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1、本科生毕业设计（论文）摘 要Al-Si系合金具有良好的铸造性能、抗蚀性能和中等的切削加工性能，是比较理想的铸造铝合金，已成为制造业中最受重视的结构材料之一。本文采用电脉冲熔体处理技术作用于富Fe的共晶铝硅合金材料，通过改变脉冲电压和脉冲频率，分析不同脉冲参数下该合金的组织形态、尺寸和分布；同时对比不同参数试样的平均基体硬度，初步分析电脉冲对该合金的作用机理。并利用扫描电镜，对不同参数下试样组织中的各个元素分布进行了检测，研究不同电脉冲参数对附Fe的A1-Si基活塞合金组织、形态、尺寸和分布的影响。结果表明，电脉冲处理对富Fe的A1-Si活塞合金材料的组织和性能有一定的影响。通过不同脉冲电压和频
2、率对A1-Si-Fe基活塞合金进行处理，富Fe的A1-Si合金组织中针状的-Fe相大部分均转化为鱼骨状的-Fe相，其基体硬度由未处理时的103增加到133，是未处理时的1.3倍；对试样做扫描电镜分析，组织中鱼骨状的-Fe相分布较为均匀且几乎无针状Fe相出现。本实验结果对电脉冲处理技术应用于Al-Si活塞合金具有一定意义。关键词：Al-Si活塞合金；电脉冲处理；脉冲电压；脉冲频率；晶粒细化 AbstractAl-Si alloy has become one of the most important manufacturing structural materials as a kind of
3、 ideal cast Al alloy because of the characteristics of good casting performance, moderate corrosion resistance and cutting performance. In this paper, the eutectic Al-Si alloy with rich Fe is modified by electric pulse, and its morphology, size and distribution under different pulse parameters are a
4、nalyzed by changing the pulse voltage and frequency; meanwhile, the mechanism of electrical pulse on the alloy is analyzed by comparing the average matrix hardness of samples under different parameters. With the help of SEM, every element distribution is detected to study the effect of the different
5、 electric pulse parameters on the piston, pattern, size and distribution of A1-Si-Fe-based alloy.The results show that EPM has an impact on the organization and performance of A1-Si-Fe-based alloy pistons. Under different pulse voltage and frequency, needle-like -Fe phase is changed into a fish-like
6、 -Fe phase mostly, and the matrix hardness is increased from 103 to 133, as 1.3 times as that before treatment; by analyzing the scanned samples, the distribution of fish-like -Fe phase is uniform without needle-like -Fe phase. The results of experiments have certain significance which used in Al-Si
7、 piston alloy by EPM.Keywords: Al-Si piston alloy; Electric Pulse Modification; pulse Voltage; pulse Frequency; Grain refinement目 录第1章 绪论11.1课题研究背景及国内外研究现状11.1.1课题研究背景11.1.2国内外研究现状11.2 Al-Si基活塞合金材料的发展历史及其工作特点21.2.1 Al-Si基活塞合金材料的发展历史21.2.2 Al-Si基活塞合金材料的成分、组织和工作特点31.3 富Fe的Al-Si合金中铁相的影响41.4 电脉冲处理技术概述51
8、.4.1 电脉冲处理技术的研究进展51.4.2 电脉冲处理技术的作用机理61.4.3电脉冲处理技术的时机81.4.4脉冲电流处理对金属凝固组织的影响81.4.5 电脉冲处理技术发展前景91.5选题的目的和本文研究内容101.5.1 选题的目的111.5.2 本文研究的内容11第2章 实验内容与方法122.1 实验材料与设备122.1.1 实验材料122.1.2 实验设备122.2 实验过程与方法122.2.1 熔炼及浇注132.2.2 金相制备132.2.3 其他性能测试与组织观察14第3章 实验结果与分析153.1 富Fe的Al-Si合金微观组织及其硬度对比分析153.2 Fe相对铸件性能的
9、影响173.2.1 Fe相的组织性能173.2.2 Fe相的组织形貌173.3 力学性能分析183.3.1 不同脉冲频率183.3.2 不同脉冲电压203.4 小结20第4章 结 论21致 谢25附 录A 译 文26附 录B 英文材料29I第1章 绪论1.1课题研究背景及国内外研究现状1.1.1课题研究背景随着现代科学技术的发展，尤其随着能源和环保问题的加剧及内燃机行业所面临的电动/混合动力汽车技术的挑战，内燃机正朝着大功率、低油耗、低排放、高转速、高增压的方向发展1-7，对活塞材质及其性能的要求也愈来愈高。近年来出现了碳化硅颗粒、氧化铝纤维或硼酸铝纤维增强铝基复合材料，树脂基复合材料，陶瓷材
10、料，石墨材料和碳/碳复合材料等新型活塞材料，但就目前的整体情况来看，复合材料制品的生产成本还显得有些偏高，且有些新型活塞材料仍处于实验室研究阶段，大规模应用于工业生产还有相当一段距离8,9。因此，活塞材料研发的水平高低，可体现一个活塞制造企业是否真正具有核心竞争力。同时，人们在从事活塞材料研发过程中还需把环境、能源、可持续发展问题纳入其中，进而活塞材料的凝固技术也相应的需要得到发展和提高。传统的凝固控制技术越来越不适应时代发展的要求。随着科学技术的不断进步和交叉学科的发展，凝固过程的控制技术不断产生新的亮点10。其中电脉冲凝固技术因其无污染、操作简便，近年来得到了国内外学者的广泛关注和研究11
11、-13。目前广泛使用的 Al-Si活塞合金材料为了使得活塞热膨胀系数更小、尺寸更稳定、耐磨性能更加优异，致使 Al-Si-Fe活塞合金中的 Si 含量不断提高，随之而来的是切削性能恶化，室温铸态组织中初生 Si 数量增多且有棱角、共晶 Si呈长杆状又分布不均，导致割裂基体使得活塞力学性能变差。所以 Al-Si-Fe活塞合金浇铸前不得已而采用化学变质方法，在对共晶 Si、初生 Si 组织变质而改善它们组织形态的同时，却给合金液引入了杂质。本文通过电脉冲作用于Al-Si-Fe 活塞合金熔体实验，研究电脉冲对其凝固组织和力学性能的影响规律。1.1.2国内外研究现状目前，国外在高性能活塞合金领域的研制
12、力量主要集中在产业界，它们凭借先进的生产工艺和试验条件，通过合金成分调整、工艺调整等手段积极地进行新合金的研发与改进；有些也与学术界合作在合金的疲劳失效等方面开展一些应用基础研究；更前沿的则已在掌握大量试验数据的基础上利用相场模拟、热力学模拟等手段进行合金的辅助开发与设计。然而，在国内相关高强耐热活塞合金的自主研发工作非常滞后；随着竞争的进一步加剧，函需研制能应用于高性能发动机活塞生产的高强耐热活塞合金，以满足将来民用及军用发动机尤其是高负荷柴油发动机的性能指标要求。为此，王建中教授领导的外场处理技术课题组与国内最大的活塞制造企业山东滨州渤海活塞股份有限公司积极合作，努力在高强耐热活塞合金的研
13、制方面探索出一些规律。1.2 Al-Si基活塞合金材料的发展历史及其工作特点活塞被称为发动机的“心脏”，是内燃机的核心零部件之一，其功用是承受燃气压力，并通过活塞销将能量传给连杆驱使曲轴旋转。在发动机工作时，活塞直接与瞬时温度可高达2000 的高温燃气接触，活塞顶部温度可达300400 ，且温度分布不均匀；在做功行程中活塞顶部承受着很大的燃气压力，汽油机达45MPa，柴油机则可达58 MPa，甚至更高；此外，活塞在气缸内往复运动的线速度可达1116 m/s。在这种恶劣的条件下工作，活塞承受着高温、高压、高速的热负荷和机械负荷。因此，作为汽车发动机中传递能量的一个非常重要的构件，活塞对其相应的制
14、造材料具有特殊的要求：密度小、质量轻、热传导性好、吸热性差、热膨胀系数小；并具有足够的高温强度、耐磨和耐蚀性能及好的尺寸稳定性；另外，还应具有成形及加工性能好、成本低廉等特点。1.2.1 Al-Si基活塞合金材料的发展历史世界上最初的内燃机活塞是用铸铁做的。铝合金最早于1903年试用于内燃机活塞，其成分为Al-10%Zn-3.5%Cu，然而其耐热性不能满足要求，不久就被废弃，但对活塞材料的发展是个突破14。1920年一种Al-Cu-Ni-Mg系合金(“Y合金”)正式在英国得到应用，但因其线膨胀系数和密度较大、铸造性能差且含有较多贵重金属价格较贵而逐渐被淘汰。后来出现了Al-Cu-Si系合金，该
15、系合金铸造性能较好，切削加工性能也不错，在常温和高温下具有较高的机械性能；但是线膨胀系数大，体积不稳定，会产生永久性长大，从而引起活塞行业中常说的“咬缸”现象，所以使用也受到限制15。我国从解放初至70年代初所使用的ZL110合金即属于此类。1920年Pacz16发现Na对Al-Si二元共晶合金具有变质作用，随后Al-Si共晶合金开始应用于活塞生产。由于共晶铝硅合金综合具有铸造性能好、热膨胀系数小、高温强度高、体积稳定性好、耐磨性好、成本较低等优点，在活塞材料中逐步占据统治地位17。我国活塞行业则在70年代初大力推广Al-Si活塞合金:1971年采用P变质处理工艺，研制成功ZL108与ZL109合金18，并在生产中逐步推广应用。时至今日，ZL109合金(ZAlSi12Cu1Mg1Ni1，相当于国外牌号Mahlel24、AC8A19等)仍旧是国内应用最广泛的活塞合金材料20。1.2.2 Al-Si基活塞合金材料的成分、组织和工作特点活塞是发动机、空压机、液压马达等中传递能量和介质的重要部件。对活塞的要求应满足下列条件:密度和热膨胀系数小，尺寸稳定，抗咬合性和耐磨性能好，并具有满足使用要求的力学性能等。用Al-Si多元合金作为发动机用活塞材料，从成分选择上经历了由亚共晶、共晶、过共晶的发展过程。处理工艺上特别是变质处理经历了由单一变
