合金元素及热处理工艺对铝硅合金热膨胀系数的影响
Al-Si系铸造合金是活塞合金较为常用的材料，其热膨胀系数的变化对活塞有非常重要的影响。活塞是在高温高压下工作的，高温的工作环境使活塞内部产生热应力并膨胀，膨胀过大会影响活塞与缸套之间的配合间隙，影响活塞的润滑，从而加大活塞运动阻力，加速各零部件的磨损，影响内燃机的使用寿命。因此，需要深入研究活塞材料在温度变化过程中的产生热膨胀特性，得出不同温度下的热膨胀系数，提升成品的尺寸精度及合格率，延长材料的使用寿命，提高综合经济效益。 本文通过XRD物相分析，金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、能谱分析等手段，研究了几种不同的Al-Si系铸造合金，分别是Si含量不同的Al-Si二元合金，Cu含量不同，Si含量为12％的Al-Si-Cu三元合金，还有两种Cu含量和Ni含量不同的Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金在不同状态下的热膨胀系数变化规律，讨论了合金元素和热处理工艺对热膨胀系数的影响。具体研究结果如下: 1)对于铸态的Al-Si二元合金，合金的热膨胀系数主要与合金中初生硅和共晶硅含量有关。Si含量越高，组织中初生硅和共晶硅相越多，合金的热膨胀系数越小，则Al-Si二元合金的热膨胀系数随着温度的升高而减小。经过固溶时效处理的Al-Si合金，由于Si相圆整钝化，凝固析出的Si相变少，α-Al基体上也析出细小弥散的Si相，Si相圆整钝化会使合金的热膨胀系数升高，细小弥散的Si相会使合金的热膨胀系数降低。亚共晶Al-Si合金固溶时效热处理后热膨胀系数降低，α-Al基体上析出细小弥散的Si相对热膨胀系数的影响起主导作用;Al-12Si合金经过固溶时效处理后，初生硅和共晶硅相的圆整钝化对热膨胀系数的作用占主导，导致热处理后的合金热膨胀系数变低;而针对不同时效温度，时效析出的Si相越多，材料的热膨胀系数越小;过共晶Al-Si合金固溶时效热处理后热膨胀系数没有太大变化，凝固析出Si相圆整和钝化和时效析出Si相对热膨胀系数的影响相互抵消。 2)对于Al-Si-Cu三元合金，Si含量为12％，Cu含量为2％～6％时，Cu元素的加入会出现凝固析出的Al2Cu相，使得热膨胀系数变小;固溶在基体中的Cu也会使热膨胀系数变小。铸态时的合金中经过热处理后，Al2Cu相变少，残余应力得到释放，使得合金的热膨胀系数变大。Al-Si-Cu合金经过固溶时效处理后，凝固析出的Al2Cu相变少，同时基体中会有时效析出的Al2Cu相，合金的热膨胀系数变大;随着固溶温度的升高，热膨胀系数先降低后升高，在最大固溶温度时时效析出的Al2Cu相最多，热膨胀系数最低，时效析出的Al2Cu相对热膨胀系数的作用占主导。 3)在Al-Si-Cu-Mg-Ni合金中，随着Cu、Ni的加入，合金中会生成稳定性较好、热膨胀系数较低的γ-Al7Cu4Ni和δ-Al3CuNi相，使合金的热膨胀系数减小且更加稳定。长时间稳定化处理可以一定程度上降低合金的热膨胀系数，基本上稳定化处理的时间越长，合金的热膨胀系数就越稳定。时效处理会析出细小的Al2Cu相，能有效降低合金的热膨胀系数。
Al-Si系合金;微观组织;热膨胀系数;时效处理;热处理工艺
西安工业大学
硕士
材料物理与化学
马志军
2021
中文
TG146.21
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）