專利名稱：一種提高鋁硅合金熱疲勞性能的工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋁硅合金技術(shù)領(lǐng)域，特指一種提高鋁硅合金熱疲勞性能的工藝方法。
背景技術(shù)：
在許多工程問題中常常遇到隨時(shí)間作周期性變化的溫度場(chǎng)的問題。鋁硅合金是制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、活塞等的主要材料。發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和停機(jī)時(shí)，伴有劇烈變化的非穩(wěn)定溫度場(chǎng)，此時(shí)將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，使零件局部進(jìn)入塑性區(qū)，并伴隨短期蠕變。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率系數(shù)的增大及大型化，對(duì)熱應(yīng)力及其伴生的損壞采取措施，作為設(shè)計(jì)上的要點(diǎn)比以往任何時(shí)候都重要。在發(fā)動(dòng)機(jī)零件中，熱應(yīng)力最嚴(yán)重的是構(gòu)成燃燒室的活塞、汽缸蓋、缸套、排氣閥等。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)，由熱應(yīng)力引起的直接破壞也是高溫低循環(huán)疲勞。在機(jī)械的汽缸、活塞與閥門等的設(shè)計(jì)中，必須考慮這樣的溫度場(chǎng)所引起的熱應(yīng)力。由于外界溫度漲落在材料內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)造成裂紋萌生及其擴(kuò)展，冷熱循環(huán)過程中材料硬度會(huì)發(fā)生變化，氧化腐蝕對(duì)熱疲勞性能有影響。本發(fā)明不考慮外加機(jī)械應(yīng)力的作用，應(yīng)用全約束自動(dòng)冷熱疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋁硅合金材料進(jìn)行冷熱循環(huán)，為更好的預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)材料的壽命提供相應(yīng)的依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是一種提高鋁硅合金熱疲勞性能的工藝方法，其特征為，材料為鋁硅合金，化學(xué)成分為重量百分比，Si為6. 5 7.5%，Cu為3. 5 4.5%，Mn為0.30 0. 45%,Mg 為 0. ；35 0. 45%,Zn 為 0. 4 0. 6% Je 彡 0. ，加入復(fù)合變質(zhì)劑為 0. 5%, 余為Al%。復(fù)合變質(zhì)劑成分為重量百分比，Ti為10 30%，Sr為10 30%，Cr為5 16%，Ni 為5 16%%，Zr為4 12%，B為4 12%，Ce為 3 10%，La 為3 10%， Y為3 10%，Nb為2 8%，V為2 8%，余為鋁。采用中頻感應(yīng)熔化爐石墨坩堝進(jìn)行熔化，除Mg、Zn、復(fù)合變質(zhì)劑外，其它材料加入石墨坩堝內(nèi)，熔化成合金液后升溫至750°C左右，加入Mg和Zn，然后加入市售的除氣劑進(jìn)行除氣，加入量為合金液的0.5%，除氣結(jié)束后加入復(fù)合變質(zhì)劑，復(fù)合變質(zhì)劑加入量為合金液的0. 5%，凈置5min后出爐澆注，澆注溫度為 730 750°C。對(duì)澆注冷卻后的鋁硅合金材料采用線切割方法取樣，熱疲勞試樣如圖1所示。 處理工藝分為(a)T6處理，固溶溫度490士5°C，保溫6小時(shí)，時(shí)效溫度165士5°C，保溫6小時(shí)；(b)鑄態(tài)淬火加時(shí)效處理，鑄態(tài)淬火即澆注保壓5分鐘后連同砂型淬入水中，時(shí)效溫度 180士5°C，保溫6小時(shí)；(c)鑄態(tài)。對(duì)三種狀態(tài)的試樣進(jìn)行冷熱循環(huán)，冷熱循環(huán)是在自制的全約束自動(dòng)冷熱疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，循環(huán)溫度為20M350°C，采用設(shè)時(shí)控制，加熱時(shí)間為anin， 循環(huán)水冷卻時(shí)間為10s，試樣入水深度為(10士2)mm。冷熱循環(huán)前，將所有試樣機(jī)械拋光，在光學(xué)顯微鏡下觀察缺口及附近區(qū)域以無裂紋為合格。冷熱循環(huán)過程中，采用Leica光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察裂紋的萌生與擴(kuò)展，同時(shí)測(cè)定其V型缺口處裂紋長(zhǎng)度。圖2所示為三種狀態(tài)的試樣在350°C下循環(huán)11600N過程中的熱疲勞裂紋生長(zhǎng)行為，包括了熱裂紋的萌生與擴(kuò)展。合金熱疲勞裂紋的長(zhǎng)大速率隨著循環(huán)次數(shù)的增加先增大后減小。由圖2可以看出，冷熱循環(huán)次數(shù)在7000N時(shí)，三種試樣均已產(chǎn)生較明顯的裂紋，(b)、 (c)試樣裂紋長(zhǎng)度達(dá)到0. 1mm，而此時(shí)(a)試樣裂紋長(zhǎng)度相對(duì)較短約為0. 03mm。但隨著冷熱循環(huán)次數(shù)的增加，三種試樣的裂紋長(zhǎng)度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在循環(huán)周次7000 9400N過程中，(a) (b)裂紋的長(zhǎng)大比較迅速，而后呈現(xiàn)較平緩的趨勢(shì)，冷熱循環(huán)11600N時(shí)，(a) (b)兩者的長(zhǎng)度分別約為0. 45mm、0. 64mm ； (c)試樣在循環(huán)周次7000 9400N和10400 11600N 時(shí)，其裂紋的長(zhǎng)大速度均較大，11600N時(shí)長(zhǎng)度達(dá)到將近1. 0mm。這表明在350°C下，T6處理的試樣的熱疲勞抗性要好于鑄態(tài)淬火加時(shí)效、鑄態(tài)兩種狀態(tài)的試樣。鑄態(tài)淬火加時(shí)效試樣的熱疲勞抗性要好于鑄態(tài)狀態(tài)的試樣。這主要是由于T6處理后，合金中的微量元素更好的溶解于基體中，在強(qiáng)化基體的同時(shí)，使基體獲得了強(qiáng)度與塑性韌性的很好結(jié)合。同時(shí)，T6 處理試樣的晶粒度明顯要小于另兩種狀態(tài)的試樣，晶粒越細(xì)小，晶界越曲折，長(zhǎng)度和面積越大，對(duì)裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的阻力也越大。


圖1熱疲勞試樣示意圖(a) T6處理；(b)鑄態(tài)淬火加時(shí)效；(c)鑄態(tài)。圖2裂紋長(zhǎng)度與冷熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1材料為鋁硅合金，化學(xué)成分為重量百分比，Si為6. 5 7. 5%，Cu為3. 5 4. 5%， Mn 為 0. 30 0. 45%，Mg 為 0. ；35 0. 45%，Zn 為 0. 4 0. 6%,Fe 彡 0. ；35%，加入復(fù)合變質(zhì)劑為0.5%，余為Al %。復(fù)合變質(zhì)劑成分為重量百分比，Ti為10 30%，Sr為10 30%， Cr 為 5 16%，Ni 為 5 16%%，Zr 為 4 12%，B 為 4 12%，Ce 為 3 10%，La 為 3 10%，Y為3 10%，Nb為2 8%，V為2 8%，余為鋁。采用中頻感應(yīng)熔化爐石墨坩堝進(jìn)行熔化，除Mg、Zn、復(fù)合變質(zhì)劑外，其它材料加入石墨坩堝內(nèi)，熔化成合金液后升溫至 750°C左右，加入Mg和Si，然后加入市售的除氣劑進(jìn)行除氣，加入量為合金液的0.5%，除氣結(jié)束后加入復(fù)合變質(zhì)劑，復(fù)合變質(zhì)劑加入量為合金液的0. 5%，凈置5min后出爐澆注，澆注溫度為730 750°C。對(duì)澆注冷卻后的鋁硅合金材料采用線切割方法取樣，熱疲勞試樣如圖 1所示。對(duì)材料用T6處理，固溶溫度490士5°C，保溫6小時(shí)，時(shí)效溫度165士5°C，保溫6小時(shí)；對(duì)試樣進(jìn)行冷熱循環(huán)，冷熱循環(huán)是在自制的全約束自動(dòng)冷熱疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，循環(huán)溫度為20"350°C，采用設(shè)時(shí)控制，加熱時(shí)間為2min，循環(huán)水冷卻時(shí)間為10s，試樣入水深度為 (10士幻讓。冷熱循環(huán)11600N時(shí)，試樣的的裂紋長(zhǎng)度約為0. 45mm。實(shí)施例2材料為鋁硅合金，化學(xué)成分為重量百分比，Si為6. 5 7. 5%，Cu為3. 5 4. 5%， Mn 為 0. 30 0. 45%，Mg 為 0. ；35 0. 45%，Zn 為 0. 4 0. 6%,Fe 彡 0. ；35%，加入復(fù)合變質(zhì)劑為0.5%，余為Al %。復(fù)合變質(zhì)劑成分為重量百分比，Ti為10 30%，Sr為10 30%， Cr 為 5 16%，Ni 為 5 16%%，Zr 為 4 12%，B 為 4 12%，Ce 為 3 10%，La 為 3 10%，Y為3 10%，Nb為2 8%，V為2 8%，余為鋁。采用中頻感應(yīng)熔化爐石墨坩堝進(jìn)行熔化，除Mg、Zn、復(fù)合變質(zhì)劑外，其它材料加入石墨坩堝內(nèi)，熔化成合金液后升溫至750°C左右，加入Mg和Si，然后加入市售的除氣劑進(jìn)行除氣，加入量為合金液的0.5%，除氣結(jié)束后加入復(fù)合變質(zhì)劑，復(fù)合變質(zhì)劑加入量為合金液的0. 5%，凈置5min后出爐澆注，澆注溫度為730 750°C。對(duì)澆注冷卻后的鋁硅合金材料采用線切割方法取樣，熱疲勞試樣如圖1所示。對(duì)材料采用鑄態(tài)淬火加時(shí)效處理，鑄態(tài)淬火即澆注保壓5分鐘后連同砂型淬入水中，時(shí)效溫度180 士 5°C，保溫6小時(shí)；對(duì)試樣進(jìn)行冷熱循環(huán)，冷熱循環(huán)是在自制的全約束自動(dòng)冷熱疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。冷熱循環(huán)溫度為20m350°C。采用設(shè)時(shí)控制，加熱時(shí)間為2min， 循環(huán)水冷卻時(shí)間為10s，試樣入水深度為(10士幻讓。冷熱循環(huán)11600N時(shí)，試樣的的裂紋長(zhǎng)度約為0. 64mm。實(shí)施例3材料為鋁硅合金，化學(xué)成分為重量百分比，Si為6. 5 7. 5%，Cu為3. 5 4. 5%， Mn 為 0. 30 0. 45%，Mg 為 0. ；35 0. 45%，Zn 為 0. 4 0. 6%,Fe 彡 0. ；35%，加入復(fù)合變質(zhì)劑為0.5%，余為Al %。復(fù)合變質(zhì)劑成分為重量百分比，Ti為10 30%，Sr為10 30%， Cr 為 5 16%，Ni 為 5 16%%，Zr 為 4 12%，B 為 4 12%，Ce 為 3 10%，La 為 3 10%，Y為3 10%，Nb為2 8%，V為2 8%，余為鋁。采用中頻感應(yīng)熔化爐石墨坩堝進(jìn)行熔化，除Mg、Zn、復(fù)合變質(zhì)劑外，其它材料加入石墨坩堝內(nèi)，熔化成合金液后升溫至 750°C左右，加入Mg和Si，然后加入市售的除氣劑進(jìn)行除氣，加入量為合金液的0.5%，除氣結(jié)束后加入復(fù)合變質(zhì)劑，復(fù)合變質(zhì)劑加入量為合金液的0. 5%，凈置5min后出爐澆注，澆注溫度為730 750°C。對(duì)澆注冷卻后的鋁硅合金材料采用線切割方法取樣，熱疲勞試樣如圖 1所示。材料采用鑄態(tài)；對(duì)試樣進(jìn)行冷熱循環(huán)，冷熱循環(huán)是在自制的全約束自動(dòng)冷熱疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。冷熱循環(huán)溫度為20e35(TC。采用設(shè)時(shí)控制，加熱時(shí)間為2min，循環(huán)水冷卻時(shí)間為10s，試樣入水深度為(10士幻讓。冷熱循環(huán)11600N時(shí)，試樣的的裂紋長(zhǎng)度約為1.0mm。
權(quán)利要求
1.一種提高鋁硅合金熱疲勞性能的工藝方法，其特征為，材料為鋁硅合金，化學(xué)成分為重量百分比，Si 為 6. 5 7. 5%，Cu 為 3. 5 4. 5%，Mn 為 0. 30 0. 45%, Mg 為 0. ；35 0. 45 %，Si為0. 4 0. 6 %，F(xiàn)e < 0. 35 %，加入復(fù)合變質(zhì)劑為0. 5 %，余為Al %。復(fù)合變質(zhì)劑成分為重量百分比，Ti為10 30%，Sr為10 30%，Cr為5 16%，Ni為5 16%%， ^ 為4 12%，B為4 12%，Ce為3 10%，La為3 10%，Y為3 10%，Nb為2 8 %，V為2 8 %，余為鋁。采用中頻感應(yīng)熔化爐石墨坩堝進(jìn)行熔化，除Mg、Zn、復(fù)合變質(zhì)劑外，其它材料加入石墨坩堝內(nèi)，熔化成合金液后升溫至750°C左右，加入Mg和Zn，然后加入市售的除氣劑進(jìn)行除氣，加入量為合金液的0.5%，除氣結(jié)束后加入復(fù)合變質(zhì)劑，復(fù)合變質(zhì)劑加入量為合金液的0. 5%，凈置5min后出爐澆注，澆注溫度為730 750°C。對(duì)澆注冷卻后的鋁硅合金材料采用線切割方法取樣，熱疲勞試樣如圖1所示。處理工藝分為(a)T6處理，固溶溫度490士5°C，保溫6小時(shí)，時(shí)效溫度165士5°C，保溫6小時(shí)；(b)鑄態(tài)淬火加時(shí)效處理，鑄態(tài)淬火即澆注保壓5分鐘后連同砂型淬入水中，時(shí)效溫度180士5°C，保溫6小時(shí)； (c)鑄態(tài)。對(duì)三種狀態(tài)的試樣進(jìn)行冷熱循環(huán)，冷熱循環(huán)是在自制的全約束自動(dòng)冷熱疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，循環(huán)溫度為20e350°C，采用設(shè)時(shí)控制，加熱時(shí)間為2min，循環(huán)水冷卻時(shí)間為10s， 試樣入水深度為(10 士 2) mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提高鋁硅合金熱疲勞性能的工藝方法，處理工藝為T6處理時(shí)，固溶溫度490士5°C，保溫6小時(shí)，時(shí)效溫度165士5°C，冷熱循環(huán)11600N時(shí)，試樣的的裂紋長(zhǎng)度約為0. 45mm，是三種處理工藝中裂紋長(zhǎng)度最小的一種。
全文摘要
一種提高鋁硅合金熱疲勞性能的工藝方法，屬于鋁硅合金技術(shù)領(lǐng)域，其特征為材料為鋁硅合金，處理工藝分為(a)T6處理，固溶溫度490±5℃，保溫6小時(shí)，時(shí)效溫度165±5℃；(b)鑄態(tài)淬火加時(shí)效處理，鑄態(tài)淬火即澆注保壓5分鐘后連同砂型淬入水中，時(shí)效溫度180±5℃，保溫6小時(shí)；(c)鑄態(tài)。將鋁硅合金材料用電火花線切割成熱疲勞試樣如圖1所示。對(duì)三種狀態(tài)的試樣進(jìn)行冷熱循環(huán)，冷熱循環(huán)是在自制的全約束自動(dòng)冷熱疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。循環(huán)溫度為采用設(shè)時(shí)控制，加熱時(shí)間為2min，循環(huán)水冷卻時(shí)間為10s，試樣入水深度為(10±2)mm。
文檔編號(hào)C22C21/02GK102286712SQ201110289498
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者劉光磊, 司乃潮, 司松海, 張志堅(jiān), 楊道清, 陸松華 申請(qǐng)人:鎮(zhèn)江憶諾唯記憶合金有限公司