专利名称：一种提高铝硅合金热疲劳性能的工艺方法
技术领域：
本发明属于铝硅合金技术领域，特指一种提高铝硅合金热疲劳性能的工艺方法。
背景技术：
在许多工程问题中常常遇到随时间作周期性变化的温度场的问题。铝硅合金是制造发动机缸体、活塞等的主要材料。发动机在起动和停机时，伴有剧烈变化的非稳定温度场，此时将产生较大的热应力，使零件局部进入塑性区，并伴随短期蠕变。随着发动机功率系数的增大及大型化，对热应力及其伴生的损坏采取措施，作为设计上的要点比以往任何时候都重要。在发动机零件中，热应力最严重的是构成燃烧室的活塞、汽缸盖、缸套、排气阀等。对于发动机，由热应力引起的直接破坏也是高温低循环疲劳。在机械的汽缸、活塞与阀门等的设计中，必须考虑这样的温度场所引起的热应力。由于外界温度涨落在材料内部产生的热应力会造成裂纹萌生及其扩展，冷热循环过程中材料硬度会发生变化，氧化腐蚀对热疲劳性能有影响。本发明不考虑外加机械应力的作用，应用全约束自动冷热疲劳试验机对铝硅合金材料进行冷热循环，为更好的预测发动机材料的寿命提供相应的依据。
发明内容
本发明的目的是一种提高铝硅合金热疲劳性能的工艺方法，其特征为，材料为铝硅合金，化学成分为重量百分比，Si为6. 5 7.5%，Cu为3. 5 4.5%，Mn为0.30 0. 45%,Mg 为 0. ；35 0. 45%,Zn 为 0. 4 0. 6% Je 彡 0. ，加入复合变质剂为 0. 5%, 余为Al%。复合变质剂成分为重量百分比，Ti为10 30%，Sr为10 30%，Cr为5 16%，Ni 为5 16%%，Zr为4 12%，B为4 12%，Ce为 3 10%，La 为3 10%， Y为3 10%，Nb为2 8%，V为2 8%，余为铝。采用中频感应熔化炉石墨坩埚进行熔化，除Mg、Zn、复合变质剂外，其它材料加入石墨坩埚内，熔化成合金液后升温至750°C左右，加入Mg和Zn，然后加入市售的除气剂进行除气，加入量为合金液的0.5%，除气结束后加入复合变质剂，复合变质剂加入量为合金液的0. 5%，净置5min后出炉浇注，浇注温度为 730 750°C。对浇注冷却后的铝硅合金材料采用线切割方法取样，热疲劳试样如图1所示。 处理工艺分为(a)T6处理，固溶温度490士5°C，保温6小时，时效温度165士5°C，保温6小时；(b)铸态淬火加时效处理，铸态淬火即浇注保压5分钟后连同砂型淬入水中，时效温度 180士5°C，保温6小时；(c)铸态。对三种状态的试样进行冷热循环，冷热循环是在自制的全约束自动冷热疲劳试验机上进行，循环温度为20M350°C，采用设时控制，加热时间为anin， 循环水冷却时间为10s，试样入水深度为(10士2)mm。冷热循环前，将所有试样机械抛光，在光学显微镜下观察缺口及附近区域以无裂纹为合格。冷热循环过程中，采用Leica光学显微镜和扫描电子显微镜观察裂纹的萌生与扩展，同时测定其V型缺口处裂纹长度。图2所示为三种状态的试样在350°C下循环11600N过程中的热疲劳裂纹生长行为，包括了热裂纹的萌生与扩展。合金热疲劳裂纹的长大速率随着循环次数的增加先增大后减小。由图2可以看出，冷热循环次数在7000N时，三种试样均已产生较明显的裂纹，(b)、 (c)试样裂纹长度达到0. 1mm，而此时(a)试样裂纹长度相对较短约为0. 03mm。但随着冷热循环次数的增加，三种试样的裂纹长度均呈现上升趋势。在循环周次7000 9400N过程中，(a) (b)裂纹的长大比较迅速，而后呈现较平缓的趋势，冷热循环11600N时，(a) (b)两者的长度分别约为0. 45mm、0. 64mm ； (c)试样在循环周次7000 9400N和10400 11600N 时，其裂纹的长大速度均较大，11600N时长度达到将近1. 0mm。这表明在350°C下，T6处理的试样的热疲劳抗性要好于铸态淬火加时效、铸态两种状态的试样。铸态淬火加时效试样的热疲劳抗性要好于铸态状态的试样。这主要是由于T6处理后，合金中的微量元素更好的溶解于基体中，在强化基体的同时，使基体获得了强度与塑性韧性的很好结合。同时，T6 处理试样的晶粒度明显要小于另两种状态的试样，晶粒越细小，晶界越曲折，长度和面积越大，对裂纹扩展产生的阻力也越大。
图1热疲劳试样示意图(a) T6处理；(b)铸态淬火加时效；(c)铸态。图2裂纹长度与冷热循环次数的关系曲线
具体实施例方式实施例1材料为铝硅合金，化学成分为重量百分比，Si为6. 5 7. 5%，Cu为3. 5 4. 5%， Mn 为 0. 30 0. 45%，Mg 为 0. ；35 0. 45%，Zn 为 0. 4 0. 6%,Fe 彡 0. ；35%，加入复合变质剂为0.5%，余为Al %。复合变质剂成分为重量百分比，Ti为10 30%，Sr为10 30%， Cr 为 5 16%，Ni 为 5 16%%，Zr 为 4 12%，B 为 4 12%，Ce 为 3 10%，La 为 3 10%，Y为3 10%，Nb为2 8%，V为2 8%，余为铝。采用中频感应熔化炉石墨坩埚进行熔化，除Mg、Zn、复合变质剂外，其它材料加入石墨坩埚内，熔化成合金液后升温至 750°C左右，加入Mg和Si，然后加入市售的除气剂进行除气，加入量为合金液的0.5%，除气结束后加入复合变质剂，复合变质剂加入量为合金液的0. 5%，净置5min后出炉浇注，浇注温度为730 750°C。对浇注冷却后的铝硅合金材料采用线切割方法取样，热疲劳试样如图 1所示。对材料用T6处理，固溶温度490士5°C，保温6小时，时效温度165士5°C，保温6小时；对试样进行冷热循环，冷热循环是在自制的全约束自动冷热疲劳试验机上进行，循环温度为20"350°C，采用设时控制，加热时间为2min，循环水冷却时间为10s，试样入水深度为 (10士幻讓。冷热循环11600N时，试样的的裂纹长度约为0. 45mm。实施例2材料为铝硅合金，化学成分为重量百分比，Si为6. 5 7. 5%，Cu为3. 5 4. 5%， Mn 为 0. 30 0. 45%，Mg 为 0. ；35 0. 45%，Zn 为 0. 4 0. 6%,Fe 彡 0. ；35%，加入复合变质剂为0.5%，余为Al %。复合变质剂成分为重量百分比，Ti为10 30%，Sr为10 30%， Cr 为 5 16%，Ni 为 5 16%%，Zr 为 4 12%，B 为 4 12%，Ce 为 3 10%，La 为 3 10%，Y为3 10%，Nb为2 8%，V为2 8%，余为铝。采用中频感应熔化炉石墨坩埚进行熔化，除Mg、Zn、复合变质剂外，其它材料加入石墨坩埚内，熔化成合金液后升温至750°C左右，加入Mg和Si，然后加入市售的除气剂进行除气，加入量为合金液的0.5%，除气结束后加入复合变质剂，复合变质剂加入量为合金液的0. 5%，净置5min后出炉浇注，浇注温度为730 750°C。对浇注冷却后的铝硅合金材料采用线切割方法取样，热疲劳试样如图1所示。对材料采用铸态淬火加时效处理，铸态淬火即浇注保压5分钟后连同砂型淬入水中，时效温度180 士 5°C，保温6小时；对试样进行冷热循环，冷热循环是在自制的全约束自动冷热疲劳试验机上进行。冷热循环温度为20m350°C。采用设时控制，加热时间为2min， 循环水冷却时间为10s，试样入水深度为(10士幻讓。冷热循环11600N时，试样的的裂纹长度约为0. 64mm。实施例3材料为铝硅合金，化学成分为重量百分比，Si为6. 5 7. 5%，Cu为3. 5 4. 5%， Mn 为 0. 30 0. 45%，Mg 为 0. ；35 0. 45%，Zn 为 0. 4 0. 6%,Fe 彡 0. ；35%，加入复合变质剂为0.5%，余为Al %。复合变质剂成分为重量百分比，Ti为10 30%，Sr为10 30%， Cr 为 5 16%，Ni 为 5 16%%，Zr 为 4 12%，B 为 4 12%，Ce 为 3 10%，La 为 3 10%，Y为3 10%，Nb为2 8%，V为2 8%，余为铝。采用中频感应熔化炉石墨坩埚进行熔化，除Mg、Zn、复合变质剂外，其它材料加入石墨坩埚内，熔化成合金液后升温至 750°C左右，加入Mg和Si，然后加入市售的除气剂进行除气，加入量为合金液的0.5%，除气结束后加入复合变质剂，复合变质剂加入量为合金液的0. 5%，净置5min后出炉浇注，浇注温度为730 750°C。对浇注冷却后的铝硅合金材料采用线切割方法取样，热疲劳试样如图 1所示。材料采用铸态；对试样进行冷热循环，冷热循环是在自制的全约束自动冷热疲劳试验机上进行。冷热循环温度为20e35(TC。采用设时控制，加热时间为2min，循环水冷却时间为10s，试样入水深度为(10士幻讓。冷热循环11600N时，试样的的裂纹长度约为1.0mm。
权利要求
1.一种提高铝硅合金热疲劳性能的工艺方法，其特征为，材料为铝硅合金，化学成分为重量百分比，Si 为 6. 5 7. 5%，Cu 为 3. 5 4. 5%，Mn 为 0. 30 0. 45%, Mg 为 0. ；35 0. 45 %，Si为0. 4 0. 6 %，Fe < 0. 35 %，加入复合变质剂为0. 5 %，余为Al %。复合变质剂成分为重量百分比，Ti为10 30%，Sr为10 30%，Cr为5 16%，Ni为5 16%%， ^ 为4 12%，B为4 12%，Ce为3 10%，La为3 10%，Y为3 10%，Nb为2 8 %，V为2 8 %，余为铝。采用中频感应熔化炉石墨坩埚进行熔化，除Mg、Zn、复合变质剂外，其它材料加入石墨坩埚内，熔化成合金液后升温至750°C左右，加入Mg和Zn，然后加入市售的除气剂进行除气，加入量为合金液的0.5%，除气结束后加入复合变质剂，复合变质剂加入量为合金液的0. 5%，净置5min后出炉浇注，浇注温度为730 750°C。对浇注冷却后的铝硅合金材料采用线切割方法取样，热疲劳试样如图1所示。处理工艺分为(a)T6处理，固溶温度490士5°C，保温6小时，时效温度165士5°C，保温6小时；(b)铸态淬火加时效处理，铸态淬火即浇注保压5分钟后连同砂型淬入水中，时效温度180士5°C，保温6小时； (c)铸态。对三种状态的试样进行冷热循环，冷热循环是在自制的全约束自动冷热疲劳试验机上进行，循环温度为20e350°C，采用设时控制，加热时间为2min，循环水冷却时间为10s， 试样入水深度为(10 士 2) mm。
2.根据权利要求1所述一种提高铝硅合金热疲劳性能的工艺方法，处理工艺为T6处理时，固溶温度490士5°C，保温6小时，时效温度165士5°C，冷热循环11600N时，试样的的裂纹长度约为0. 45mm，是三种处理工艺中裂纹长度最小的一种。
全文摘要
一种提高铝硅合金热疲劳性能的工艺方法，属于铝硅合金技术领域，其特征为材料为铝硅合金，处理工艺分为(a)T6处理，固溶温度490±5℃，保温6小时，时效温度165±5℃；(b)铸态淬火加时效处理，铸态淬火即浇注保压5分钟后连同砂型淬入水中，时效温度180±5℃，保温6小时；(c)铸态。将铝硅合金材料用电火花线切割成热疲劳试样如图1所示。对三种状态的试样进行冷热循环，冷热循环是在自制的全约束自动冷热疲劳试验机上进行。循环温度为采用设时控制，加热时间为2min，循环水冷却时间为10s，试样入水深度为(10±2)mm。
文档编号C22C21/02GK102286712SQ201110289498
公开日2011年12月21日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者刘光磊, 司乃潮, 司松海, 张志坚, 杨道清, 陆松华 申请人:镇江忆诺唯记忆合金有限公司