徐 通, 黃笑梅, 程和法, 武宏發(fā), 秦曉雄

(合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

鋁硅合金以其密度小、熱膨脹系數(shù)較低、高溫性能好和疲勞強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料[1-2],隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷改進(jìn),對(duì)活塞的力學(xué)性能、高溫強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、膨脹性和導(dǎo)熱性等的要求更高。為了提高鋁硅合金活塞的強(qiáng)度性能,主要從改善其微觀組織中的共晶硅形態(tài)和分布、強(qiáng)化α-Al等方面采取各種工藝和冶金措施[3],如變質(zhì)處理、合金化、熱處理等[4]。在合金化方面,主要是通過(guò)加入各種合金元素進(jìn)行強(qiáng)化和形成高溫穩(wěn)定金屬間化合物來(lái)提高室溫和高溫力學(xué)性能。將鑄態(tài)組織的改善和多元合金化與熱處理工藝相結(jié)合,使合金元素發(fā)揮最佳的強(qiáng)化效果。因此,近年來(lái),圍繞鋁硅合金活塞的合金化研究和鑄態(tài)組織改善以提高力學(xué)性能的研究已經(jīng)成為活塞合金材料研究的熱點(diǎn)之一[5]。但是,從國(guó)內(nèi)外研究的報(bào)道來(lái)看,目前所研究的共晶鋁硅合金活塞抗拉強(qiáng)度一般都很難超過(guò)300 MPa,文獻(xiàn)[6]研究的含Cu 4.48%和含Ni 1.94%的共晶鋁硅合金中,室溫抗拉強(qiáng)度為254.8 MPa,Cu、Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到5.45%和1.83%時(shí),其室溫抗拉強(qiáng)度也只為278.9MPa。

為了研究更高力學(xué)性能的共晶鋁硅合金活塞材料,本文擬通過(guò)改善共晶硅組織形態(tài)[7-9]、多元合金化與熱處理相結(jié)合的方法,研究具有更高室溫和高溫力學(xué)性能的活塞材料[10]。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及方法

實(shí)驗(yàn)所用合金材料為ZL102,采用Al-Sr中間合金(w(Sr)=10%)作為變質(zhì)劑,合金化采用Al-Cu中間合金(w(Cu)=50%)、Al-Ni中間合金(w(Ni)=10%)、Al-Mn中間合金(w(Mn)=10%)、Al-Ti中間合金(w(Ti)=5%)、工業(yè)純Mg和純Zn。

采用Cu、Ni、Ti、Mn、Zn、Mg等元素進(jìn)行多元合金化,以獲得高強(qiáng)度的共晶鋁硅合金活塞材料。Cu的加入量控制在3.0%～3.5%之間,Ni的加入量控制在1.0%～2.0%之間, Cu主要影響合金室溫強(qiáng)度,Ni對(duì)合金高溫強(qiáng)度作用較為明顯,Ti可以細(xì)化晶粒,Zn起到固溶強(qiáng)化的作用,Mg會(huì)與Si形成Mg2Si從而提高合金室溫,高溫性能。Mg加入量為1.0%,Ti、Mn、Zn加入量均為0.2%。本文設(shè)計(jì)了6組不同成分的共晶鋁硅合金,見(jiàn)表1所列。

表1 共晶鋁硅合金中合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

采用坩堝電阻爐熔煉ZL102合金,先將ZL102合金和純鋁在780 ℃的石墨坩堝中熔化,保溫30 min待其完全熔化后,向合金熔液中加入Al-50%Cu中間合金和Al-10%Ni中間合金,等熔液溫度上升到780 ℃時(shí),向合金熔液中加入Al-5%Ti中間合金以及用鋁箔包好的單質(zhì)Zn與單質(zhì)Mg,等到熔化完全以后,用鐘罩將六氯乙烷壓入熔體中進(jìn)行精煉處理,保溫10 min后撇渣。待溫度回到780 ℃,向合金熔液中加入Al-10%Sr中間合金,攪拌均勻后,撒上覆蓋劑,保溫30 min后撇渣,在720 ℃時(shí)澆注到鋼模中。從澆注的鑄塊上切取微觀組織分析和力學(xué)性能試樣。

各種成分的合金進(jìn)行固溶+時(shí)效熱處理實(shí)驗(yàn)在箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行。對(duì)不同成分的合金鑄態(tài)組織、固溶處理、時(shí)效處理后的組織進(jìn)行金相觀察和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)觀察分析。合金的室溫和高溫(300 ℃)下力學(xué)性能在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 Sr變質(zhì)對(duì)共晶Al-Si合金微觀組織的影響

為了研究Sr對(duì)共晶鋁硅合金中共晶硅的變質(zhì)作用和規(guī)律,加入0.02%、0.04%、0.06%、0.08%和0.10%的Sr對(duì)共晶鋁硅合金進(jìn)行了變質(zhì)處理,加入不同量Sr變質(zhì)的共晶鋁硅合金鑄態(tài)組織如圖1所示。

圖1 Sr對(duì)共晶鋁硅合金組織形態(tài)的影響

由圖1可知,未變質(zhì)共晶鋁硅合金中的共晶硅呈粗大的針片狀,棱角尖銳,分布不均勻;經(jīng)Sr變質(zhì)以后,共晶硅形態(tài)由針片狀逐漸轉(zhuǎn)化成纖維狀和蠕蟲(chóng)狀,且分布均勻。加入0.08%的Sr對(duì)共晶硅的變質(zhì)效果達(dá)到了最佳,共晶硅細(xì)化效果最好,成為了細(xì)小彌散的纖維狀和蠕蟲(chóng)狀,如圖1e所示。采用Image-Pro-Plus軟件對(duì)Sr變質(zhì)后的合金中的共晶硅尺寸進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出,加入0.02%Sr時(shí),共晶鋁硅合金微觀組織中的共晶Si平均尺寸從84 μm減小為63 μm,減小了25%。當(dāng)Sr加入量增加到0.04%時(shí),共晶Si平均尺寸急劇減小到8 μm,減小了87.3%,當(dāng)Sr加入量增加到0.06%時(shí),共晶Si平均尺寸進(jìn)一步細(xì)化到4 μm,進(jìn)一步增加Sr的量到0.08%時(shí),共晶硅平均尺寸達(dá)到最小的2 μm。隨后,繼續(xù)將Sr的加入量增加到0.10%時(shí),其對(duì)共晶硅的細(xì)化效果并沒(méi)有進(jìn)一步提高。因此,可以確定Sr變質(zhì)對(duì)共晶Si最佳變質(zhì)作用的加入量為0.08%。

圖2 Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)共晶硅相平均尺寸的影響

2.2 熱處理對(duì)微觀組織和性能的影響

2.2.1 固溶時(shí)效熱處理工藝參數(shù)的確定

通過(guò)固溶和時(shí)效處理能夠調(diào)整和控制各種合金元素在共晶鋁硅合金中的存在形式和分布狀態(tài),使合金元素的強(qiáng)化作用得到最大的發(fā)揮,同時(shí),通過(guò)適當(dāng)?shù)墓倘芴幚磉€能進(jìn)一步改善合金的微觀組織形態(tài),提高合金的性能。含3.5%Cu、2.0%Ni的共晶鋁硅合金在不同條件下固溶處理后和時(shí)效處理后的平均硬度見(jiàn)表2、表3所列。

從表2、表3可以看出,合金在185 ℃下時(shí)效8 h后,其硬度值達(dá)到最高值,為89.4 HRB。因此,可以確定共晶鋁硅合金最佳的固溶+時(shí)效處理規(guī)范為:510 ℃下固溶處理6 h和185 ℃下時(shí)效處理6 h。

表2 不同固溶處理參數(shù)下共晶鋁硅合金的洛氏硬度(HRB)

表3 不同時(shí)效處理的共晶鋁硅合金的洛氏硬度(HRB)

2.2.2 固溶時(shí)效處理對(duì)合金微觀組織的影響

含3.5%Cu、2.0% Ni的共晶鋁硅合金分別在鑄態(tài)、固溶和固溶+時(shí)效后合金中共晶硅的SEM圖如圖3所示。

從圖3可以看出,鑄態(tài)下的共晶硅形態(tài)是纖維狀和桿狀,而經(jīng)過(guò)510 ℃固溶處理6 h后,共晶硅相的纖維狀基本上都轉(zhuǎn)變成為短桿狀和小塊狀,且形態(tài)更加趨于圓整;再經(jīng)過(guò)185 ℃時(shí)效處理6 h后,組織中呈現(xiàn)大量的顆粒狀或球狀的共晶硅,形態(tài)圓整,且分布均勻。可見(jiàn)經(jīng)過(guò)510 ℃固溶處理和185 ℃時(shí)效處理,明顯改善了鋁硅合金的組織形態(tài),這種形態(tài)大幅度減少了共晶硅對(duì)基體的割裂作用,有利于合金綜合力學(xué)性能的提高。

圖3 含3.5%Cu和2.0%Ni共晶鋁硅合金的SEM圖

對(duì)含3.5%Cu、2.0%Ni的共晶鋁硅合金進(jìn)行SEM觀察和物相組成分析,所得結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出,經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理和固溶及時(shí)效處理后的合金微觀組織中塊狀、纖維狀及短桿狀的共晶硅,其顏色較深。

圖4 含3.5%Cu和2.0%Ni共晶鋁硅合金SEM圖及相分析

其中較多的白色相經(jīng)過(guò)能譜分析可知,其中Al的原子百分?jǐn)?shù)為56.80%,Cu的原子百分?jǐn)?shù)為20.73,Ni的原子百分?jǐn)?shù)為19.54%,Si的原子百分?jǐn)?shù)為2.93%，根據(jù)該相組成的原子百分?jǐn)?shù),可以認(rèn)定是Al3CuNi相。

2.3 合金室溫力學(xué)性能

含不同Cu和Ni的共晶硅鋁硅合金,經(jīng)過(guò)0.08%Sr變質(zhì),再經(jīng)過(guò)510 ℃固溶處理6 h+185 ℃時(shí)效6 h處理后的室溫抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表4所列。

表4 合金化對(duì)共晶鋁硅合金室溫和高溫力學(xué)性能的影響

由表4可知,經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理和固溶時(shí)效處理,多元合金化鋁硅合金具有良好的力學(xué)性能,各種成分合金的抗拉強(qiáng)度均超過(guò)了280 MPa。

隨著Cu、Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,合金的抗拉強(qiáng)度逐漸升高,當(dāng)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%、Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.0%增加到2.0%時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度由288.88 MPa上升到290.25 MPa。

當(dāng)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%、Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.0%增加到2.0%時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度由289.37 MPa上升到303.06 MPa。

2.4 合金高溫力學(xué)性能

含不同Cu和Ni的共晶硅鋁硅合金,經(jīng)過(guò)0.08%Sr變質(zhì),再經(jīng)過(guò)510 ℃固溶處理6 h+185 ℃時(shí)效6 h處理后的合金在高溫(300 ℃)下的抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表4所列。

從表4可以看出,采用Cu、Ni、Mg等多元合金化能夠顯著提高共晶鋁硅合金的的高溫強(qiáng)度,隨著Cu和Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,合金的高溫強(qiáng)度提高,尤其是Ni對(duì)提高高溫強(qiáng)度的作用更加顯著,當(dāng)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%時(shí),隨著Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到2.0%,合金的高溫(300 ℃)抗拉強(qiáng)度提高到了133.62 MPa,上升了19.1%, 而當(dāng)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%、Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí),合金的高溫(300 ℃)抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提高到了137.74 MPa。

3 結(jié) 論

(1) 采用Sr變質(zhì)能夠使共晶硅鋁硅合金中的共晶硅形態(tài)由針片狀逐漸轉(zhuǎn)化成纖維狀和蠕蟲(chóng)狀,且分布均勻和細(xì)化。加入0.08%的Sr,對(duì)共晶硅的變質(zhì)效果達(dá)到了最佳。

(2) 采用Cu、Ni為主要合金化元素和Mg、Ti、Zn元素進(jìn)行多元合金化,能夠大幅度地提高共晶鋁硅合金的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度,從而獲得高的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度相結(jié)合的鋁硅合金活塞。

(3) 經(jīng)過(guò)Sr變質(zhì)處理與510 ℃固溶6 h+185 ℃時(shí)效6 h處理,Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%、Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的共晶鋁硅合金的室溫抗拉強(qiáng)度能達(dá)到303.06 MPa,高溫(300 ℃)抗拉強(qiáng)度達(dá)到137.74 MPa。