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鋁鑄件的熱處理性能及高溫性能
鋁鑄件的熱處理性能及高溫性能
鋁合金具有一系列的優(yōu)異性能與的節(jié)能環(huán)保效果，在汽車與摩托車中的應(yīng)用越來越多，在用材結(jié)構(gòu)中占的比例也逐年有所上升。減輕車的自身質(zhì)量是擴(kuò)大其應(yīng)用的主要途徑之一，為了大幅度減輕車重，需要對占車重比例大的車身(約30%)、發(fā)動(dòng)機(jī)(約18%)、傳動(dòng)系統(tǒng)(約15%)、行走系(約16%)、車輪(約15%)等鋼鐵零件采用鋁合金材料替代。
在汽車用的鋁合金中，壓鑄鋁合金及其他鑄造鋁合金約占80%，加工鋁材(板、帶、箔、管、棒、型、線、鍛件、粉膏)僅占20%左右，隨著車身鋁板帶用量的上升，鋁材占的比例會逐年有所增加，但上升幅度不會大。在鑄造產(chǎn)品用的鋁合金中，壓鑄件的產(chǎn)量占鑄造產(chǎn)品產(chǎn)量的70%左右，所以壓鑄鋁合金在汽車用鋁中占到55%，當(dāng)然在各國用的鋁中此比例也會不一樣，但都在54%一70%范圍內(nèi)。
采用鋁合金代替鑄鐵生產(chǎn)汽車零件的歷史 早可追溯到20世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)歐洲少數(shù)汽車廠，如意大利的菲亞特公司研制出鋁合金進(jìn)氣管和氣缸蓋，并開始少量生產(chǎn)。20世紀(jì)50年代，澳大利亞引進(jìn)英國一公司的低壓鑄造技術(shù)生產(chǎn)汽車鋁鑄件。與此同時(shí)，聯(lián)邦德國公司對低壓鑄造技術(shù)作了進(jìn)一步改進(jìn)，生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋁合金零件。美國通用汽車公司也開始大量生產(chǎn)轎車鋁鑄件，如空冷缸蓋、曲軸箱、發(fā)動(dòng)機(jī)后蓋等。20世紀(jì)60年代以后，由于高壓壓鑄技術(shù)的發(fā)展，以鋁合金為主的輕金屬在汽車中的應(yīng)用大大增加，奠定了現(xiàn)代汽車工業(yè)廣泛采用鋁鑄件減輕汽車自重的基礎(chǔ)。近20年來，世界汽車工業(yè)鋁鑄件的應(yīng)用在不斷增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界鋁鑄件的總產(chǎn)量每年大約按3%以上的速度增長，而在鋁鑄件的總產(chǎn)量中，有60%一70%的鋁鑄件應(yīng)用于汽車制造，使得世界鋁鑄件的生產(chǎn)和應(yīng)用與汽車制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了密切的聯(lián)系。汽車工業(yè)中鋁鑄件應(yīng)用的發(fā)展又以日本的 為突出。在20世紀(jì)70年代初，日本許多汽車公司就開展并擴(kuò)大鋁合金在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的研究，開始廣泛采用鋁鑄件代替鑄鐵來生產(chǎn)進(jìn)氣管、氣缸蓋，并開始少量生產(chǎn)鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)。近年來，在發(fā)展鋁鑄件和塑料應(yīng)用方面，日本一直都處于世界 水平，日本轎車素以結(jié)構(gòu)緊湊、舒適、重量輕、經(jīng)濟(jì)性好以及 可靠而占據(jù)歐美市場一定份額。
在當(dāng)代汽車制造中各種鋁材都得到了應(yīng)用，特別是壓鑄件及鑄件的應(yīng)用 為廣泛，尤以再生鋁合金的用量較大，全世界每年生產(chǎn)的鑄造鋁合金的80%左右都用于制造汽車壓鑄件與其他鑄件。2003一2008年日本汽車工業(yè)對鋁的需求及各品種鋁材占的比例。在2003~2008年的6年內(nèi)壓鑄件及鑄件的平均比例為79.1%，不過隨著時(shí)間的推移，壓鑄件及鑄件用量比例略有下降，例如1983年此比例為88.4%，1993年下降到81.9%，2003年減少到79.1%，以后至2008年幾乎保持不變，再后，下降幅度會稍微大一點(diǎn)。
在汽車用的鋁中，鑄造產(chǎn)品(壓鑄件及鑄件)占74%~80%，其中日本的較高，德國的較低，我國及其他 與地區(qū)的居它們的之間，而在鑄造產(chǎn)品中壓鑄件占53%~70%，其中日本的較高為70%弱，美國的偏低占55%，我國及其他 與地區(qū)的居中。
汽車輕量化是當(dāng)代汽車發(fā)展的一個(gè)重要課題，對其基本要求是：在保證汽車質(zhì)量和功能不受影響的前提下，較大限度地減輕各零部件質(zhì)量，降低燃料消耗，減少排放污染；在使汽車減輕質(zhì)量、降低油耗、減少排放的同時(shí)，努力謀求它的高輸出功率、高響應(yīng)性、低噪聲、低震動(dòng)、良好的操縱性、高可靠性和高舒適性等；在汽車輕量化的同時(shí)，價(jià)格較好有所下降或保持在合理水平，具有商業(yè)竟?fàn)幜Γ雌嚨妮p量化技術(shù)必須兼顧質(zhì)量、性能、價(jià)格。
世界汽車制造業(yè)應(yīng)用鋁鑄造產(chǎn)品大體上可分為兩個(gè)階段，20世紀(jì)70年代前主要從“新穎”角度考慮，以此吸引消費(fèi)者；20世紀(jì)70年代中期后為節(jié)約能源、減少排放、減輕車輛自重而大量采用鋁鑄造品。鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼鐵制造可以替代的汽車零部件可使整車質(zhì)量下降30%~40%，制造發(fā)動(dòng)機(jī)可減輕30%，制造缸體和缸蓋可減輕30%~40%，6缸鋁發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量比鑄鐵的輕32%。
鋁合金與鋼鐵相比雖有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是也有一些不足之處，如它的比熱容幾乎是鑄鐵的2倍，凝固潛熱是鑄鐵的1.4倍，通常用的鋁月崖合金的耐磨性也比鑄鐵的低不少，線膨脹系數(shù)比鑄鐵的大得多，等等。因此，現(xiàn)代汽車制造在選擇鋁合金方面應(yīng)綜合考慮。在全球鋁鑄件總產(chǎn)量中有62%一73%用于汽車產(chǎn)業(yè)。
要求鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的鋁合金有良好的高溫性能、強(qiáng)的耐磨性與低的熱膨脹系數(shù)、良好的流動(dòng)性。由于缸體、缸蓋的冷卻通道與水接觸，缸蓋燃燒室表面受高溫燃?xì)馇治g，故又要求具有相當(dāng)強(qiáng)的抗蝕性，還要有高的熱疲勞強(qiáng)度，以承受熱沖擊產(chǎn)生的疲勞破壞。
在發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造鋁合金中，當(dāng)前用得 多的是美國的390型合金，它是一種A1Situ系合金。硅和銅在發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金中是 重要的元素，硅提高鋁合金的耐磨性能，硅含量越高，鋁合金耐磨性越好，同時(shí)也能提高合金的流動(dòng)性。但硅含量太高使鑄造和加工困難。因此硅含量既要考慮使合金具有耐磨性，又要考慮具有良好的鑄造性和加工性。390鋁合金的w(Si)控制在16%一18%，獲得了使用性能和工藝性能兼優(yōu)的性能。在鋁合金中，銅元素有助于提高合金的強(qiáng)度與硬度，并能改善合金的熱處理性能。
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