多元合金化高强度共晶AlSi合金活塞的研究

徐 通, 黄笑梅, 程和法, 武宏发, 秦晓雄

(合肥工业大学 材料科学与工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

铝硅合金以其密度小、热膨胀系数较低、高温性能好和疲劳强度高等优点已被广泛应用于汽车发动机活塞材料[1-2],随着发动机性能的不断改进,对活塞的力学性能、高温强度、疲劳强度、膨胀性和导热性等的要求更高。为了提高铝硅合金活塞的强度性能,主要从改善其微观组织中的共晶硅形态和分布、强化α-Al等方面采取各种工艺和冶金措施[3],如变质处理、合金化、热处理等[4]。在合金化方面,主要是通过加入各种合金元素进行强化和形成高温稳定金属间化合物来提高室温和高温力学性能。将铸态组织的改善和多元合金化与热处理工艺相结合,使合金元素发挥最佳的强化效果。因此,近年来,围绕铝硅合金活塞的合金化研究和铸态组织改善以提高力学性能的研究已经成为活塞合金材料研究的热点之一[5]。但是,从国内外研究的报道来看,目前所研究的共晶铝硅合金活塞抗拉强度一般都很难超过300 MPa,文献[6]研究的含Cu 4.48%和含Ni 1.94%的共晶铝硅合金中,室温抗拉强度为254.8 MPa,Cu、Ni的质量分数提高到5.45%和1.83%时,其室温抗拉强度也只为278.9MPa。

为了研究更高力学性能的共晶铝硅合金活塞材料,本文拟通过改善共晶硅组织形态[7-9]、多元合金化与热处理相结合的方法,研究具有更高室温和高温力学性能的活塞材料[10]。

1 实验过程及方法

实验所用合金材料为ZL102,采用Al-Sr中间合金(w(Sr)=10%)作为变质剂,合金化采用Al-Cu中间合金(w(Cu)=50%)、Al-Ni中间合金(w(Ni)=10%)、Al-Mn中间合金(w(Mn)=10%)、Al-Ti中间合金(w(Ti)=5%)、工业纯Mg和纯Zn。

采用Cu、Ni、Ti、Mn、Zn、Mg等元素进行多元合金化,以获得高强度的共晶铝硅合金活塞材料。Cu的加入量控制在3.0%～3.5%之间,Ni的加入量控制在1.0%～2.0%之间, Cu主要影响合金室温强度,Ni对合金高温强度作用较为明显,Ti可以细化晶粒,Zn起到固溶强化的作用,Mg会与Si形成Mg2Si从而提高合金室温,高温性能。Mg加入量为1.0%,Ti、Mn、Zn加入量均为0.2%。本文设计了6组不同成分的共晶铝硅合金,见表1所列。

表1 共晶铝硅合金中合金元素的质量分数 %

采用坩埚电阻炉熔炼ZL102合金,先将ZL102合金和纯铝在780 ℃的石墨坩埚中熔化,保温30 min待其完全熔化后,向合金熔液中加入Al-50%Cu中间合金和Al-10%Ni中间合金,等熔液温度上升到780 ℃时,向合金熔液中加入Al-5%Ti中间合金以及用铝箔包好的单质Zn与单质Mg,等到熔化完全以后,用钟罩将六氯乙烷压入熔体中进行精炼处理,保温10 min后撇渣。待温度回到780 ℃,向合金熔液中加入Al-10%Sr中间合金,搅拌均匀后,撒上覆盖剂,保温30 min后撇渣,在720 ℃时浇注到钢模中。从浇注的铸块上切取微观组织分析和力学性能试样。

各种成分的合金进行固溶+时效热处理实验在箱式电阻炉内进行。对不同成分的合金铸态组织、固溶处理、时效处理后的组织进行金相观察和扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)观察分析。合金的室温和高温(300 ℃)下力学性能在万能试验机上进行。

2 实验结果及分析

2.1 Sr变质对共晶Al-Si合金微观组织的影响

为了研究Sr对共晶铝硅合金中共晶硅的变质作用和规律,加入0.02%、0.04%、0.06%、0.08%和0.10%的Sr对共晶铝硅合金进行了变质处理,加入不同量Sr变质的共晶铝硅合金铸态组织如图1所示。

图1 Sr对共晶铝硅合金组织形态的影响

由图1可知,未变质共晶铝硅合金中的共晶硅呈粗大的针片状,棱角尖锐,分布不均匀;经Sr变质以后,共晶硅形态由针片状逐渐转化成纤维状和蠕虫状,且分布均匀。加入0.08%的Sr对共晶硅的变质效果达到了最佳,共晶硅细化效果最好,成为了细小弥散的纤维状和蠕虫状,如图1e所示。采用Image-Pro-Plus软件对Sr变质后的合金中的共晶硅尺寸进行了分析，结果如图2所示。

从图2可以看出,加入0.02%Sr时,共晶铝硅合金微观组织中的共晶Si平均尺寸从84 μm减小为63 μm,减小了25%。当Sr加入量增加到0.04%时,共晶Si平均尺寸急剧减小到8 μm,减小了87.3%,当Sr加入量增加到0.06%时,共晶Si平均尺寸进一步细化到4 μm,进一步增加Sr的量到0.08%时,共晶硅平均尺寸达到最小的2 μm。随后,继续将Sr的加入量增加到0.10%时,其对共晶硅的细化效果并没有进一步提高。因此,可以确定Sr变质对共晶Si最佳变质作用的加入量为0.08%。

图2 Sr质量分数对共晶硅相平均尺寸的影响

2.2 热处理对微观组织和性能的影响

2.2.1 固溶时效热处理工艺参数的确定

通过固溶和时效处理能够调整和控制各种合金元素在共晶铝硅合金中的存在形式和分布状态,使合金元素的强化作用得到最大的发挥,同时,通过适当的固溶处理还能进一步改善合金的微观组织形态,提高合金的性能。含3.5%Cu、2.0%Ni的共晶铝硅合金在不同条件下固溶处理后和时效处理后的平均硬度见表2、表3所列。

从表2、表3可以看出,合金在185 ℃下时效8 h后,其硬度值达到最高值,为89.4 HRB。因此,可以确定共晶铝硅合金最佳的固溶+时效处理规范为:510 ℃下固溶处理6 h和185 ℃下时效处理6 h。

表2 不同固溶处理参数下共晶铝硅合金的洛氏硬度(HRB)

表3 不同时效处理的共晶铝硅合金的洛氏硬度(HRB)

2.2.2 固溶时效处理对合金微观组织的影响

含3.5%Cu、2.0% Ni的共晶铝硅合金分别在铸态、固溶和固溶+时效后合金中共晶硅的SEM图如图3所示。

从图3可以看出,铸态下的共晶硅形态是纤维状和杆状,而经过510 ℃固溶处理6 h后,共晶硅相的纤维状基本上都转变成为短杆状和小块状,且形态更加趋于圆整;再经过185 ℃时效处理6 h后,组织中呈现大量的颗粒状或球状的共晶硅,形态圆整,且分布均匀。可见经过510 ℃固溶处理和185 ℃时效处理,明显改善了铝硅合金的组织形态,这种形态大幅度减少了共晶硅对基体的割裂作用,有利于合金综合力学性能的提高。

图3 含3.5%Cu和2.0%Ni共晶铝硅合金的SEM图

对含3.5%Cu、2.0%Ni的共晶铝硅合金进行SEM观察和物相组成分析,所得结果如图4所示。

从图4可以看出,经过变质处理和固溶及时效处理后的合金微观组织中块状、纤维状及短杆状的共晶硅,其颜色较深。

图4 含3.5%Cu和2.0%Ni共晶铝硅合金SEM图及相分析

其中较多的白色相经过能谱分析可知,其中Al的原子百分数为56.80%,Cu的原子百分数为20.73,Ni的原子百分数为19.54%,Si的原子百分数为2.93%，根据该相组成的原子百分数,可以认定是Al3CuNi相。

2.3 合金室温力学性能

含不同Cu和Ni的共晶硅铝硅合金,经过0.08%Sr变质,再经过510 ℃固溶处理6 h+185 ℃时效6 h处理后的室温抗拉强度见表4所列。

表4 合金化对共晶铝硅合金室温和高温力学性能的影响

由表4可知,经过变质处理和固溶时效处理,多元合金化铝硅合金具有良好的力学性能,各种成分合金的抗拉强度均超过了280 MPa。

随着Cu、Ni质量分数的增加,合金的抗拉强度逐渐升高,当Cu的质量分数为3.0%、Ni的质量分数从1.0%增加到2.0%时,合金的抗拉强度由288.88 MPa上升到290.25 MPa。

当Cu的质量分数为3.5%、Ni的质量分数从1.0%增加到2.0%时,合金的抗拉强度由289.37 MPa上升到303.06 MPa。

2.4 合金高温力学性能

含不同Cu和Ni的共晶硅铝硅合金,经过0.08%Sr变质,再经过510 ℃固溶处理6 h+185 ℃时效6 h处理后的合金在高温(300 ℃)下的抗拉强度见表4所列。

从表4可以看出,采用Cu、Ni、Mg等多元合金化能够显著提高共晶铝硅合金的的高温强度,随着Cu和Ni质量分数的增加,合金的高温强度提高,尤其是Ni对提高高温强度的作用更加显著,当Cu的质量分数为3.0%时,随着Ni质量分数增加到2.0%,合金的高温(300 ℃)抗拉强度提高到了133.62 MPa,上升了19.1%, 而当Cu的质量分数为3.5%、Ni的质量分数为2.0%时,合金的高温(300 ℃)抗拉强度进一步提高到了137.74 MPa。

3 结 论

(1) 采用Sr变质能够使共晶硅铝硅合金中的共晶硅形态由针片状逐渐转化成纤维状和蠕虫状,且分布均匀和细化。加入0.08%的Sr,对共晶硅的变质效果达到了最佳。

(2) 采用Cu、Ni为主要合金化元素和Mg、Ti、Zn元素进行多元合金化,能够大幅度地提高共晶铝硅合金的室温强度和高温强度,从而获得高的室温强度和高温强度相结合的铝硅合金活塞。

(3) 经过Sr变质处理与510 ℃固溶6 h+185 ℃时效6 h处理,Cu的质量分数为3.5%、Ni的质量分数为2.0%的共晶铝硅合金的室温抗拉强度能达到303.06 MPa,高温(300 ℃)抗拉强度达到137.74 MPa。