设计型综合实验实验名称：活塞铝合金综合性能的研究学校：学院：材料与化工学院专业：金属材料工程班级：学号：姓名：实验组员：指导老师实验时间：2016.08.31—2016.10.15摘要：活塞是发动机的心脏，时其关键零部件之一。
由于活塞工作条件恶劣，所以对其性能要求很高。
铸造铝硅合金具有良好的综合性能，故本课题以铝硅合金为基础做了两组对照试验：一组是对浇注成型的试样进行金相分析，另一组时对固溶时效处理后的试样进行金相显微分析，并对比两组金相组织。
第一组未精炼的试样组织其铸造组织缺陷多而明显，精炼后的使用组织由于铸型的预热和浇注温度的提高，缺陷铸件减少，且有明显的CuAl2、Al2Si等相。
固溶时效处理过程中炉温过高，导致了试样过烧。
关键词：活塞；铝硅合金；固溶时效；过烧Abstract:As one of the important components,a pistons is the hurt of automobile engine.The high demand of pistons was due to abominable operating conditions.The nice combination property was provided with casting Al-Si alloy,and there are two groups of control experiment was based on Al-Si alloy in project:one to metallographic analysis with contact molding sample and another to observe metallographic structure with the specimen was be solid solution and aging.There are many obvious casting defect of sample structure wasn’t refined in the first group.The defect decreases with the increasing pouring temperature,of samplestructure after the refine,and the phase of CuAl2、Al2Si wasapparent.Oversintering was leaded to higher furnace temperature in the solid solution and aging.Keywords:pistons;Al-Si alloy;solid solution and aging;oversintering目录绪论 (1)1.选题 (1)1.1选题背景和目的 (1)1.2课题的研究内容 (1)2.活塞铝合金概述 (2)2.1铝合金概述 (2)2.2活塞简述 (2)2.2.1活塞定义 (2)2.2.2活塞工作条件 (2)2.2.3活塞性能要求 (2)3.铝合金组成成分 (3)3.1各合金元素对铝合金的影响 (3)3.2铝合金炉料配比 (3)4.铝合金炉料熔炼 (4)4.1浇注型腔选择 (4)4.1.1选择铸造类型及原因 (4)4.1.2腔内涂料 (4)4.2变质剂 (4)4.2.1变质剂选择 (4)4.2.2变质作用 (5)4.3精炼剂 (5)4.3.1精炼剂选择 (5)4.3.2精炼作用 (5)4.4炉料熔炼流程 (5)4.5熔炼时注意要点 (6)5.热处理 (6)5.1热处理概述 (6)5.1.1固溶处理 (7)5.1.2时效处理 (7)5.2热处理的目的 (7)5.3热处理工艺选择 (7)5.4热处理要点 (7)6.金相制备 (8)6.1制备过程 (8)6.1.1金相试样的截取 (8)6.1.2试样磨制 (8)6.1.3试样抛光 (9)6.2金相组织 (9)6.2.1未经热处理的试样 (9)6.2.2热处理后的试样 (11)结论 (12)参考文献结束语绪论活塞在发动机的工作中起到重要作用，时发动机的关键性零件。
活塞作用是接受爆炸气体压力，并作用于活塞销，传给连杆曲轴旋转。
在发动机工作时，高温气体直接作用于活塞，气体瞬时温度高达2300℃，其顶部温度达290-400℃，且温度分布不均匀；发动机工作时活塞顶部同时承受着很大的压力，此外活塞在气缸内往复运动线速度可达11-16m/s。
在这种恶略的条件下工作，活塞承受着高温、高压的机械负荷和热负荷。
因此活塞对于材料有着特殊的要求。
国内对于铸造铝合金活塞材料的研究主要集中在对传统的铝硅合金的基体增强上。
在国内传统的铸造铝硅活塞合金的成分优化和处理工艺的研究还没有大突破的情况下，科研工作者已在寻求新的途径提高铸造铝合金的极限强度：（1）基体增强提高铸造铝合金的机械性能；（2）配合适当的成型工艺得到较好的生产效果。
[10]例如氧化铝、硅酸铝和硼酸铝短纤增强铝合金活塞，都有很好的研究。
[11-12]东南大学开发出使用陶瓷纤维增强铝基复合材料活塞的发动机，活塞寿命得到大幅度提高，并提高发动机功率，减少油耗和降低排放。
[13]国外也在耐热铝合金上做了大量研究，美国航空航天局两位华人科学家发明并命名了一种名为MSFC-398高强度耐高温过共晶铝硅合金材料，是非常适合生产发动机活塞的材料，其常温的抗拉强度比普通铝活塞提高了150%，高温性能尤为显著；[14]同样新型耐热铝合金发展也很迅速，即采用快速凝固技术所研发的，例如，O D Neikow等采用高压水雾化快速凝固的方法之制备了Al-Fe-Ce系列耐热铝合金，所得的材料精力都极小，组织致密有很少缺陷，其室温（25℃）和高温（300℃）抗拉强度分别可达到500-550MPa、270-300MPa。
1.选题1.1选题背景和目的铸造铝硅合金在当今汽车工业的应用非常广泛，但是铸造铝硅合金的力学性能并不是太高，使其进一步的推广使用受到限制。
航空、航天及汽车发动机的轻量化已经成为世界研究的重要课题，轻量化可以节约能源，减少排气量，降低污染量。
1.2课题的研究内容探究未热处理和热处理之后的力学性能变化，并观察金相组织组成成分，能影响力学性能的因素，还有热处理之后的析出相对力学性能的影响，本次为探究热处理前后影响力学性能的原因提供金相组织所造成的影响。
2.活塞铝合金概述2.1铝合金概述铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，通常使用铜、锌、锰、硅、镁等合金元素。
铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。
其按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金两大类，而铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金和铝稀土合金，其中铝硅合金又有过共晶硅铝合金，共晶硅铝合金，单共晶硅铝合金，铸造铝合金在铸态下使用。
2.2活塞简述2.2.1活塞定义活塞是汽车发动机的"心脏"，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。
活塞的种类一般分为:柴油机活塞、汽油机活塞、通用型活塞。
活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。
工作条件活塞在高温。
2.2.2活塞工作条件活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。
活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600~700K，且温度分布很不均匀;活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3~5MPa，柴油机高达6~9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用;活塞在气缸内以很高的速度(8~12m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。
活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。
2.2.3活塞性能要求要有足够的强度、刚度、质量小、重量轻，以保证最小惯性力。
导热性好、耐高温、高压、腐蚀，有充分的散热能力,受热面积小。
活塞与活塞壁间应有较小的摩擦系数。
温度变化时，尺寸、形状变化要小，和汽缸壁间要保持最小的间隙。
热膨胀系数小，比重小，具有较好的减磨性和热强度。
3.铝合金组成成分3.1各合金元素对铝合金的影响（1）Si Si是改善流动性能的主要成分。
（合金的流动性是指液体合金本身的流动能力，是合金的铸造性能之一，它与合金的成分、温度、杂质含量及其物理性能有关。
流动性好，充填铸型的能力强，良好的流动性，有利于合金液良好地充满铸型，以得到形状、尺寸准确、轮廓清晰的致密铸件。
）从共晶到过共晶都能得到最好的流动性。
但结晶析出的硅易形成硬点，使切削性能变差。
所以一般都不让它超过共晶点，Si可以改善抗拉强度、硬度以及高温强度而使延伸率降低。
我们此次选用的硅含量为9-12%，即为亚共晶铝硅合金。
（2）Mg 加入一定的Mg形成Al-Mg-Si合金，Mg含量一般在0.2-0.5%时，其析出的硬度高，抗拉强度和弹性模量得到提高，但韧性降低。
若再提高Mg的含量，则易氧化，使合金液中卷入氧化物的量增加，并降低流动性。
（3）Cu 合金中加入一定量的铜形成铝硅铜合金，提高合金硬度，提高合金的耐热强度，但会降低耐蚀性。
提高强度，4-6%最大强化效果，0.2%以上会降低耐蚀性。
热处理后会析出强化相CuAl2，起到细化晶粒和强化的作用。
（4）Mn Mn在铝合金中会形成MnAl6的弥散质点，阻止再结晶的粗大化，提高再结晶温度，有效地细化再结晶晶粒，提高合金的强度，并与铝合金中的不纯物Fe形成（Al3FeMn）化合物，使Fe的化合物形态从针状变为块状，能在一定程度上改善韧性，即能溶解一定的杂质Fe，减少Fe的有害作用，提高合金的耐蚀性。
（5）B 和Ti一起加入，细化晶粒，B与Ti的质量比为1:5。
铝合金中含Ti量应小于0.2%。
3.2铝合金元素烧损率及炉料配比（见表2-1、2-2）元素Al Si Mg Mn Cu烧损率1% 2% 40% 2%表2-1 铝合金元素烧损率金属元素Si Cu Mg Mn Ti B Al 含量（%）9 4 1 1.5 0.15 0.03 剩余料材Al-Si Al-Cu Mg Al-Mn Al-Ti-B Al 质量(g) 375 80 13 150 36 剩余表2-1 铝合金炉料的配比4.铝合金炉料熔炼4.1试验设备选择4.1.1设备：电阻加热炉（图4-1）、石墨坩埚、金属型模具、钟罩、高精度固溶炉（图4-2）、坩埚钳、钢锯、虎钳、铁锤、电子秤、砂轮等。