【摘 要】
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铸造铝合金因具有密度小、比强度、比刚度高、铸造性能好、耐磨性优良等优点,而广泛应用于汽车、机械、电子等多个行业。Al-Si系铝合金是铸造铝合金中应用最广泛的合金系列,许多Al-Si牌号合金常被用作活塞材料。随着发动机技术的提高,活塞的服役环境愈加苛刻,现有活塞材料已经难以满足高功率发动机的需求。因此,本文采用合金化改性的方法优化Al-Si合金耐热相,利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）
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铸造铝合金因具有密度小、比强度、比刚度高、铸造性能好、耐磨性优良等优点,而广泛应用于汽车、机械、电子等多个行业。Al-Si系铝合金是铸造铝合金中应用最广泛的合金系列,许多Al-Si牌号合金常被用作活塞材料。随着发动机技术的提高,活塞的服役环境愈加苛刻,现有活塞材料已经难以满足高功率发动机的需求。因此,本文采用合金化改性的方法优化Al-Si合金耐热相,利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、拉伸性能测试、摩擦磨损性能测试等多种手段,系统地研究了Fe、Ni元素对Al-Si合金微观组织和高温性能的影响。本文主要研究内容和结论归纳如下:在ZL109活塞铝合金成分基础上,添加了不同含量的Fe、Ni元素,研究了合金中富Fe相类型、形貌、分布随Fe、Ni添加量的变化规律及对合金高温性能的影响,最终优选出最佳Fe、Ni配比。研究结果发现:不添加Fe、Ni时,合金内主要是Si和Al基体;添加0.3%Fe-0.6%Ni后,由于Fe、Ni过少,Al9Fe Ni相主要以短棒状零散的分布在Al基体上;添加0.6%Fe-1.2%Ni时,合金内富Fe相主要为“骨骼状”的和短棒状的Al9Fe Ni相,并且在Al基体上互相连接构成一种网状或者半环状的结构;但添加0.8%Fe-1.6%Ni时,Fe、Ni含量过多,合金内出现长针状的Al9Fe Ni初生相,破坏合金的网状构型。高温拉伸测试结果表明,富Fe相的类型、形态及分布对合金的高温性能具有重要影响,添加0.6%Fe-1.2%Ni的Al-11Si合金因具有更高体积分数以及形态更好的Al9Fe Ni相,而表现出最佳的高温性能,其在350℃下抗拉强度可达139.6MPa,比同温度下不添加Fe、Ni的Al-11Si合金提高了68.1 MPa。研究了不同Fe、Ni添加量的Al-11Si合金在不同载荷及测试温度下的摩擦磨损性能,结果表明:四种不同Fe、Ni含量合金磨损量随载荷增加和温度升高均会增多,但在相同测试条件下,添加0.6%Fe-1.2%Ni的合金呈现出最好的耐磨性能。在不同测试条件下,合金的磨损类型也会发生变化,低载荷下合金主要以磨粒磨损为主,随载荷增加逐渐向剥层磨损转变;在高温条件下合金表面的氧化层被破坏对合金的减磨作用失效,合金的磨损加剧,磨损形式主要是严重的氧化磨损和粘着磨损。将优选出的0.6%Fe-1.2%Ni添加到不同Si含量的Al-x Si（x=5,7,9,11,13）合金中,探究了富Fe、Ni相在不同Si含量Al-x Si合金中的适用性。研究结果表明:Fe、Ni元素的加入不会损害Al-x Si合金的铸造性能,Al-x Si合金均保持较好的流动性和抗热裂性。随着Si含量增加,富Fe相的形态由针状逐渐向“骨骼状”转变并且开始相互连接形成网状结构。对合金进行不同温度下的拉伸测试,结果发现:不同Si含量合金的室温抗拉强度相差不大,表现出明显的规律性,但在高温下合金的抗拉强度随Si含量增加而明显增大,这是由于球化后的Si相与富Fe、Ni相共同增强了合金的高温性能。在拉伸试样的断口面上可以看到富Fe相的存在,结合EDS分析是Al15（Fe,Mn）3Si2相,断口面上没有发现Al9Fe Ni相存在,表明裂纹主要在Al15（Fe,Mn）3Si2相和Si相处萌发。选取添加0.6%Fe-1.2%Ni的7%Si、11%Si和13%Si的Al-Si合金进行摩擦磨损性能研究,结果表明:在室温下合金的平均摩擦系数随Si含量增加而增大。摩擦测试温度的升高使得三种合金的磨损形式发生了明显改变,由磨粒磨损到剥层磨损再到粘着磨损,合金在200℃下还会发生氧化磨损,加剧磨损过程的进行。当摩擦温度超过100℃时,合金磨痕形貌出现较大变化,11%Si和13%Si高Si合金的耐磨性能明显优于7%Si的低Si合金。这是由于随Si含量增加,富Fe相形态由针片状向骨骼状和短棒状转变,在高温下Al基体软化,骨骼状和短棒状的富Fe相作为高温支撑相,能够有效提高合金的耐磨性能。
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