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度高等優(yōu)點已被廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機活塞材料[1-2],隨著發(fā)動機性能的不斷改進,對活塞的力學(xué)性能、高溫強度、疲勞強度、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,主要是通過加入各種合金元素進行強化和形成高溫穩(wěn)定金屬間化合物來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)揮最佳的強化效果。因此,近年來,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之一[5]。但是,從國內(nèi)外研究的報道來看,目前所研究的共晶鋁硅合金活塞抗拉強度一般都很難超過300 MPa,文獻[6]研究的含Cu 4.48%和含Ni 1.94%的共晶鋁硅合金中,室溫抗拉強度為254.8 MPa,Cu、Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到5.45%和1.83%時,其室溫抗拉強度也只為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 實驗過程及方法

實驗所用合金材料為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等元素進行多元合金化,以獲得高強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度,Ni對合金高溫強度作用較為明顯,Ti可以細(xì)化晶粒,Zn起到固溶強化的作用,Mg會與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)計了6組不同成分的共晶鋁硅合金,見表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,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。

各種成分的合金進行固溶+時效熱處理實驗在箱式電阻爐內(nèi)進行。對不同成分的合金鑄態(tài)組織、固溶處理、時效處理后的組織進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)性能在萬能試驗機上進行。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 Sr變質(zhì)對共晶Al-Si合金微觀組織的影響

為了研究Sr對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對共晶鋁硅合金進行了變質(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)化成纖維狀和蠕蟲狀,且分布均勻。加入0.08%的Sr對共晶硅的變質(zhì)效果達到了最佳,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狀,如圖1e所示。采用Image-Pro-Plus軟件對Sr變質(zhì)后的合金中的共晶硅尺寸進行了分析，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出,加入0.02%Sr時,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,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,共晶Si平均尺寸進一步細(xì)化到4 μm,進一步增加Sr的量到0.08%時,共晶硅平均尺寸達到最小的2 μm。隨后,繼續(xù)將Sr的加入量增加到0.10%時,其對共晶硅的細(xì)化效果并沒有進一步提高。因此,可以確定Sr變質(zhì)對共晶Si最佳變質(zhì)作用的加入量為0.08%。

圖2 Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)對共晶硅相平均尺寸的影響

2.2 熱處理對微觀組織和性能的影響

2.2.1 固溶時效熱處理工藝參數(shù)的確定

通過固溶和時效處理能夠調(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),使合金元素的強化作用得到最大的發(fā)揮,同時,通過適當(dāng)?shù)墓倘芴幚磉€能進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效處理后的平均硬度見表2、表3所列。

從表2、表3可以看出,合金在185 ℃下時效8 h后,其硬度值達到最高值,為89.4 HRB。因此,可以確定共晶鋁硅合金最佳的固溶+時效處理規(guī)范為:510 ℃下固溶處理6 h和185 ℃下時效處理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 不同時效處理的共晶鋁硅合金的洛氏硬度(HRB)

2.2.2 固溶時效處理對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185 ℃時效處理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?？梢娊?jīng)過510 ℃固溶處理和185 ℃時效處理,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

對含3.5%Cu、2.0%Ni的共晶鋁硅合金進行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)過變質(zhì)處理和固溶及時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0.08%Sr變質(zhì),再經(jīng)過510 ℃固溶處理6 h+185 ℃時效6 h處理后的室溫抗拉強度見表4所列。

表4 合金化對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)過變質(zhì)處理和固溶時效處理,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度均超過了280 MPa。

隨著Cu、Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,合金的抗拉強度逐漸升高,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,合金的抗拉強度由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,合金的抗拉強度由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0.08%Sr變質(zhì),再經(jīng)過510 ℃固溶處理6 h+185 ℃時效6 h處理后的合金在高溫(300 ℃)下的抗拉強度見表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度,隨著Cu和Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,合金的高溫強度提高,尤其是Ni對提高高溫強度的作用更加顯著,當(dāng)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%時,隨著Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到2.0%,合金的高溫(300 ℃)抗拉強度提高到了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,合金的高溫(300 ℃)抗拉強度進一步提高到了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)化成纖維狀和蠕蟲狀,且分布均勻和細(xì)化。加入0.08%的Sr,對共晶硅的變質(zhì)效果達到了最佳。

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

(3) 經(jīng)過Sr變質(zhì)處理與510 ℃固溶6 h+185 ℃時效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度能達到303.06 MPa,高溫(300 ℃)抗拉強度達到137.74 MPa。