与尺寸的初生相，如细小的针片状、多边形块状和针片状等。对这些典型析出相进行能谱分析，结果如表1。其中，细小的针片状相A和C主要为共晶硅相，灰色多边形的块状相B主要为初晶硅相，较为粗大的针片状相D中含有较多的Fe元素，可能为富Fe相，而E主要为α-Al基体。结合文献可知，Al-Si合金在凝固过程中会形成初晶硅相和三元共晶组织(α-Al，β-Si和β-Al5FeSi)，在合金中加入Cu、Mg后还可能形成四元甚至五元共晶体。这些在凝固过程中形成的粗大共晶硅和细小针片状的富Fe相具有较为尖锐的棱角，将会对α-Al基体组织产生割裂，使得合金的力学性能降低。
因此，如何控制合金中初晶硅的形貌、大小、数量和分布将对合金的最终性能产生重要的影响。
表1 铸态合金的能谱分析
2.2二次加热对合金组织的影响
为了使合金具有较为理想的组织结构，对合金进行了二次加热处理，以便获得合格的局部重熔坯料。对比分析了试验合金二次加热前后的金相显微组织，参见图2所示，二次加热温度设定为595℃，保温时间为2h。可以看出，二次加热前后的合金组织存在较大的差异，二次加热前，铸态组织主要由球化α-Al基体、少量的枝晶和花瓣晶、粗大的块状初晶硅及针片状的共晶硅组成；在二次加热后，α-Al基体球化效果较为明显，分布也较为均匀，而且粗大的块状初晶硅和针状的共晶硅相也基本消失，转化为了细小、圆整、无明显尖角的初生相，此外，还发现了部分α-Al液相，这主要是由于合金处于半固态区间加热的缘故。
为了进一步得到二次加热工艺参数对合金组织的影响规律，对不同加热温度和加热时间下合金的金相组织进行了观察，结果如图3和图4。设定加热温度分别为570℃、580℃和590℃，保温时间分别为20min、30min和40min。图3为不同加热温度下保温25min后的合金的金相组织。可以看出，在加热温度为570℃时，α-Al基体有部分球化现象，但是圆整度仍然不高，尺寸也分布较不均匀，液相基体数量较少；当加热温度上升至580℃时，α-Al基体球化现象更加完全，晶粒变得较为圆整，但是尺寸的均匀性较差，此外液相基体数量有一定程度的增加；当继续升高加热温度至590℃时，α-Al基体球化有明显粗化趋势，但是分布较为均匀，且圆整度较高，液相基体数量进一步增多。
图4为不同保温时间下合金的金相组织，加热温度为580℃时。可以看出，当加热时间为20min时，α-Al基体的球化效果并完全，晶粒的尺寸存 在一定差异，初晶硅较为细小均匀，合金中有一定数量的液相产生；当保温时间增加至30min后，α-Al基体的球化效果更好，晶粒的圆整度提高的同时没有出现粗化的现象，且分布也较为均匀；当保温时间增加至40min后，α-Al基体发生了粗化长大现象，圆整度也开始下降，由于保温时间延长的缘故，合金中液相基体含量明显增多。
由以上二次加热温度和保温时间对合金组织的影响规律中可以得出：随着加热温度的升高，合金中固相和液相逐渐发生分离，出现了大晶粒吞并小晶粒并继续长大的现象，液相逐渐增多，由于固液界面张力的作用，使得α-Al基体逐渐球化；随着保温时间的延长，α-Al基体球化效果越发明显，晶粒的圆整度和液相比例逐渐提高，但是保温时间延长到某一临界值后，晶粒尺寸将有明显粗化，且圆整度开始降低。Al-20Si-3Fe合金合宜的二次加热工艺为：580℃保温30min。
2.3触变成形
试验用Al-20Si-3Fe合金的触变成形含有半固态坯料制备、二次加热以及挤压成形三个步骤。由于铸态下合金的性能往往不能满足使用要求，通常还需要进行固溶和时效热处理，设定固溶时效处理制度为：540℃固溶6h+180℃时效12h，冷却介质为水。
触变成形和触变成形后热处理合金的金相组织参见图5所示，可以看出，半固态触变成形后的合金中α-Al基体的球化效果依然较为显著，针片状的共晶硅相转化为了短棒状和棱角钝化的颗粒状，而粗大的多边形初晶硅相演变为了细小、圆整的小初晶硅相，但是分布都较为均匀；当触变成形后进行固溶时效热处理，α-Al基体组织更加均匀，合金中出现了细小的纤维状和类球形共晶硅相，而初晶硅并没有明显的变化。总的来说，半固态触变成形对凝固过程中产生的多边形块状初晶硅相有一定的细化、破碎作用，且对细小针片状和针片状的共晶硅有明显的细化效果；而在触变成形后对合金进行 固溶时效热处理，可以使得触变成形过程中产生的共晶硅更加圆整化和均匀化，从而达到改善半固态铝硅合金组织结构的目的，有助于提升合金的最终性能。
表2 不同状态的合金的力学性能
状态 抗拉强度/MPa 硬度/HB 断后伸长率/％
铸态 120 110 1.07
触变成形 230 122 1.89
热处理态 265 140 1.83
表2为铸态、触变成形和热处理态合金的力学性能测试结果。由表2中可以看出，常规铸态下合金的抗拉强度、硬度和断后伸长率分别为120MPa、110HB和1.07％；触变成形后的合金的抗拉强度、硬度和断后伸长率分别为230MPa、122HB和1.89％；而热处理后的合金的抗拉强度、硬度和断后伸长率分别为265MPa、140HB和1.83％。由此可见，三种状态下合金的强度和硬度从高到低依次为热处理态>触变成形>铸态，热处理态和触变成形态合金的塑性相当且都高于铸态合金。这主要是由于触变成形后多边形块状初晶硅相和针片状共晶硅相在不同程度上得到了细化，并逐渐转成圆整度较高的球状相，平均尺寸减小，且硅相的棱角发生了钝化，因此，对α-Al基体的割裂作用减小，弥散强化作用加强，使得合金的强度与硬度上升。而固溶时效处理后，由于抗拉强度与硬度上升，合金的塑性基本不变或者略有降低。
结论
(1)Al-20Si-3Fe合金的合宜的二次加热工艺为：580℃保温30min。
(2)半固态触变成形对凝固过程中产生的多边形块状初晶硅相有一定的细化、破碎作用，且对细小针片状和针片状的共晶硅有明显的细化效果；而在触变成形后对合金进行固溶时效热处理，可以使得触变成形过程中产生的共晶硅更加圆整化和均匀化，从而达到改善半固态铝硅合金组织结构的目的。
(3)三种状态下合金的强度和硬度从高到低依次为热处理态>触变成形>铸态，热处理态和触变成形态合金的塑性相当且都高于铸态合金。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种汽车发动机用铝硅合金的半固态成型工艺，其特征在于：以99.99%的铝、99.99%的镁、Al-26Si、Al-10Mn、Al-20Fe和Al-50Cu中间合金为原料，采用斜坡法制备Al-20Si-3Fe-1Mn-4Cu-1Mg合金坯料；倾斜板长度为1000mm、宽度为100mm、倾斜角为45℃；进行二次加热、触变成形和固溶时效处理。
2.如权利要求1所述汽车发动机用铝硅合金的半固态成型工艺，其特征在于：原料在820℃熔化后，撒上覆盖剂扒渣，降温至650℃，保温20min后将金属溶液沿斜坡冷却剪切装置倒入石墨坩埚中浇铸，得到Al-20Si-3Fe-1Mn-4Cu-1Mg合金坯料。
3.如权利要求1所述汽车发动机用铝硅合金的半固态成型工艺，其特征在于：所述二次加热温度为580℃，时间为30min。
4.如权利要求1所述汽车发动机用铝硅合金的半固态成型工艺，其特征在于：所述固溶时效处理为540℃固溶6h和180℃12h。
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