高速、節能、環保、安全、舒適是汽車工業發展的主題,而輕量化是實現上訴目標最直接最有效的途徑。發動機是汽車的“心臟”,質量占整車重量的20-30%,而缸體作為發動機中最大的鑄件,其質量占發動機重量的25-35%。近年來,鋁合金作為一種新型材料,在汽車輕量化建設中得到了廣泛應用。用鋁合金代替傳統的鑄鐵材料生產發動機缸體后,不但可使缸體減重30%左右,還可以提高導熱性能,防止汽車高速行駛過程中出現轉向偏差。因此,采用鋁合金生產缸體對降低汽車發動機乃至整車重量,推進我國汽車工業節能減排進程都具有重要意義。目前,國內在高性能鋁合金缸體的研發應用上還與國際水平存在較大的差距。要想實現高性能鋁合金缸體的工業化生產,必須解決三個方面的問題：新型的鑄造鋁合金缸體材料、精密成熟的鑄造工藝和先進成套的工業化生產裝備,其關鍵和根本是要解決材料和鑄造工藝的問題。 基于此,借助日本馬自達品牌汽車發動機缸體用鑄造鋁合金的生產經驗,與蘇州明志科技有限公司合作開發了長春一汽馬自達系列轎車發動機缸體用的新型鑄造鋁硅合金,并對其鑄造工藝及其應用進行了研究。力爭擁有自主知識產權的高性能鋁制發動機缸體的生產技術,提升國內生產鋁制發動機缸體的能力,加快我國汽車行業在輕量化道路的發展速度。本文主要研究內容和研究成果如下： 1、研究了細化變質處理對多元Al-Si-Cu合金組織和力學性能的影響。選取目前工廠生產中最常用的三種細化變質劑：Al-5Ti-B、Al-10Sr和RE,借助正交試驗優化得到復合細化變質配方為：Al-10Sr=0.1wt%、RE=0.3wt%、Al-5Ti-B=0.8wt%。與單一細化變質處理的合金以及母合金相比,該配方制備合金的力學性能和顯微組織均得到極大的提升,其力學性能為：σb=252MPa、σs=191MPa、δ=3.0%、布氏硬度=90.6HB,其組織中a-Al相更加細小且輪廓清晰,共晶硅相、Al-Cu相、Al-Si相以及含鐵相的成分變得多元化,且尺寸更小、形狀更圓整、分布更均勻,說明三種細化變質劑起到相互促進的作用。最后提出了兩個描述變質效果的參數：平均面積和長寬比,細化變質合金的變質效果最優。 2、研究了不同原砂制砂芯及其壁厚對多元Al-Si-Cu合金組織和力學性能的影響。選用石英砂、鉻鐵礦砂和寶珠砂分別制成厚度范圍在8mm～40mm的階梯狀砂芯片,由于提供的冷卻速度不同,直接影響制備的多元Al-Si-Cu合金的力學性能、二次枝晶間距和細化變質效果。鉻鐵礦砂砂芯制合金的抗拉強度和伸長率性能最好,硬度是石英砂的最好。隨壁厚增加,三種砂芯制合金的抗拉強度由360MPa變為280MPa,伸長率由8%變為3%,而壁厚對硬度性能的影響并沒有明顯規律。當壁厚為40mm時,石英砂和寶珠砂制合金組織中出現片狀和塊狀Si相,變質效果惡化。最后,在三種砂芯制合金的力學性能與二次枝晶間距之間建立了擬合方程,用于指導工廠實際生產。 3、研究了多元Al-Si-Cu合金的熱疲勞性能。通過對不同熱處理試樣在不同溫度幅下熱疲勞裂紋萌生與擴展的觀察和分析,發現由于T6態合金的溫度敏感性最弱、抗氧化性能最強,其熱疲勞壽命最長。多元Al-Si-Cu合金在熱疲勞裂紋萌生期要經歷三個階段：形成微觀氧化層、氧化層內生成微坑、微坑生長或微坑內部生成裂紋源。裂紋擴展前期為沿晶生長,主要靠裂尖鈍化-尖銳化引起裂紋擴展；而后期為沿晶和穿晶混合生長,以裂尖鈍化-尖銳化和裂尖前沿空洞連體復合方式擴展。最后發現了Si相形狀和位向影響裂紋擴展行徑的兩種方式：“繞墻”擴展和“穿墻”擴展。提出了兩種新的表征合金熱疲勞性能的方法：裂紋曲折度和裂紋的長寬比。 4、研究了多元Al-Si-Cu合金的摩擦行為和磨損機理。結果表明：T6態合金在不同載荷和磨損時間下的質量磨損率和摩擦系數最小,磨面磨損形貌處于較輕微的磨損機理狀態。當載荷小于500N且磨損時間小于3h時,T6態和鑄淬時效態合金的耐磨性能接近,主要是因為二者硬度性能相近；增大載荷延長磨損時間,發現三種狀態合金的亞表面內Si相發生破碎,間接提高了合金的表面硬度,改善了潤滑效果。載荷過大則導致Si相甚至Al2Cu相周圍出現微裂紋和撕裂狀塑性變形,嚴重影響合金的耐磨性能。多元Al-Si-Cu合金摩擦磨損至失效過程中,磨損機理的衍變過程是：磨粒磨損→磨粒磨損+粘著磨損→粘著磨損→粘著磨損+剝層磨損→剝層磨損+氧化磨損。依據材料磨面塑性變形程度及其硬度縮減情況,率先提出將氧化磨損分為氧化輕微磨損和氧化失效磨損兩類。
【學位單位】：江蘇大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2013
【中圖分類】：U464.13;TG292
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 研究背景與意義
        1.1.1 汽車行業的重要地位及發展現狀
        1.1.2 汽車行業發展帶來的弊端
        1.1.3 鋁合金是汽車輕量化的首選材料
    1.2 鋁合金在汽車工業的應用與發展
        1.2.1 鋁合金汽車及零部件的發展現狀
        1.2.2 汽車工業常用鋁合金材料及性能
        1.2.3 鋁合金在汽車工業的應用
    1.3 汽車發動機缸體技術的發展
        1.3.1 缸體材料的發展
        1.3.2 鋁缸體鑄造的先進技術
        1.3.3 國內外鋁缸體的應用現狀
    1.4 課題研究的目的、意義和內容
        1.4.1 研究目的和意義
        1.4.2 研究內容
第二章 實驗方法及研究方案
    2.1 研究路線
    2.2 實驗材料
    2.3 多元Al-Si-Cu合金的制備
        2.3.1 前期準備工作
        2.3.2 熔煉過程
        2.3.3 澆注過程
    2.4 多元Al-Si-Cu合金的熱處理
    2.5 多元Al-Si-Cu合金的實驗方法
        2.5.1 細化變質處理
        2.5.2 不同原砂制砂芯及其壁厚的影響
        2.5.3 熱疲勞實驗
        2.5.4 摩擦磨損實驗
    2.6 多元Al-Si-Cu合金的性能測試
        2.6.1 力學性能
        2.6.2 其他性能
    2.7 多元Al-Si-Cu合金的組織結構分析
        2.7.1 金相組織分析
        2.7.2 SEM分析
        2.7.3 XRD分析
第三章 細化變質對多元Al-Si-Cu合金組織和性能的影響
    3.1 引言
    3.2 正交試驗優化細化變質劑
        3.2.1 正交試驗設計
        3.2.2 正交試驗結果
        3.2.3 正交試驗數據分析
    3.3 優化結果驗證及其分析
        3.3.1 化學成分測試
        3.3.2 力學性能測試
        3.3.3 顯微組織分析
        3.3.4 變質效果分析
        3.3.5 形成相分析
    3.4 本章試驗結論
第四章 不同原砂制砂芯及其壁厚對多元Al-Si-Cu合金組織和性能的影響
    4.1 冷芯盒精密組芯造型工藝
        4.1.1 三乙胺法的基本原理
        4.1.2 三乙胺法制芯輔助材料
        4.1.3 三乙胺法的制芯工藝
    4.2 工藝參數對砂芯性能的影響
        4.2.1 原砂含水量對砂芯性能的影響
        4.2.2 樹脂對砂芯性能的影響
        4.2.3 存放時間對砂芯性能的影響
    4.3 砂芯及壁厚對合金力學性能和組織的影響
        4.3.1 砂芯及壁厚對合金力學性能的影響
        4.3.2 砂芯及壁厚對合金組織的影響
    4.4 二次枝晶間距分析
        4.4.1 二次枝晶間距結果
        4.4.2 建立擬合分析模型
    4.5 相關性能分析
        4.5.1 化學成分
        4.5.2 流動性
        4.5.3 針孔度
    4.6 本章試驗結論
第五章 多元Al-Si-Cu合金熱疲勞性能的研究
    5.1 鋁合金熱疲勞性能研究現狀
    5.2 多元Al-Si-Cu合金的力學性能和顯微組織
        5.2.1 合金的力學性能
        5.2.2 合金相和組織的分析
    5.3 熱疲勞裂紋生長行為研究
        5.3.1 溫度幅對裂紋生長行為的影響
        5.3.2 裂紋萌生與擴展行為
        5.3.3 熱疲勞裂紋擴展速率變化的分析
        5.3.4 組織缺陷對裂紋生長行為的影響
    5.4 熱疲勞裂紋生長機理分析
        5.4.1 裂紋擴展方式
        5.4.2 裂紋擴展行徑
        5.4.3 熱疲勞性能表征
        5.4.4 氧化作用
    5.5 本章實驗結論
第六章 多元Al-Si-Cu合金摩擦行為及磨損機理的研究
    6.1 鋁合金材料摩擦磨損的研究現狀
    6.2 多元Al-Si-Cu合金的摩擦性能
        6.2.1 多元Al-Si-Cu合金的力學性能和顯微組織
        6.2.2 多元Al-Si-Cu合金的質量磨損率
        6.2.3 多元Al-Si-Cu合金的摩擦系數
    6.3 多元Al-Si-Cu合金的磨損特征及分析
        6.3.1 多元Al-Si-Cu合金的磨面形貌
        6.3.2 多元Al-Si-Cu合金的亞表面形貌和硬度分布
        6.3.3 多元Al-Si-Cu合金的磨屑形貌
        6.3.4 多元Al-Si-Cu合金的磨損機理
    6.4 本章實驗結論
第七章 結論與創新點
    7.1 結論
    7.2 創新點摘要
參考文獻
致謝
博士期間發表論文及其他科研成果

【參考文獻】

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本文編號：2863319