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社会发展和技术进步对汽车提出了轻量、节能、减排的要求,而轻量化又是节能、减排的前提。汽车轻量化可以通过结构设计优化和采用低密度高性能材料来实现。然而结构设计优化局限性大,不适用于结构复杂的汽车缸体。采用高比强度材料,能够在结构改动很小的前提下减轻重量。
Al-Si合金具有优良的铸造性能和使用性能,被广泛用作铸铁缸体的替代材料。传统的铝合金缸体生产工艺是砂型铸造+T6处理。而热处理T6工序繁多,固溶化处理时还会导致缸体尺寸变形和内应力的不稳定,并且热处理时间长,能耗和污染较大。国外有铸造后直接水淬、然后时效处理的工艺,但是水淬亦有淬裂的风险。本课题研究通过对Al-Si合金添加微量的Ni、Cr、Zn、Mn四种元素,进行多元微合金化,在优化细化、变质、除气的基础上浇铸,凝固冷却后仅进行时效。旨在开发一种,通过微合金化强化取消固溶化处理,铸造后仅采用时效处理,就能够达到性能要求的工艺方法。通过数据分析,得到如下试验结果:
1.铝钛硼细化时效态,AlSi7Cu4力学性能为:σb=230.85Mpa,δ=1％,HB=98.7;AlSi9Cu3力学性能为:σb=198Mpa,δ=1.5％,HB=103.4；AlSi10Mg力学性能为:σb=190Mpa,δ=2.5％,HB=81.03。比较三种基础材料在铝钛硼细化时效态下的性能可知,AlSi7Cu4和AlSi9Cu3性能较高。
2.钛锆硼细化时效态,AlSi7Cu4力学性能为:σb=225Mpa,δ=1.75％,HB=102.46；AlSi9Cu3力学性能为:σb=207.5Mpa,δ=2.25％,HB=92.3;AlSi10Mg力学性能为:σb=187.5Mpa,δ=2.5％,HB=77。比较三种基础材料在钛锆硼细化时效态下的性能可知,AlSi7Cu4和AlSi9Cu3性能较高。
3.由于AlSi7Cu4和AlSi9Cu3性能相对AlSi10Mg较高,故选AlSi7Cu4和AlSi9Cu3进行微合金化实验。考虑到项目公司实际生产和简化实验需要,决定实验时均采用铝钛硼细化处理。
4.AlSi7Cu4基础材料添加Ni、Cr、Zn、Mn四种元素,采用正交实验的方法进行实验。性能方面:当Ni=(0.02～0.03)％、Cr=(0.025～0.035)％、Zn=(0.6～0.8)％、Mn=(0.15～0.30)％时,时效态下最优力学性能为:σb=259.85Mpa,δ=1.25％,HB=99.2,相比之前,抗拉强度提升了24.85MPa,超过实验要求的240MPa,延伸率和硬度虽略降,但仍较为理想。显微组织方面:微合金化后,α(Al)晶粒更细小,硅相外形更加圆润,晶界处分布的Mg2Si、CuAl2等强化相增多。微量Ni元素,沿晶界形成细小(AlCuSiNi)相,强化晶界。微量Mn元素,部分Mn溶于CuAl2相内,和Si相共同形成(AlCuSiMn)相,增强CuAl2相对晶界的强化作用,同时改善Si相形态,部分Mn与Fe形成Al3(Fe、Mn)相,改善铁相形态,改善韧性。Cr、Zn所形成相未见析出。
5.AlSi9Cu3基础材料添加Ni、Cr、Zn、Mn四种元素,同样采用正交实验。性能方面:当Ni=(0.04～0.05)％,Cr=(0.015～0.025)％,Zn=(0.2～0.4)％,Mn=(0.15～0.30)％时,时效态下最优力学性能为:σb=242.5Mpa,δ=1％,HB=100.5,抗拉强度相比之前提升了44.5MPa提升幅度较大,刚好达到实验要求,且性能不稳定。显微组织方面:α(Al)晶粒显著细化,硅相团聚现象缓解,呈颗粒状,初生硅相几乎消失,优化加工性能。微量Ni元素形成NiAl3,将部分CuAl2包裹形成AlCuNi相,AlCuNi相强化效果优于CuAl2,提升材料强度。Mn元素,形成(AlSiFeMn)相,将Fe相由针状转变为短片状,削弱其对基体的割裂作用。Cr、Zn所形成相未见析出。
6.通过实验分析可知,AlSi7Cu4加入Ni、Cr、zn、Mn,仅通过时效处理完全能够达到缸体的力学性能要求,而AlSi9Cu3勉强能够,但性能不稳定。