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A356铸造铝合金热处理强化工艺研究.pdf

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A356 铸造 铝合金 热处理 强化 工艺 研究
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华中科技大学 硕士学位论文 A356铸造铝合金热处理强化工艺研究 姓名:饶晓晓 申请学位级别:硕士 专业:材料学 指导教师:胡树兵 20070530 华 中 科 技 大 学 硕 土 学 位 论 文 摘 要 现代汽车正朝着轻量化、高速、安全舒适、低成本与节能的方向发展。而目前 满足上述要求的最有效的途径就减轻汽车自重。铝及其合金加工材料由于具有密度 小、比强度高等一系列优良特性成为实现汽车轻量化最理想的首选材料。 本文以 A356 铸造铝合金轮毂为研究对象,利用金相显微技术、扫描电镜、差热 分析及力学性能测试等手段对合金的各种不同工艺的微观组织与性能进行了全面的 测试与分析。 通过改变固溶处理工艺参数,研究了固溶处理工艺与合金的力学性能之间的关 系。当温度为 535℃时,随着保温时间的延长,抗拉强度、硬度及延伸率基本上都是 先升后降。当保温时间为 3.5~4.5h时,轮缘的强度、硬度及延伸率才能达到很好的 匹配。 A356 铸造铝合金在 545℃×3.5h下进行固溶处理具有较好的综合力学性能, 轮缘 抗拉强度为 251MPa,硬度为 82HV,延伸率为 12%;轮幅抗拉强度为 233MPa,延伸率 为 9%,故固溶处理的优先工艺为 545℃×3.5h。 研究了室温停留时间与力学性能之间的关系, 结果表明室温停留时间选择在 2~ 10h 范围之内,但不应超过 12h。如果从生产周期及成本方面考虑,室温停留 2h,合 金就能达到预时效的目的,达到强度、硬度与塑性的良好匹配。 通过改变时效处理工艺参数,研究了轮缘的时效处理工艺与力学性能之间的关 系,结果表明在设定的在三个温度上进行时效处理保温 3h 时,合金的综合力学性能 均很好,因此对 A356 铝合金进行时效,能够使其达到一个强度、硬度与延伸率均为 极值的平衡点。 当固溶处理工艺采用 535℃×4.5h时,时效温度为 135℃时,时效时间至少为 3h; 当采用优选的固溶工艺 545℃×3.5h,时效温度为 135℃时,则当时效时间为 0.5h时, 即能达到使强度与塑性达到较高的水平。当时效温度升高至 145℃时,则在保温 1hI 华 中 科 技 大 学 硕 土 学 位 论 文 时,即能达到较好的强度与延伸率的配合。 比较了固溶处理工艺为 535℃×4.5h及 545×3.5h 两种工艺下合金的力学性能, 表 明对于 A356 铸造铝合金,如果在应用时对塑性的要求较高时,则固溶处理可采用工 艺 535℃×4.5h;如果对其塑性要求不高,而希望缩短生产周期,提高生产效率时, 则建议采用工艺 545×3.5h。 通过对金相组织观察,随着固溶温度和保温时间的增加,α(Al)长大,同时Mg、 Si在固溶过程中溶入α(Al)基体中的越多,在随后的时效处理中,非平衡析出大量细 小弥散、均匀分布的Mg 2 Si相,随着保温时间的增加, 共晶明显减少, Si 颗粒聚集 粗化大部分分布在α相中, α相更加圆整, 并进一步增大。从而使合金经过热处理后强 度、硬度上升,而塑性下降。 利用扫描电镜观察了拉伸试样的断口,断口微观形貌表现为典型韧窝断口特征, 均为塑性断裂,当固溶时间一定时,保温时间适度,则其韧窝大且深,塑性较好, 当保温时间过长,则韧窝较浅,塑性较差。 DSC 分析了 A356 合金的时效析出动力学,50~60℃内析出 G. P 区, G.P 区的 析出主要是由空位的团聚所造成的,而与 Mg、Si 元素的扩散关系不大。250~300℃ 范围内析出 β'相, Mg、Si 原子在 G.P 区富集并有序化,在晶界上或螺旋位错上直 接沉淀出来的。当温度在 300℃以上析出与基体完全失去共格的 β 相,使合金性能下 降。 关键词:A356;轮毂;固溶处理;时效处理 II 华 中 科 技 大 学 硕 土 学 位 论 文 Abstract At present, vehicles are developing to be lightweight, high speed, safety, comfort, energy-saving and environmental protecting. It is trend to increase the aluminumzation of vehicles because of its lower density, high strength-to-weight ratio and so on. In this paper, the influences of heat treatment on the microstructures and tensile properties of A356 aluminium wheel are investigated by lots of analyzing and testing methods such as Optical Microscope (OM), Scanning Electron Microscope (SEM), Differential Scanning Calorimeten (DSC) and tensile testing. The relations between the solution treatment technology and the mechanical properties are investigated by variation of solution treatment parameter. .When the solution temperature is 535℃,the the mechanical properties including the tensile strength, the hardness and the elongation of the alloy rise first, then descend. When the solution time reach to 3.5~4.5h,the comprehensive properties are well matched. The results show that the A356 cast Aluminum alloys have good comprehensive mechanical properties by solution treatment for 3.5 hours at 545℃ ,and for the wheel rim the tensile strength is 251MPa,the hardness is 82HV ,and the elongation is 12%; The tensile strength is 233MPa, and the elongation is 9% for the wheel breadth.So the technology of 545℃×3.5h is recommended . The relations between the aging time at room temperature and mechanical properties show that the time is suitable within 0~10h, but it can`t be over 12 hours. when the time is 2 hours ,the alloys have good comprehensive mechanical properties. The relations between the aging heat treatment technology and the mechanical properties are discussed by changing aging technology parameters. The results show that the mechanical properties go beyond the standard by aging treatment for 3 hours at the three temperature being set. So for A356, the tensile strength ,the hardness and the elongation can reach the highest simultaneously by aging treatment . When the solution technology is 535℃×4.5h,the aging time is at least for 3h.If the III 华 中 科 技 大 学 硕 土 学 位 论 文 solution technology is 545℃×3.5h and the aging temperature is 135℃,when the aging time is 0.5h,the tensile strength and the plastic properties are very good .The time must be prolonged to 2.5~3.5h.If the aging temperture is 145 ℃,when the aging time is 1h,the comprehensive properties are well matched .So the time will be 1.5h~2.5h. The mechanical properties are compared between solution threatment of 535℃×4.5h and 545℃×3.5h.If the aim is to be good plastical properties ,the solution technology for 535℃×4.5h is suitable; and the solution technology for 545℃×3.5h is available for shortening the production cycle. The microstructure is observed through metallography microscope. The higher of the solution temperature and the longer of the heat preservation time are, the bigger the particles of α(Al)grow, and the more Mg and Si would dissolve in α(Al) during the solution process. And the eutectic particles reduce obviously while Si particles become bigger. Α(Al)phases become grounder, the strength and hardness grow while the plastic properties drop. The fracture of tension specimens is observed on SEM. And the micro-appearance is typical plastic fracture. If the solution temperature and time are suitable, the dimples are big and deep. The plastics properties also are good. Either them less or higher than the optimal process parameters would lead to poor properties. The aging kinetics is discussed by means of DSC. G..P area is formed within 50~ 60 , which attributes to ℃ vacancy's reuniting . β'-phase is formed within 250~300 ℃ and deposited from the grain boundary or the screw dislocation because of Mg and Si atom enrichs in G.P area. The properties of the Al alloy will become bad when β is formed over 300 . ℃ key words: A356; wheel; solution; aging IV 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到,本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版, 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□ ,在_____年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密□。 (请在以上方框内打“√” ) 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 土 学 位 论 文 1 绪 论 1.1 铝合金在汽车上的应用现状 汽车是应用最广泛的交通工具, 环保、能源、安全是汽车发展的三大课题。为 解决这三大课题,现代汽车正朝着轻量化、高速、安全舒适、低成本、低排放与节 能的方向发展。而目前满足上述要求的最有效的途径就减轻汽车自重。铝及其合金 加工材料由于具有密度小、比强度高、抗冲击性能好、耐腐蚀、良好的加工成型性 以及极高的再回收、再生性等一系列优良特性,成为实现汽车轻量化最理想的首选 材料。汽车使用铝合金材料具有多方面的优点: 首先是减重效果明显,通常每使用1Kg铝, 汽车自重可下降2.25Kg; 第二是节能效果十分可观。根据日本科研机构测定, 汽车重量每减轻1Kg, 平 均一年可节省12L汽油。车重每降低10%,燃料消耗可降低5.6%; 第三是乘客的舒适性和安全性获得提高。若车重减轻37%,发动机输出功率可提 高40%;车重减轻25%,就可使汽车加速到60Km/h的时间从原来的10秒钟减少到8秒 钟;同时使用铝合金车轮,由于震动变小可使用更轻的缓冲器;由于是在不减少汽 车容积的情况下使用铝合金材料而减轻汽车自重,因此使汽车更加稳定、乘客空间 变大,在受到冲击时铝结构能吸收分散更多的能量,因而更加安全和舒适; 第四是在减少污染、改善环境方面。由于汽车重量的减轻,导致了燃料消耗的 下降,所以可减少尾气的排放,使环境得到改善。据介绍,若车重减少50%,CO 2 排 放量可减少13%; 第五是汽车报废后铝可以回收再利用,因为铝是能最大限度回收的材料,目前 回收率为85%,有80%左右的再生铝用于汽车工业,汽车用铝中有60%来自回收的废 铝。 因此汽车的铝化是世界性的发展趋势。汽车铝化的先行国是美国、日本、德国 三大汽车生产国。日本计划未来单台车用铝270Kg,使铝化率达到31.3%,届时体构 造用材料中约17%为铝。因此,逐渐提高汽车的用铝量已成为世界各国的共识 [1-5] 。 1 华 中 科 技 大 学 硕 土 学 位 论 文 1.1.1 汽车发动机的铝化 发动机是汽车的心脏,占发动机总重量25%的汽缸体的铝化速度正在加快。日本 本田公司用新压铸法(低速、中压铸造)成功地使气缸达到了100%的铝合金化。日本 丰田公司已推出莱克萨斯(Lexus)LS-400型高级轿车用的全铝合金发动机。这种 IUZ-FE发动机汽缸容量为4.0L,净重202Kg,在V8型汽车发动机中是最轻的。美国 福特汽车公司也已推出一种铝合金发动机,该名为“V6永久技术”发动机汽缸容量分 别为2.5L和3.0L两种。Al-Si系耐磨合金,Al-Si-(Fe,Ni)系耐热耐磨合金,Al-Fe系耐热 合金等正在用于制作活塞、连杆、汽缸套等发动机零部件等。使用新型中低压铸法 可实现缸体的轻量化,减少壁厚10mm,相当于减轻重量1~1.5Kg气缸盖、活塞等零 件都可能全部使用铝铸体。随着新型耐磨蚀耐热铝合金的不断研究开发,将会进一 步加快汽车发动机的铝化速度 [6] 。 1.1.2 汽车散热器的铝化 汽车散热器(包括水箱、 空调器的蒸发器和冷凝器)大多数是用厚铝箔与铝管制造 的,它比铜质散热器轻40%左右,而且有相当好高的热交换性能,价格也比铜的低。 铝散热器代替铜散热器已成为人们的共识, 得到了世界各国广泛的应用。 比如在1985 年,约78%的法国和德国轿车、44%的英国轿车、65%的瑞典轿车、81%的意大利轿 车及55%的西班牙轿车就已经安装了铝合金散热器,而现在几乎达到100%。这是因 为其具有耐腐蚀性强、使用寿命长、质量比铜制散热器轻20~40%以及热交换率高 12%。福特公司开发了一种散热器,它的椭圆形水管可以用机械装配,这种散热器具 有更好的热传导性(它用一组椭圆形的水管代替了两组圆形的水管),而且质量小、成 本低、力学强度和可靠性丝毫不比传统的散热器逊色。把铝合金散热器用于中型载 货汽车和重型载货汽车虽开始得比较晚(在1985~1989年之间), 但优质冷却液及抗腐 剂的作用使其日益推广 [7] 。目前,汽车空调器已可实现全铝化,但汽车水箱的铝化率 还有很大的潜力可挖。随着相关技术的不断改进,铝散热器在汽车工业上的应用前 景将十分广阔。 2 华 中 科 技 大 学 硕 土 学 位 论 文 1.1.3 汽车车身与车体的铝化 汽车车身与车体空间框架结构的铝合金化也越来越受到世界各国的普遍重视。 车门、车顶外板、车身侧板、发动机罩、行李箱盖、挡泥板、车体框架、保险械、 地板等零部件,过去很少用铝合金制造,现正在加速铝化进程。比如阿尔卡(Alco) 表1-1 世界各大汽车公司开发的铝合金车身零部件 国家 汽车厂家 汽车型号 车身零部件 合金牌号 英国 罗孚 Rande ROVER 前翼子板 - 保时捷 928 覆盖件,翼子板 AC120 德国 梅赛德斯-奔驰 120SEC 覆盖件,行李舱盖 AC120,5000系列法拉利 Testarossa 覆盖件,翼子板 5000,6000系列 Lambergini KountaK 所有外部装饰件 5000,6000系列 意大利 Zagagand Stelvio 所有外部装饰件 5000,6000系列 凯迪拉克 覆盖件,顶盖 AC120,5000系列 美国 通用 Alant 行李舱盖 - 瑞典 沃尔沃 760GLE 覆盖件,活动顶 5000,6000系列 覆盖件外板 GZ45 SavanaRX-7 覆盖件内板 G4B Rodster 覆盖件内外板 GC45 马自达 Cosmo 覆盖件内板 KSSG30 覆盖件外板 KSS030 300ZX 覆盖件内外板 TG-0.6 Infiniti 覆盖件内外板 KSS030 日产 Leopard 覆盖件内外板 5000系列 车身外板 6000系列 车身内板 5050 本田 MSX 车身框架 5182 加强元件,折叠活顶 5052 日本 丰田 Celsior 隔热板 1100 3 华 中 科 技 大 学 硕 土 学 位 论 文 公司与通用公司以及奥迪公司联合开发铝合金车身。他们开发了一种可以制造铝合 金框架的新工艺。这种铝合金框架系采用保护气焊接工艺制成。阿尔卡公司还在距 德国杜塞多尔夫不远的地方建立了生产铝合金车身空间框架的分公司。在采用新工 艺时设备的投资要比采用常规工艺时减少一半。美国福特公司也采用了空间框架的 技术。经专家计算,在用比钢更贵的挤压铝材制造车身框架时,材料利用率高,并 且铝合金车身几乎要比传统车身轻 50%。福特公司开发的“综合-2010”型汽车的铝焊 接结构承载车身的质量比钢焊接结构车身减轻了 450Kg或者说减轻了 46%。在不降 低汽车使用性能的情况下,把发动机的功率由 110KW降到 59KW,而此时的油耗仅 为 4.7L/100Km [5] 。从 1991年起,福特公司开始使用铝板制造新型“Tarus”汽车的车门 内外板、行李舱盖及前翼子板。这些铝板由阿尔卡公司提供。其他公司也在开发轿 车铝合金车身框架。比如保时捷、凯迪拉克、劳斯莱斯、沃尔沃、梅赛德斯、奥迪 及法拉利的某些型号的汽车也已经使用铝车身覆板。根据Hidro铝业公司(挪威)的建 议, 在其制造铝合金车身的基础上成立了“Hidro Automotiv铝业”欧洲联合企业及在德 国的Unterschliasgem分公司。该联合企业已经和法国雷诺公司进行合作,准备批量生 产铝合金车身汽车。日本也建立了几个以生产铝合金车身零部件为主要任务的联合 企业。其中Kavasa Ki Stil公司和Furu Kava铝业公司每年能生产 5000~6000t铝合金板 材。 Kobe Stil公司不仅研究汽车用铝合金板材,而且还研究铝合金挤压毛坯、锻件及 铸件等等。日本本田公司生产的新型赛车采用 210Kg的铝合金整体本身外壳,比钢 质的同样外壳轻 140Kg。 韩国现代汽车公司推出一种取名为“科佩”的超轻量的铝合金 高级轿车,车身重量仅有 148Kg,相当于同类钢车身重量的一半左右,既可节约大 量的能源,获得巨大的社会效益,同时也提高和改善了运行性能。车身的铝化,能 实现可观的减重效果,使铝合金材料在汽车工业上的应用有可能获得突破性的进展 [7] 。1.1.4 汽车底盘的铝化 汽车底盘也可实现铝合金化。德国奥迪公司推出的A-8型豪华轿车,抛弃了使 用多年的钢质底盘而改用新型的铝合金底盘,其重量减轻了约200Kg。虽然比钢制的 高出了约45%的生产成本,但足以用其整个使用寿命周期内所节省的汽油价值来抵4 华 中 科 技 大 学 硕 土 学 位 论 文 偿,同时所取得的社会效益是巨大的。从整体看,汽车底盘的铝化还是有它一定的 发展前途的。 1.1.5 汽车铝合金轮毂 1923 年,赛车开始使用砂模铸造的铝合金轮毂,第二次世界大战后,铝轮毂用 于普通汽车。1958年,有了整体铸造的轮毂,以后不久又有了锻造轮毂,1979年美 国把铝带成形轮毂作为标准轮毂。1990 年,阿卢马克斯工程金属工艺公司(AEMP) 与索帕里奥(Supcrior)工业公司合资在阿肯萨斯州菲耶特维尔市建设的全球第一个半 固态模锻(SSF)铝合金轮毂厂投产, 使铝合金轮毂生产又进入了一个新阶段。 1981年, 美国凯泽铝及化学公司用挤压方法首次生产铝合金轿车整体轮毂, 其直径为 457.2毫 米,用于装备 80年代中期前轮驱动的小型轿车 [8] 。 1.1.5.1 铝轮毂的优点 与其它轮毂相比,铝轮毂具有如下优点: (1)铝轮毂减重效果明显,从四轮轿车到十轮大客车,使用铝轮毂,每个轮可减 重2~18.5Kg,每辆车可减重8~74Kg,即减轻重量29~44%。 表1-2 汽车铝合金轮毂的减重效果 车种 轮辋规格 铝轮毂重 Kg 钢轮毂重Kg 减重效果Kg 1辆车减重 效果Kg 轿车与小客车 5-1/2JJ×14 5~6 7~9 2~3 8~12 中型汽车 6.0GS×16 11.5 17 5.5 33 10轮大卡车 7.5V×20 7.0T×20 24.5 24.5 37 34 12.5 10.0 125 100 10轮客车 8.25×22.5 7.5×22.5 24.5 23.5 42 42 17.5 17.5 175 185 (2)铝轮毂节油效果好。日本川西泰夫等用钢轮毂车总重为14.7吨、铝合金轮毂 车总重为14.5吨的两辆载货卡车进行了耗油量试验。试验车速为90、80、40、30及20 公里/小时,试验结果如表1-3。 5 华 中 科 技 大 学 硕 土 学 位 论 文 表1-3 钢轮毂、铝合金轮毂卡车的节油效果 行程,Km/L油 车速Km/h 钢轮毂车 铝合金轮毂车 铝合金轮毂车的多行 里程率,% 20 5.00 5.18 3.6 30 4.18 4.29 2.6 40 6.50 6.66 2.4 60 4.82 5.16 7.0 80 3.53 3.70 4.8 90 3.00 3.09 3.3 (3)散热性好。轿车在高速行驶时,轮胎与地面摩擦会发热,制动盘和制动片摩 擦也会发热,在高温的作用下,轮胎和制动片均会加速磨损和老化,一旦失效就可 能引发安全事故。铝合金的传热系数比钢大3倍,可将轮胎和制动片上产生的热量迅 速地传导散发到空气中去, 能有效地避免车轮在高速旋转下产生的种种弊病, 提 高了安全性。 (4)舒适性好。铝合金轮毂是精密的铸造件,精加工表面达80%以上, 失圆度小 平衡性好; 特别是铝合金弹性模量较小,抗振动性好, 能减少行驶中的振动, 加 上真圆度好,更具有吸收震动及弹力的功能,所以提高了整车的舒适性。 (5)外观赏心悦目。铝合金轮毂的外表面经过抗腐蚀处理再静电粉体涂装, 让人 有一种美观、精致、豪华的感觉 [9] 。 1.1.5.2铝轮毂的制造工艺 近年来,铝轮毂的应用越来越广泛。美国是应用铝合金轮毂较多的国家,目前 已有35%的车轮是铝轮毂,预计到未来将提高到50%。日本这一比例也很高,已超过 30%。除压铸铝合金轮毂外,还出现了铸造轮毂、铝板成型轮毂。铝制轮毂因具有重 量轻、散热性能好、轮胎寿命长、安全可靠、生产简单、外型美观、图案丰富多彩、 尺寸精确、平稳性好等优点,从而得到越来越广泛的应用,发展潜力很大。 目前铝合金轮毂的制造方法主要有两大类 [10] :一类是铸造法(包括金属型重力铸 造法、金属型低压铸造法、压力铸造法、挤压铸造法即液态模锻),该法生产轮毂成 品率高,成本较低,但轮毂的力学性能低,主要应用于生产普通摩托车、轻型轿车6 华 中 科 技 大 学 硕 土 学 位 论 文 轮毂;另一类是锻造法(包括常规锻造法、铸造锻造法、半固态模锻工艺),该法生产 的轮毂力学性能高,但成品率低,只有50%左右,价格昂贵,产品主要应用于高档轿 车、轻型客车乃至重型汽车和大型客车上。由于铸造法生产铝合金轮毂具有适应性 强、花色品种多样、生产成本较低等优点,铸造法仍是生产铝轮毂最普遍的方法, 在目前全世界生产的铝轮毂中,铸造的占80%以上 [11] 。 铝轮毂有一件式、两件式和三件式的。两件式的铝轮毂是由一件内件和一件外 件焊上的或钉上的。三件式的铝轮毂由一件中心部件和两个外圆件组成,并用航空 级的螺钉拧在一起。为了减轻质量,很多三件式铝轮毂使用锻造件 [12] 。铸造铝合金 轮毂的一般制造过程如下:熔炼配置合金液→铸造毛坯→热处理淬火、时效→轮毂 校平→非加工面喷漆处理→机械加工→表面处理→包装入库。铝合金轮毂表面处理 工艺主要分为涂装(喷漆或喷粉)和电镀两个大类, 过去那种单纯的阳极氧化膜处理工 表1-4 国内整体铝合金车轮毛坯的主要铸造方法比较 方法 优点 缺点 应用程度 压力铸造法 效率高,切削加工余 量少,低消耗,大批 量,单件成本低廉 铸件内极易吸入气体 形成气孔,不宜进行 热处理,影响力学性 能 采用真空压铸工艺生 产的铝轮,仍具有一 定的竞争力 金属型铸造法(重力 铸造法) 工艺最成熟,生产效 率较高,工序简单, 投资少,铸件经固溶 处理后,具有良好的 力学性能 铸件切削加工余量 大, 浇冒口系统复杂, 回炉料较多,浇注时 易产生疏松、裂纹等 缺陷 应用最为普遍 低压(差压)铸造法 底注式填充,充型平 稳,铸件夹渣和气孔 少,合格率高 铸机和模具造价较 高,模具设计、保温 炉密封、合金液处理 方面较麻烦 具有一定市场,适合 于大尺寸汽车轮毂 挤压铸造法(液态模 锻 铸件精度高,切削余 量小,生产效率高, 铸件力学性能好 挤压机较大,模具较 为复杂和贵重,制造 和维修费用较高 拥有一定的市场 艺已逐步被淘汰。其中电镀车轮多用在高端产品上 [13] 。喷涂工艺主要流程为:预脱酯 →清洗→脱酯→清洗→吹积水→烘干→喷涂底漆→补漆→固化→喷涂面漆→补漆→7 华 中 科 技 大 学 硕 土 学 位 论 文 固化。喷粉工艺和喷漆工艺过程基本相同,只是通常可以只喷、烘一次。对于高端 产品,在前处理阶段应增加去氧化膜和形成转化膜的工序,以提高涂层的附着力。 镀铬工艺主要流程为:除油→清洗→酸蚀→预镀锌→预镀暗镍→预镀亮铜→清洗→ 活化→镍封→镀铬→清洗→吹积水→烘干 [14] 。 1.1.6 我国汽车铝化的现状我国汽车铝合金化程度不高,所用铝合金材料尚未形成标准化、系列化,材料 品种也较少,由于受制造工艺、成本、维修、路况等条件的限制,铝散热器的应用 在一定程度上受到影响。此外,在质量方面也存在着成份、性能等方面的问题。但 是,随着我国汽车工业的快速向前发展,铝合金材料在汽车上的应用也将会得到相 应的增加和发展的。美国资深汽车工程师David Scholes 预测:未来轿车上的每个零件 都有可能用铝合金来生产,未来的10~15年会有越来越多用铝合金制造的汽车,并 且铝合金制品完全可能比塑料轻 [15] 。 1.2 A356 合金研究现状 A356 即我国的ZAlSi 7 MgA( ZL101A合金), 是美国于 70年代研制的一种铸造铝 合金 [16] ,该合金属于Al-Si-Mg系合金,其合金成分见表 1-5。A356 合金既有良好的 铸性能又有高的综合力学性能。70 年代末期开始用于汽车工业。随着汽车工业的迅 速发展,到了 80年代末A356 系列铝合金在汽车工业中得到了广泛应用 [3] 。 硅是A356 合金主要强化元素,与镁形成Mg 2 Si相在时效时弥散析出,可提高材 质的强度与硬度。Mg 2 Si在室温下析出缓慢,所以自然时效效果不大,必须经人工时 效后,才有高的强化效果。合金中的硅和镁在人工时效温度下,优先形成Mg 2 Si,而 在室温下,硅由保留在α(Al)过饱和固溶体中,不易析出。但同时,硅也会与钛生成 金属化合物,减弱钛的细化作用;硅含量越高,钛的细化Al-Si合金能力越弱。因此, 对于高硅铝硅合金,钛的加入量应相对高一些以保证钛的细化作用[17] 。含镁量不超 过 0.4%,这是因为镁在α固溶体中的极限溶解度约 0.5~0.6%,过量的硅与镁形成粗 大Mg 2 Si相,降低合金的塑性。为了进一步提高铝合金的强度,通常在零件成形后进8 华 中 科 技 大 学 硕 土 学 位 论 文 行热处理。由于铝没有同素异构转变,故铝合金的热处理强化方法与钢不同,铝合 金的热处理般采用固溶+时效处理, 通过固溶处理, 使合金元素和第二相固溶于基体, 并在随后的时效处理中均匀析出细小的强化相,达到强化的效果。试样经固溶处理 后,由于微量合金元素的溶入,使基体成为过饱和的亚稳态,在随后的时效过程中, 又从基体中析出强化相,主要是Mg 2 Si。在时效开始阶段,由于基体过饱和度很大, 所以析出过程非常快,硬度曲线的斜率很大,即硬度会大幅度提高;当达到一定时 间后,基体和析出物之间的浓度达到了平衡,因此析出开始变慢直到停止,这时硬 度曲线变得平缓; 最后由于继续保温, Mg 2 Si不再析出而开始长大粗化, 硬度下降[18] 。 表1-5 A356合金各合金元素质量分数 Si Mg Ti Sr Fe Cu Mn Zn Al 6.8~7.2 0.30~0.38 0.08~ 0.15 ≤0.018 ≤0.18 ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1 余量 1.2.1合金强化机理 该合金为高硅合金,由于有强化相Mg 2 Si在铝的温度场中有较大的溶解度的变 化,因此具有良好的强化效果,特别是人工时效机械性能有显着变化,同时出有良 好的塑性。另外,该合金中含有Ti和Sr元素合金对晶粒细化变质效果明显,热处理后 有明显的球化效果。 在Al-Si-Mg三元系中,Mg-Si为稳定化合物,与铝构成伪二元系,使Al-Mg-Si系 分成α+Mg 2 Si+Si及α+Mg 2 Si+Mg 5 Al 8 两个三元共晶系(见图 1-1),三元共晶温度分别为 558℃和 448℃。由图可知,ZL101 合金的结晶过程为首先是α(Al)结晶,然后有 L →α(Al)+Si二元共晶反应,一直到完全凝固为止,但不平衡结晶时,Mg不能完全进 入 α(Al)中,所以液相中的含Mg不断增高,而有L →α(Al)+Si+Mg 2 Si三元共晶反应(出 现Mg 2 Si),故按Al-Mg-Si相图,在平衡结晶完毕后,ZL101 合金是在α(Al)+Si两相区 中,而实际铸造组织是处α(Al)+Si+Mg 2 Si三相区中,故在实际结晶条件下,合金中可 出现α+Mg 2 Si+Si三元共晶体。但由于Mg 2 Si数量较少,且分散度高,一 9 华 中 科 技 大 学 硕 土 学 位 论 文 图1-1 铝-镁-硅三元合金相图 般在金相组织中难以分辨。又由于含Fe杂质相,Fe在纯A1 中的溶解度极小,在共晶 温度只有 0.052%,室温只能溶解 0.002%。杂质Fe在Al中成针状FeAl 3 化合物存在, 是硬而且脆的化合物。Si在A1 中的溶解度比Fe大,在共晶温度的极限溶解度为 1.65 %,但在室温只能溶解 0.05%。Si同Al不形成化合物,除溶解部分外,过剩的杂质 Si均呈游离状态存在。 但应指出, Fe和Si经常是同时存在时, 除了FeAl 3 和Si质点以外, 还能形成两种三元化合物。即当Fe含量大于Si时形成富Fe化合物α(A1 12 Fe 3 Si);Si> Fe时形成富Si相的β(A1 9 Fe 2 Si 2 )。二者都是脆性化合物,但 α相呈骨架状或团块状,β 是粗大的针状,故后者对塑性的危害更大些。 Fe和Si在工业纯Al中多半成三元化分物 存在,出现FeAl 3 或游离Si的机会很少[19] 。除 α(Al 12 FeSi), β(Al9Fe 2 Si 2 )外,还出现一 种四元相Al 8 FeMg 3 Si 6 ,它可由包晶反应L+ β(Al 9 Fe 2 Si 2 ) →α(Al)+Si+ Al 8 FeMg 3 Si 6 或共 晶反应L →α(Al)+Si+Mg2Si+ Al 8 FeMg 3 Si 6 形成,当形成这种共晶体时,合金的熔点降 低到 544℃。由此可见上述合金除基本相外,还存在杂质相α(Fe 3 SiAl 12 ), β(Fe 2 SiA1 9 ) 和Al 8 Mg 3 Si 6 。ZL-101 合金中添加少量锰,除起固溶强化作用外,还可使粗针状的 β(Fe 2 Si 2 A
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