一種提高鋁矽合金熱疲勞性能的工藝方法
2023-08-03 08:13:21
專利名稱：一種提高鋁矽合金熱疲勞性能的工藝方法
技術領域：
本發明屬於鋁矽合金技術領域，特指一種提高鋁矽合金熱疲勞性能的工藝方法。
背景技術：
在許多工程問題中常常遇到隨時間作周期性變化的溫度場的問題。鋁矽合金是製造發動機缸體、活塞等的主要材料。發動機在起動和停機時，伴有劇烈變化的非穩定溫度場，此時將產生較大的熱應力，使零件局部進入塑性區，並伴隨短期蠕變。隨著發動機功率係數的增大及大型化，對熱應力及其伴生的損壞採取措施，作為設計上的要點比以往任何時候都重要。在發動機零件中，熱應力最嚴重的是構成燃燒室的活塞、汽缸蓋、缸套、排氣閥等。對於發動機，由熱應力引起的直接破壞也是高溫低循環疲勞。在機械的汽缸、活塞與閥門等的設計中，必須考慮這樣的溫度場所引起的熱應力。由於外界溫度漲落在材料內部產生的熱應力會造成裂紋萌生及其擴展，冷熱循環過程中材料硬度會發生變化，氧化腐蝕對熱疲勞性能有影響。本發明不考慮外加機械應力的作用，應用全約束自動冷熱疲勞試驗機對鋁矽合金材料進行冷熱循環，為更好的預測發動機材料的壽命提供相應的依據。
發明內容
本發明的目的是一種提高鋁矽合金熱疲勞性能的工藝方法，其特徵為，材料為鋁矽合金，化學成分為重量百分比，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. ，加入複合變質劑為 0. 5%, 餘為Al%。複合變質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%，餘為鋁。採用中頻感應熔化爐石墨坩堝進行熔化，除Mg、Zn、複合變質劑外，其它材料加入石墨坩堝內，熔化成合金液後升溫至750°C左右，加入Mg和Zn，然後加入市售的除氣劑進行除氣，加入量為合金液的0.5%，除氣結束後加入複合變質劑，複合變質劑加入量為合金液的0. 5%，淨置5min後出爐澆注，澆注溫度為 730 750°C。對澆注冷卻後的鋁矽合金材料採用線切割方法取樣，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，時效溫度165士5°C，保溫6小時；(b)鑄態淬火加時效處理，鑄態淬火即澆注保壓5分鐘後連同砂型淬入水中，時效溫度 180士5°C，保溫6小時；(c)鑄態。對三種狀態的試樣進行冷熱循環，冷熱循環是在自製的全約束自動冷熱疲勞試驗機上進行，循環溫度為20M350°C，採用設時控制，加熱時間為anin， 循環水冷卻時間為10s，試樣入水深度為(10士2)mm。冷熱循環前，將所有試樣機械拋光，在光學顯微鏡下觀察缺口及附近區域以無裂紋為合格。冷熱循環過程中，採用Leica光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察裂紋的萌生與擴展，同時測定其V型缺口處裂紋長度。圖2所示為三種狀態的試樣在350°C下循環11600N過程中的熱疲勞裂紋生長行為，包括了熱裂紋的萌生與擴展。合金熱疲勞裂紋的長大速率隨著循環次數的增加先增大後減小。由圖2可以看出，冷熱循環次數在7000N時，三種試樣均已產生較明顯的裂紋，(b)、 (c)試樣裂紋長度達到0. 1mm，而此時(a)試樣裂紋長度相對較短約為0. 03mm。但隨著冷熱循環次數的增加，三種試樣的裂紋長度均呈現上升趨勢。在循環周次7000 9400N過程中，(a) (b)裂紋的長大比較迅速，而後呈現較平緩的趨勢，冷熱循環11600N時，(a) (b)兩者的長度分別約為0. 45mm、0. 64mm ； (c)試樣在循環周次7000 9400N和10400 11600N 時，其裂紋的長大速度均較大，11600N時長度達到將近1. 0mm。這表明在350°C下，T6處理的試樣的熱疲勞抗性要好於鑄態淬火加時效、鑄態兩種狀態的試樣。鑄態淬火加時效試樣的熱疲勞抗性要好於鑄態狀態的試樣。這主要是由於T6處理後，合金中的微量元素更好的溶解於基體中，在強化基體的同時，使基體獲得了強度與塑性韌性的很好結合。同時，T6 處理試樣的晶粒度明顯要小於另兩種狀態的試樣，晶粒越細小，晶界越曲折，長度和面積越大，對裂紋擴展產生的阻力也越大。
圖1熱疲勞試樣示意圖(a) T6處理；(b)鑄態淬火加時效；(c)鑄態。圖2裂紋長度與冷熱循環次數的關係曲線
具體實施例方式實施例1材料為鋁矽合金，化學成分為重量百分比，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%，加入複合變質劑為0.5%，餘為Al %。複合變質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%，餘為鋁。採用中頻感應熔化爐石墨坩堝進行熔化，除Mg、Zn、複合變質劑外，其它材料加入石墨坩堝內，熔化成合金液後升溫至 750°C左右，加入Mg和Si，然後加入市售的除氣劑進行除氣，加入量為合金液的0.5%，除氣結束後加入複合變質劑，複合變質劑加入量為合金液的0. 5%，淨置5min後出爐澆注，澆注溫度為730 750°C。對澆注冷卻後的鋁矽合金材料採用線切割方法取樣，熱疲勞試樣如圖 1所示。對材料用T6處理，固溶溫度490士5°C，保溫6小時，時效溫度165士5°C，保溫6小時；對試樣進行冷熱循環，冷熱循環是在自製的全約束自動冷熱疲勞試驗機上進行，循環溫度為20"350°C，採用設時控制，加熱時間為2min，循環水冷卻時間為10s，試樣入水深度為 (10士幻讓。冷熱循環11600N時，試樣的的裂紋長度約為0. 45mm。實施例2材料為鋁矽合金，化學成分為重量百分比，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%，加入複合變質劑為0.5%，餘為Al %。複合變質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%，餘為鋁。採用中頻感應熔化爐石墨坩堝進行熔化，除Mg、Zn、複合變質劑外，其它材料加入石墨坩堝內，熔化成合金液後升溫至750°C左右，加入Mg和Si，然後加入市售的除氣劑進行除氣，加入量為合金液的0.5%，除氣結束後加入複合變質劑，複合變質劑加入量為合金液的0. 5%，淨置5min後出爐澆注，澆注溫度為730 750°C。對澆注冷卻後的鋁矽合金材料採用線切割方法取樣，熱疲勞試樣如圖1所示。對材料採用鑄態淬火加時效處理，鑄態淬火即澆注保壓5分鐘後連同砂型淬入水中，時效溫度180 士 5°C，保溫6小時；對試樣進行冷熱循環，冷熱循環是在自製的全約束自動冷熱疲勞試驗機上進行。冷熱循環溫度為20m350°C。採用設時控制，加熱時間為2min， 循環水冷卻時間為10s，試樣入水深度為(10士幻讓。冷熱循環11600N時，試樣的的裂紋長度約為0. 64mm。實施例3材料為鋁矽合金，化學成分為重量百分比，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%，加入複合變質劑為0.5%，餘為Al %。複合變質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%，餘為鋁。採用中頻感應熔化爐石墨坩堝進行熔化，除Mg、Zn、複合變質劑外，其它材料加入石墨坩堝內，熔化成合金液後升溫至 750°C左右，加入Mg和Si，然後加入市售的除氣劑進行除氣，加入量為合金液的0.5%，除氣結束後加入複合變質劑，複合變質劑加入量為合金液的0. 5%，淨置5min後出爐澆注，澆注溫度為730 750°C。對澆注冷卻後的鋁矽合金材料採用線切割方法取樣，熱疲勞試樣如圖 1所示。材料採用鑄態；對試樣進行冷熱循環，冷熱循環是在自製的全約束自動冷熱疲勞試驗機上進行。冷熱循環溫度為20e35(TC。採用設時控制，加熱時間為2min，循環水冷卻時間為10s，試樣入水深度為(10士幻讓。冷熱循環11600N時，試樣的的裂紋長度約為1.0mm。
權利要求
1.一種提高鋁矽合金熱疲勞性能的工藝方法，其特徵為，材料為鋁矽合金，化學成分為重量百分比，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 %，Fe < 0. 35 %，加入複合變質劑為0. 5 %，餘為Al %。複合變質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 %，餘為鋁。採用中頻感應熔化爐石墨坩堝進行熔化，除Mg、Zn、複合變質劑外，其它材料加入石墨坩堝內，熔化成合金液後升溫至750°C左右，加入Mg和Zn，然後加入市售的除氣劑進行除氣，加入量為合金液的0.5%，除氣結束後加入複合變質劑，複合變質劑加入量為合金液的0. 5%，淨置5min後出爐澆注，澆注溫度為730 750°C。對澆注冷卻後的鋁矽合金材料採用線切割方法取樣，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，時效溫度165士5°C，保溫6小時；(b)鑄態淬火加時效處理，鑄態淬火即澆注保壓5分鐘後連同砂型淬入水中，時效溫度180士5°C，保溫6小時； (c)鑄態。對三種狀態的試樣進行冷熱循環，冷熱循環是在自製的全約束自動冷熱疲勞試驗機上進行，循環溫度為20e350°C，採用設時控制，加熱時間為2min，循環水冷卻時間為10s， 試樣入水深度為(10 士 2) mm。
2.根據權利要求1所述一種提高鋁矽合金熱疲勞性能的工藝方法，處理工藝為T6處理時，固溶溫度490士5°C，保溫6小時，時效溫度165士5°C，冷熱循環11600N時，試樣的的裂紋長度約為0. 45mm，是三種處理工藝中裂紋長度最小的一種。
全文摘要
一種提高鋁矽合金熱疲勞性能的工藝方法，屬於鋁矽合金技術領域，其特徵為材料為鋁矽合金，處理工藝分為(a)T6處理，固溶溫度490±5℃，保溫6小時，時效溫度165±5℃；(b)鑄態淬火加時效處理，鑄態淬火即澆注保壓5分鐘後連同砂型淬入水中，時效溫度180±5℃，保溫6小時；(c)鑄態。將鋁矽合金材料用電火花線切割成熱疲勞試樣如圖1所示。對三種狀態的試樣進行冷熱循環，冷熱循環是在自製的全約束自動冷熱疲勞試驗機上進行。循環溫度為採用設時控制，加熱時間為2min，循環水冷卻時間為10s，試樣入水深度為(10±2)mm。
文檔編號C22C21/02GK102286712SQ201110289498
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月21日 優先權日2011年9月21日
發明者劉光磊, 司乃潮, 司松海, 張志堅, 楊道清, 陸松華 申請人:鎮江憶諾唯記憶合金有限公司