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随着发动机功率的逐渐增大和排放标准的不断提高,国内目前普遍使用的活塞材料ZL109越来越不能满足需求了。为了提高活塞的抗拉强度,特别是高温强度,人们大多采用增加贵金属如Cu、Ni、Ti等,或者采用复杂的成型工艺,但这都大大提高了活塞的成本,限制了其批量的工业生产。铁元素形成的相普遍具有优异的高温强度和高温稳定性,可以很好的作为异相强化的第二相,如果能细化改善铁相形貌,那么可以大幅提高活塞的高温机械性能。同时考虑到铁的价格相对较低,提高铁的含量,适当降低Ni的含量,即保证了高温性能,也降低了成本。本文使用SANS拉伸试验机测试了合金的常高温力学性能,并利用光学金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪进行了成分和组织的分析,并对其机理进行了探讨。 研究了稀土Ce和Mn、Fe、Cr的合金化作用对共晶铝硅活塞合金的组织和性能的影响,并探索了Ce和Mn、Fe、Cr间的相互作用及其对高温抗拉强度影响的机理。试验发现Ce进入铁相,大大改善粗大的长针状β(Al5SiFe)相,形成了新的富Ce的含铁Al-Si-Mn-Fe-Ce相。该相呈细短棒状,形状和细化后的共晶硅类似,但是比共晶硅略细,长度和共晶硅相近,尺寸在10μm至30μm之间。另外形成细小的Al21Si6(Cr,Mn)Fe3相、Al-Ni-Cu-Ce相和Al-Si-Ni-Cu-Ce相分布在基体和晶界中,强化了基体和晶界,热稳定性较好的第二相起到钉扎作用,阻碍位错的滑移和攀移,能有效地提高活塞合金的高温性能。 试验了Al-5Ti-1B添加量和细化时间对活塞合金的细化作用的影响,研究了Ce和Al-5Ti-1B联合添加对多元共晶铝硅活塞合金的组织和性能的影响,并对其机理进行了探讨。试验发现,一定成分范围的Al-5Ti-1B对ZL109有良好的细化作用。但Al-5Ti-1B的细化效果受细化时间的影响很敏感,随着时间的延长,Al-5Ti-1B不但不能再起细化作用,还有可能降低活塞合金的性能,这限制了其用于铸造的工业生产。复合添加Ce后,Al-5Ti-1B的衰退性不再明显,获得优异的细化效果,大幅地提高了ZL109的常温抗拉强度。 本文确定了含量为Si:12％、Cu:1%、Mg:0.8%、Ni:0.3%的铸造铝合金的Mn、Ce、Cr、Fe的直观最佳配比是Mn:0.4%,Ce:0.5%,Cr:0.2%,Fe:1.0%。同时确定了在Ce含量为0.5%下Al-5Ti-1B细化剂的最佳细化工艺为:Al-5Ti-1B的添加量为0.6%,细化时间为10min。