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)動機活塞使用的共晶鋁硅合金材料為研究對象，直接使用電解低鈦鋁基合金細晶鋁錠替代純鋁錠配制共晶鋁硅ZU08試驗合金(簡稱EZU08Ti)，詳細分析研究了該試驗合金的微觀組織、室溫和高溫力學性能、磨損性能，對電解加鈦EZU08Ti合金的晶粒細化機理、強化機理及磨損機理進行了探討。在此基礎(chǔ)上進行了電解加鈦EzU08Ti合金在摩托車活塞上的應(yīng)用研究，并對試驗活塞進行了臺架試驗。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)動機活塞行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。 首次對不同鈦含量電解加鈦共晶鋁硅試驗合金的微觀組織進行了對比分析研究，發(fā)現(xiàn)當鈦含量為0.10％左右時，電解低鈦鋁基合金表現(xiàn)出了最佳的晶粒細化效果。此時，電解加鈦試驗合金的α(Al)二次枝晶臂間距最小為16.71μm；共晶Si顆粒的長徑、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，是高溫熱穩(wěn)定相，對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。 分析了鈦對試驗合金的細化機理：電解加鈦共晶鋁硅試驗合金的微觀組織細化與電解低鈦鋁基合金中均勻細小、高度彌散分布的Al2Ti第二相質(zhì)點有緊密的聯(lián)系。在鈦含量低于0．15％時，成份過冷引起的非自發(fā)形核以及鈦元素抑制鋁晶粒長大是鈦細化合金的重要原因。同時，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，隨著α(Al)相的細化，也會相應(yīng)細化合金中的硅顆粒尺寸，改善硅顆粒形狀。當合金中的鈦含量超過0.13％時，熔體中形成的第二相粒子將聚集、長大，晶粒細化作用逐步減弱。 首次對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活塞合金的力學性能，結(jié)果表明：電解加鈦試驗合金的室溫力學性能在鈦含量范圍0.10％加0.13％時較高，抗拉強度達到370MPa以上，屈服強度達到330MPa以上；在鈦含量為0.08％-0.12％范圍時有較好的300℃高溫抗拉強度，鈦含量為0.12％時，電解加鈦試驗合金的高溫抗拉強度最高，達到135.94MPa。對鈦含量分別為0.18％和0.22％的兩組電解加鈦和熔配加鈦試驗合金進行對比研究發(fā)現(xiàn)，兩種加鈦方法對力學性能的影響

6、相當。電解加鈦共晶鋁硅試驗合金屬丁多元活塞合金材料，其強化機理是細晶強化、固溶強化、彌散強化等多種強化因素共同作用的結(jié)果。 首次全面系統(tǒng)地對比研究了共晶鋁硅不加鈦zU08和不同鈦含量電解加鈦EZL108Ti試驗合金的室溫磨損性能。在潤滑條件下，試驗合金與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％的電解加鈦試驗合金表現(xiàn)出了最佳的耐磨性能，對磨粒磨損形式的磨損機理進行了探討，并建立了該磨損形式磨損

7、量評價的數(shù)學模型：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速度v成正比，與材料的屈服強度os的平方成反比，并從試驗中驗證了此結(jié)論。在無潤滑條件下，試驗合金與灰鑄鐵配副時，磨損形式屬于氧化磨損；與45＃鋼配副時，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體，對比研究了三種活塞合金材料的抗拉強度和微觀組織，

8、概率統(tǒng)計分析結(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度無顯著差異。三種活塞實體的體積穩(wěn)定性都很好，遠小于國家標準0.03％。 分別對工業(yè)條件下澆注的共晶鋁硅不加鈦ZU08和電解加鈦EZU08Ti試驗活塞裝機進行了臺架試驗。在相同的運轉(zhuǎn)時間內(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