铝合金复合材料

铝合金复合材料（共12篇）

铝合金复合材料 篇1

随着环保理念的逐步深入以及不断高企的汽油价格, 轻量化已经成为汽车发展的一个主要趋势。在现代材料工程的支撑下, 使用各种新型材料实现汽车的轻量化成为一个思路。铝合金复合材料因其质量轻、容易加工等多种优点, 近些年来在汽车轻量化中使用较广。

1 汽车轻量化使用的主要铝合金材料

从汽车公司的实践来看, 在汽车轻量化中主要使用了铸造铝合金、变形铝合金、铝基复合材料。这些材料各有自己的特性, 因此在使用中有所差异。

1.1 铸造铝合金的使用范围

从世界范围来看, 铸造铝合金是目前汽车轻量化的的主要材料。铸造铝合金的使用范围很广, 从发动机、活塞到车轮、零部件等, 都可以使用铸造铝合金。但是由于铸造铝合金的耐热性有较大的缺陷, 因此, 在对铸件强度有较高要求的零件中, 铸造铝合金的使用较少。不过, 随着铸造锻造法以及半固态成型法的不断成熟, 铸造铝合金的强度较之以前有了很大的提高。

1.2 变形铝合金

变形铝合金包括铝合金板带材、挤压型材和锻造材。从目前的的实践来看, 变形铝合金主要在车身上使用, 而且具有很好的轻量化效果。另外, 在散热器、车轮、悬架系统零件等方面, 变形铝合金的使用正在扩大。

1.3 铝基复合材料

铝基复合材料的密度很低, 但是比强度和比模量很高, 同时具有极高的抗热疲劳性。但是, 由于现代技术的限制, 铝基复合材料的价格很高。在目前汽车市场更多的依靠价格的竞争格局面前, 成本因素是汽车生产厂商必须重视的一个因素。目前铝基复合材料主要是一些零件方面使用, 比如连杆、制动钳等。

2 铝合金材料在汽车轻量化的应用

2.1 发动机

发动机被认为是汽车的“心脏”, 而且发动机的质量一般占整车的20-30%。而机体又是发动机中最大的单件零件, 其质量占发动机整体质量的25-35%。因此降低汽车发动机机体对于汽车轻量化具有重要意义。为了降低机体质量, 广泛采用了铝合金材料。从样本机来看, 质量较之传统材料降低了20%左右。

2.2 变速器、离合器壳体

变速器、离合器是汽车制动系统的重要组成部分, 关系到汽车的加速与制动。从汽车公司的实践来看, 使用铝合金对变速器与离合器的安全性能并没有影响, 同时质量降低效果明显。目前已经在部分车型中得到了广泛的使用。

2.3 底盘悬挂

奥迪公司是最早开始将轻质材料用于底盘悬挂的汽车生产企业。从奥迪公司的生产实际来看, 这项技术取得了很好的效果。我公司在近年来也加大了轻质材料在底盘悬挂中的使用, 很多部件都使用了铝合金管, 比如刹车卡钳。另外, 在行李箱盖、方向盘支架以及仪表的内衬结构等也使用了铝合金, 取得了良好的效果。

2.4 全铝车身设计

国外汽车厂商为了进一步降低汽车的质量, 较早的开始了全铝车身的设计。其中, 奥迪公司的全铝车身设计无疑是翘楚者。奥迪A8作为一款全铝车身设计的车型, 其整车质量与一辆中型车相似, 可见全铝车身设计在汽车轻量化具有很广的应用价值。奥迪公司的全铝车身设计又被称为ASF, 其最大特征是车身结构是由积压的铝部件即有关压铸件组成。目前奥迪A8的整车质量不到250kg, 而轻量结构系数也达到了1.5。

2.5 镁铝合金的使用

随着现代材料工业的发展, 除了传统的铝合金外, 镁铝合金也在汽车轻量化中得到了广泛的使用。以奥迪R8为例, 在使用镁铝合金后, 其车身结构的重量仅为200kg, 较之单纯的使用铝合金的重量又降低了50kg左右。

2.6 汽车散热器

在传统的汽车制造技术中, 汽车散热器主要以铜作为原料。随着金属价格的上涨, 目前铜的价格已经远远高于铝。从国外发达国家的汽车工业发展来看, 早在21世纪初, 就基本上普及了铝合金在汽车散热器的使用, 而且取得了较好的效果。但是, 目前我国诸多汽车企业由于技术等方面的限制, 汽车散热器主要以铜箔为材料, 铝合金在汽车散热器中的使用较少。但是, 铝合金在汽车散热器的使用扩大将会成为我国汽车工业尤其是轻量化发展的一个重要方向。从现有的实验和信息来看, 使用铝箔可以帮助汽车的散热器降低40%左右的质量。

3 实现汽车轻量化的认识

3.1 汽车轻量化的意义

汽车轻量化具有显著的社会、经济效益。首先, 从环境保护的角度来看, 汽车轻量化可以有效降低温室气体排放, 减少汽油消耗, 从而实现环境保护的目的。其次, 汽车轻量化可以帮助企业节约生产成本, 提升企业的竞争力。同时, 对于消费者而言, 更轻的汽车意味着更低的油耗, 也可以节约各种燃油费用。最后, 从社会的角度来看, 部分汽车的轻量化, 比如货车的轻量化, 还可以实现多拉货的目的, 促进社会物流发展。

3.2 汽车轻量化的实现路径

汽车要实现轻量化, 依赖于这样几个路径。首先, 是技术路径。汽车轻量化的发展依赖于现代技术的发展。这些技术即包括各种现代材料科学的发展, 通过引入质量更轻的材料实现汽车轻量化发展, 同时还要革新有关设计、制造技术, 进行设计创新与制造工艺的创新, 实现轻量化的发展。铝合金作为材料科学的成果, 在汽车轻量化发展中具有积极的作用。但是在强调材料科学的支撑作用同时, 还要注重多种技术的配合。其次, 是现代项目管理路径。汽车轻量化是一个系统的工程。虽然目前的汽车轻量化多是从某个部件或零件开始, 但是都是以服务汽车整体为目标。如果单纯的为了轻量化而轻量化, 不顾汽车整体性能的发挥, 显然违背了轻量化的建设目标。因此, 在汽车轻量化的设计中, 必须强化整车设计概念, 从而更好的实现轻量化目标。

4 结语

汽车轻量化是现代汽车工业发展的必然趋势。铝合金作为一种新型材料, 在汽车轻量化建设中得到了广泛的运用。在肯定铝合金材料在汽车轻量化建设中的显著效用的同时, 必须清晰的认识到, 汽车轻量化是一个系统的工程。要更好的实现这一目标, 在重视材料科学成果使用的同时, 还要结合现代汽车设计理论以及有关制造技术, 更好的促进汽车轻量化。

摘要：汽车轻量化是现代汽车工业发展的重要趋势, 实现汽车轻量化的途径可以包括技术革新与材料工程等。铝合金作为一种轻质材料, 在汽车轻量化中的使用较广。本文介绍了目前几种常用的铝合金材料, 并对铝合金在汽车轻量化的运用进行了讨论, 最后提出了有关看法。

关键词：汽车产业,轻量化,铝合金

参考文献

[1]史宏, 姜泽毅, 张欣欣, 孟杰.铝生产结构调整与节能对策研究[J].轻金属, 2010, (7) .[1]史宏, 姜泽毅, 张欣欣, 孟杰.铝生产结构调整与节能对策研究[J].轻金属, 2010, (7) .

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[3]肖永清.铝合金汽车配件的焊接技术[J].铝加工, 2009, (1) .[3]肖永清.铝合金汽车配件的焊接技术[J].铝加工, 2009, (1) .

[4]程涛, 向宇, 李健, 余玲.泡沫铝在汽车工业中的应用[J].轻金属, 2009, (8) .[4]程涛, 向宇, 李健, 余玲.泡沫铝在汽车工业中的应用[J].轻金属, 2009, (8) .

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铝合金复合材料 篇2

铝合金压铸模具材料性能、质量和品种往往会影响模具质量、寿命及成本，进而影响铝合金压铸件的品质，国产模具钢与国外进口钢相比，无论是质量还是品种规格，都有较大差距。随着汽车工业等的大发展，高性能的铝合金压铸件需求量不断上升，为了能够生产出高性能的铝合金压铸件，我们必须要制造出高质量的压铸模具

业内专家指出，技术装备创新升级是必由之路。那么，中国模具材料工业该如何突破瓶颈?首先要提高冶金质量，采用先进的设备和技术，采用先进的冶金方法和工艺，如炉外精炼、电渣重熔、真空处理，多向锻轧、精锻、精轧，生产纯净度的优质钢材;增加生产高均匀性、高等向性的模块、扁钢、方钢、板材等;通过机加工、调质处理等方法提供制品化、精品化的模具钢产品。

其次是研制、推广应用新型模具钢。国内新型模具钢种类繁多，但研制新型模具钢的空间仍然很大，况且有些新钢种性能有待改进。如铝合金大型压铸件日渐增多，研制大型铝合金压铸模具钢仍是当务之急。又如建筑业近年发展很快，研制价格低、耐磨性高、有足够强韧性的陶瓷、耐火砖模具钢也是一个急需解决的课题。

再次是建立塑料模具钢系列。我国塑料工业发展很快，塑料制品广泛用于农业、机械、化工、建筑、玩具、日用品、汽车、灯具、家用电器等，需求量大、质量要求高，与之相应塑料模具钢需求量急速增加，对钢的使用性能、工艺性能也提出了更高要求。

铝合金材料MIG焊接工艺探讨 篇3

摘 要：焊接铝合金材料中厚板时，常用的焊接方法有TIG和MIG两种焊接方法。如果使用TIG焊接方法，工艺和操作技术比较简单，焊接质量稳定，主要是工作效率非常低。使用MIG焊接方法，焊接工艺复杂，操作技术要求高，焊缝易产生气孔，且熔敷填充金属与母材难熔合，导致焊接质量难于保证，是铝合金材料采用MIG焊接方法的两大难题。但具有比TIG焊接方法高十多倍的工作效率。本文通过探讨分析，实践试验去了解铝合金材料采用MIG焊接方法的焊接性、焊接工艺、操作技术和解决两大焊接技术难点的工艺措施。

关键词：铝合金 实践试验 焊接工艺

中国分类号：671.8 文献标识码：A

Abstract： Both of TIG and MIG welding methods are always used for thick aluminum alloy steel materials. The practice technique and welding procedure of TIG is simple and the welding quality is stable， but the efficiency is very slow. The practice technique of MIG is very complex and hard， the porosity always comes out in the seams. Deposited metal may be incomplete fusion with base metal and the quality is out of control. These are main difficulties on the thick aluminum alloy steel materials， but the efficiency of MIG is more than 10 times of TIG. This paper analyzes and tests the welding ability， welding procedure and practice technique of MIG for the aluminum alloy steel materials， and puts forward the feasible treatment scheme to resolve the main difficulties.

Key words： Aluminum alloy steels； Practical testing； Welding technique

1 前言

进行铝合金材料MIG焊接工艺试验研究，一是为推动焊接操作技术的改进发展，促使新工艺、新技术的高效生产率得以体现，特别是焊接中厚板的工件，采用MIG焊接方法比TIG焊接方法具有非常明显的优势。二是为今后公司承接海工产品、化学品船、LPG、LNG等船舶的建造积累经验和作技术储备。

2 研究试验目的

（ 1 ） 通过实践试验，探讨铝合金MIG焊接容易产生气孔和难熔合的问题，如何改进焊接工艺技术，并制定工艺措施，将产生气孔和难熔合的机率降低到许可范围内，确保焊接质量的稳定性；

（2）了解铝合金材料在新工艺、新技术中的使用性能，焊接工艺技术；

（3）制定正确合理的焊接工艺和操作方法，编制适用生产的工艺规程和技术参数。

3 实践试验

3.1 材料性能

铝合金具有良好的耐蚀性，较高的比强度、导电性、导热性及塑性。性能随其纯度的变化而变化，纯度越高，强度越低，塑性越高；另一特点是，随着温度的升高，抗拉强度降低，反之则抗拉强度增高。

3.2 工件清洁

铝合金材料焊前工件和焊材经过清理后，应及时施焊，如果存放时间较长，就会新生氧化膜。从清理到焊缝焊完一般在4小时内完成。正常情况下清理工作采用酒精、丙酮等有机溶剂擦拭母材表面附属油污，然后用不锈钢丝砂轮或专用刮刀去除坡口及两侧20 mm范围内的氧化膜，露出金属光泽。不能采用普通砂轮片、钢丝轮、砂纸等作为清理工具，防止在打磨清理中砂粒或其它杂质被压入母材内，而焊接时产生焊接缺陷。尽量不采用机械清理方法，因其对氧化膜的去除不易彻底。

采用多层多道焊接时，焊道层间要清洁干净，不允许残留任何杂质。必要时，还要采用刨焊根刀片对焊缝表面进行刨磨，深度为0.5～1 mm。

3.3 操作方法

TIG和MIG两种焊接方法，都同属惰性气体保护电弧焊，而高纯氩气是两种铝合金材料焊接方法最常用的保护气体，与其它气体相比，具有引弧容易、电弧电压稳定、保护效果好、导热系数小的特点，最重要是具有良好的阴极破碎作用，对铝合金表面难熔合高熔点的氧化膜十分关键。

TIG焊的电极是不熔化的，不存在熔敷金属的过渡问题；MIG焊的电极是熔化的，因此存在熔敷金属的过渡问题。

如果焊接中厚度以上的板材，必要时用加温烘干枪对焊缝进行焊前加温，温度不超过150 ℃。因焊接时起始端温度相差大太，加上母材导热性强，焊缝冷却速度过快，导致不熔于焊缝金属的杂质难于溢出表面，形成焊接缺陷。

3.4 焊接缺陷

（1）气孔是铝合金材料在焊接过程中最易产生的缺陷，当板材厚度小于6 mm时，气孔较易控制；焊接中厚度或以上板材时，产生气孔的因素就比较复杂和不易撑控，除自然环境条件和工艺因素的影响外，氢是产生气孔的主要因素。氢的来源主要是弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分、母材表面氧化膜的吸附水分。因其液体熔池在高温下很容易吸收大量气体，在液态凝固时，溶解度急剧下降，焊后冷却凝固较快，气体析出过程较慢，而聚集在焊缝中形成气孔。endprint

（2） 在焊缝雾化区和起弧端产生较多不规则分布的黑素污物，和在焊缝层道间存有大量污渣和氧化物，说明气体保护效果差，焊接电弧受到干扰，导致熔敷金属过渡和弧长不稳定，造成焊缝成型不良，雾化区变窄，也是产生气孔的原因之一。

（3） 采用单面焊双面成形焊接工艺，在无保护工装情况下焊接，焊缝缺陷比较明显。由于受焊接热的影响，焊接接头易软化，高温时的强度和塑性又低，焊接过程中大量的热能被迅速传导到基体金属内部，使基体金属近缝区的力学性能下降，不能支撑基体面层的液体金属，而使受压母材在软化状态时下陷，成形不良焊缝。

4 工艺措施

铝合金材料在焊接过程中易发生各种焊接缺陷，因其材料特性和焊接工艺措施比较复杂，焊接时应采用如下措施：

（1）母材与焊接材料的匹配选择要正确；

（2）制定材料的清洁和保护工艺措施；

（3）确保焊接气体的纯度和输送密封性；

（4）使用专用清洁工具，焊缝须连续焊接，尽量在短时间内施焊完毕；

（5）在湿度>80%时，不适宜焊接，和焊接中厚度以上板材时，要用加温烘干枪烘干；

（6）对焊缝两侧进行加温烘干，温度不宜超过150 ℃；

（7）严控焊接速度、焊层厚度，焊具角度和焊丝干伸长度及层间温度等工艺；

（8）严控氢的含量和来源（焊丝、焊条、熔剂、气体、母材氧化膜、作业环境）；

（9）薄板焊接时，选用的工装夹具要合适，尽量采用平焊；

（10）TIG焊时，选用大电流高速焊。MIG焊时，选用大电流和较慢焊接速度，延长熔池存在时间，可有效防止气孔产生；

（11）严格执行制定的焊接工艺流程，尽量采用热能量集中，功率大的焊接方法；

（12）MIG焊时，采用喷射过渡焊接，电弧电压要偏低，使熔滴处于喷射过渡中的喷滴过渡，将弧长控制在喷射与短路过渡之间，这种熔滴过渡形式的焊缝成形美观，焊接过程稳定，不利于气孔的产生。

焊接试验参数见表1。

5 实践试验效果

通过各种实践试验和分析研究，基本确定焊接工艺参数和操作技术规程，并不断改进调整。试验焊缝经无损探测和力学破坏性检验，结果表明，焊接气孔数大幅下降，控制在标准范围内，焊缝熔合区的焊接质量明显提高。焊缝两侧黑素污物少并远离熔合区，说明雾化区的气体保护效果好，焊接电弧不受干扰，保证了焊接效果和内在质量，且焊缝外形美观和焊接质量稳定。

试件经ABS（AWS）标准检测试验，各项数据值均符合要求。

参考文献

[1]宋天虎、陈剑虹、吴林等.焊接手册.焊接方法及设备第2版（1-3册） [M].2001.

铝合金复合材料 篇4

材料由2种或2种以上 (基体和包覆层) 铝合金经复合压延后制成, 板带 (箔) 材料截面图见图1。在图1中:h为复合材料总厚度;t为包覆层厚度。

1.1 基体合金的选择

基体合金应采用熔点高、高温强度适宜、钎焊过程中与焊料结合性好、弯曲变形小且焊料对其扩散影响不大的材料, 同时在使用中具有适中的强度和耐蚀性。国外大多数采用3xxx系合金和6xxx系合金做基体。鉴于我国引进设备的钎焊工艺为气体保护焊、Nocolok钎焊和真空钎焊, 考虑到3xxx系合金具有力学性能优良、钎焊性和耐蚀性好等优点, 以及多数使用单位采用3003合金、加Zn的X313合金基体复合板, 因此选定3003和X313作为基体合金。

1.2 包覆层合金的选择

包覆层合金作为包覆基体合金的钎焊料, 应该具有熔点低、流动性好、浸润性好的特点。国外常用的包覆层合金是4xxx系合金, 如适宜气体保护焊、Nocolok钎焊工艺的4343、4045和4N43合金;适宜真空钎焊工艺的4004和4104合金。为满足各生产线的要求, 选择4343、4045、4104、4004和4A13五种合金作为包覆层合金。在复合板的钎焊过程中, 包覆层合金的流动性、润湿性、间隙填充能力、溶蚀性和接头强度等代表着钎焊质量的优劣。因此, 要严格控制包覆层合金的各主要元素的含量。

1.3 化学成分

产品基体和包覆层的化学成分应符合表1的规定。

注.:当明确需方采用Nocolok钎焊时, 铝合金中Mg的含量应≤0.01%。

2 汽车热交换器的结构和用材特点

2.1 汽车空调冷凝器

冷凝器是由厚度0.08~0.14 mm4343/3003/4343合金H14状态三层复合箔经辊压成形的波纹片与纯铝挤压而成的多孔管部件经组装后钎焊成一体。钎料由三层复合箔外层的4343合金提供, 复合箔的3003合金芯材在经受600℃左右短时加热, 翅片形状保持完好并与多孔管牢固地焊接在一起。较大的冷凝器波纹片与多孔管的焊点多达几万个, 为了各点都能良好焊接, 冷凝器的装配精度和波纹片的制作精度都是很高的, 因此对辊压制波纹片的三层复合箔的尺寸精度和力学性能的均匀性要求也很高。

2.2 汽车空调蒸发器

蒸发器是由厚度0.3~0.5 mm 4343/3003/4343合金“O”态三层复合带在冲压机上冲制成形的隔板 (成对的) 与3003合金光箔辊压成形的波纹片组装在一起并钎焊而成, 两隔板之间及隔板与波纹片之间的焊合都是在钎焊时一次完成。两隔板之间内侧形成密闭的循环介质通道, 外侧则与波纹片焊接在一起, 钎料由三层复合带的4343合金包覆层提供, 3003芯材则起到介质通道和连接翅片的双重作用。通道要有密闭性, 冲制的隔板要有较高的精度, 因此冲制隔板的三层复合带的尺寸精度和平直度是至关重要的。

2.3 汽车水箱散热器

水箱散热器是由3003合金光箔辊制的波纹片与厚度0.3 mm的4343/3003/7072合金H14状态的三层复合箔 (带) 在成形机上制作的有侧缝的扁管组装在一起并钎焊而成。扁管的焊缝及扁管与翅片的结合是一次钎焊完成。扁管外层是4343合金焊料;内层是7072合金, 接触循环水, 改善防腐性能。

从上述3个典型使用三层复合箔 (带) 的实例可以看出, 复合箔 (带) 的包覆层提供钎料的作用是完成同样的焊接任务, 但由于使用的场合不同包覆层所起的作用不同, 因此对材质的要求就不同, 三层复合材料其质量特性的侧重点也不同, 加工生产这类复合产品一定要搞清楚材料的使用条件, 必须保证的质量特性都要控制好。

3 钎焊工艺

现在国内采用的汽车热交换器钎焊方法有Nocolok钎焊和真空钎焊。铝合金钎焊主要是解决氧化膜问题。通常铝合金表面都有一层致密的氧化膜, 它会阻碍熔融钎料的浸润和流动, 因此钎焊件实现良好的结合就必须先破坏这层氧化膜。真空钎焊时炉内没有氧气, 避免产生氧化膜;另外, 钎料内含有一定量的金属镁, 钎焊时能产生镁蒸气, 破坏铝合金表面的氧化膜, 可实现良好熔焊结合。

Nocolok钎焊是在氮气保护下, 在钎焊材料表面施以一定量的氟铝酸钾混合盐作为钎剂。钎焊过程中随温度上升, 混合盐钎剂先开始熔化, 熔化的钎剂在铝件表面铺张开来, 使Al2O3薄膜解离溶解。随后Al-Si合金钎料熔化, 浸润扩展, 在狭小的接触缝隙处, 在毛细力的作用下, 形成焊接接头。

在保证真空的条件下, 真空钎焊机理如下。

a.氧化膜的热膨胀系数约为铝的1/3, 当加热到400℃左右时, 热应力使得氧化膜破裂。

b.复合材料包覆层所含有的金属活性剂 (Mg) 在500℃时大量挥发, 使钎焊工件处在镁蒸气气氛中, 保护铝不被进一步氧化。

c.镁蒸气使炉内残余的氧和水蒸气得以净化, 消除了它们的不利影响。镁的另一个作用就是还原Al2O3, 其反应形式为:

d.镁蒸气和铝材作用, 形成低熔点的Al-Si-Mg而熔化, 润湿铝材, 氧化膜漂浮在熔融钎料的表面起到保护作用。

4 复合材料生产工艺

4.1 工艺流程

A:芯材熔炼→铸锭→均匀化退火→铣面→C。

B:皮材熔炼→变质→铸锭→均匀化退火→铣面→热轧→矫直→剪切→C。

C:A+B→表面处理→芯材皮材配对→加热→热轧复合→冷粗轧→中间退火→冷轧→状态控制退火→精轧→剪切→成品→检验→包装。

4.2 质量管控重点

在熔铸阶段, 第一要严格控制化学成分中的主要元素 (Mn、Si) 和关键元素 (Mg、Zn、Fe、Bi、Sr) ;第二则是包覆层在铸锭前的变质处理;第三控制铸锭的含氢量≤0.13 ml/100g Al。

在热轧合成阶段, 第一要精准控制基体与包覆层的原始比例;第二是在热轧复合的初始阶段精确控制压下量, 以保证基体与包覆层的比例变化最小。

在冷轧及热处理阶段, 严格控制冷作变形量在35%�40%, 热处理温度保持在350�400℃。

5 流动性、润湿性、填充性等属性的研究

铝合金复合材料的流动性、润湿性、填充性主要由包覆层材料 (4343、4045、4004等) 所决定。其代表是Al-Si系列铝合金, 该系列合金焊接性能优秀, 其熔点低、同性润湿好、流动性好, 有利于焊接凝固时的补缩和减少裂纹。但应特别控制Si元素的含量, 若成分提高则流动性过强而产生漫流, 进而焊料大量流失, 导致焊缝无焊料。相反成分含量过低, 其材料的润湿性和流动性差, 造成焊接质量差。通过多年的批量化生产, 一般4343的Si含量保持在7.2%~7.9%, 4045的Si含量保持在9.4%~10.2%。润湿性和填充性还会受材料的氧化膜厚度的明显影响, 因此退火温度不大于400℃、时间2.5 h则可以保证较合理的氧化膜厚度。

材料的溶蚀性是复合材料的一个不良指标, 应尽量杜绝。其主要有两个方面起因, 第一是Si元素含量偏高, 第二是包覆层的包覆率偏高, 二者都会造成材料自身的溶蚀和被焊的管道、工件的溶蚀。解决办法除了合理控制Si元素含量外, 调整Fe元素的含量可有效地抑制溶蚀, 因为Fe在Al-Si合金中能与Al、Si反应, 生成α相 (Al12Fe3Si2) 和β相 (Al9Fe2Si2) , 降低游离Si的有效浓度, 从而减少溶蚀。此外, Fe元素的加入还可以明显地改善焊缝强度。其次, 就是可根据材料的使用条件, 调整好复合材料的包覆率, 一般可控制在用户要求的正负1.5%的范围之内。

复合材料的抗塌陷性是该材料的一项重要综合指标, 主要体现在成形性能和焊后的微变形量两个方面。其代表指标是抗拉强度、屈服强度、伸长率及板型, 其中屈服强度的影响力最大。同时与使用的方式方法关系密切, 假如在使用时有深冲折弯等情况, 那么材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率应分别控制在145~160 N/mm2、125 N/mm2、6%时则效果良好;假如是切块情况, 则分别控制在180~205 N/mm2、165 N/mm2、3%时较为合理。对于较薄的厚度小于0.095 mm的箔材, 有很好的成形性和抗塌陷性能, 公司研发出一种耐热3003基材, 其主要方法如下。

a.调整Mn、Cu、Ti等元素的含量, 其中Mn元素含量大于1.5%, Cu增加到中上限。

b.熔铸时加入0.03%~0.2%的Zr。

c.Si元素含量大于Fe, 接近2倍。

d.铸锭不做均匀化处理, 可基本解决超薄复合材料的成形性能及抗塌陷性能。焊后强度由原来的40 MPa提高到50 MPa左右。

材料的接头强度是用钎焊后工件的抗压检验来表现的。在10~14 MPa压力下, 当工件完好, 无变形、撕裂、漏气等现象时, 则说明接头强度良好;当有变形、扭曲、多处漏气的情况时, 则说明接头强度差。在复合材料方面, 影响接头强度的有填充性、流动性和润湿性, 另外复合材料会受变质处理结果的影响, 在真空焊工艺条件下, 还会受Mg元素和Bi元素的制约。

6 结束语

铝合金复合箔 (带) 使用部位和作用不同, 其采用的钎焊方法和条件则不同, 但都必须具备良好的成形性能和钎焊性能。

成形性能与材料的力学性能和尺寸精度关系较大, 钎焊性能与材料的化学成分和内部组织关系最大。

航空材料-钛合金 篇5

MASTER

一、钛的简介

1948年美国杜邦公司才用镁法成吨生产海绵钛——这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。而钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。

钛在地壳中含量较丰富，含量排第九位，远高于铜、锌、锡等常见金属。钛广泛存在于许多岩石中，特别是砂石和粘土中。

二、钛的特性

强度高：是铝合金的1.3倍，镁合金的1.6倍，不锈钢的3.5倍，金属材料中的冠军。

热强度高：使用温度比铝合金高几百度，可在450～500℃的温度下长期工作。抗蚀性好：耐酸、耐碱、耐大气腐蚀，对点蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。低温性能好：间隙元素极低的钛合金 TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。

化学活性大：高温时化学活性很高，轻易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层。

导热系数小、弹性模量小：导热系数约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％。钛合金的弹性模量约为钢的1/2。

三、钛合金的分类及用途

钛合金按用途可分为：耐热合金、高强合金、耐蚀合金(钛-钼，钛-钯合金等)、低温合金以及特殊功能合金(钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金)等。

尽管钛及其合金应用的历史不长，但由于它那超众的性能，已经获得了多个光荣称号。首先荣获的称号就是“空间金属”。它重量轻、强度大又耐高温，特别适于制造飞机和各种航天器。目前世界上生产的钛及钛合金，大约有四分之三都用于航空航天工业。许多原来用铝合金的部件，都改用了钛合金。

四、钛合金的航空应用

钛合金主要用于飞机及发动机的制造材料，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等零件以及飞机的大梁隔框等结构框架件。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机 也都使用钛合金板材焊接件。合金系和类型 工业纯钛 代号 TA1、TA2、TA3 TA6 TC4、TC10 TC5

产品种类 板、带、管、棒、线、铸件 板、棒、管、铸件 板、棒、管 厚板、棒、锻件

主要用途

飞机骨架、蒙皮、发动机部件 飞机蒙皮、骨架零件、压气 机壳体、叶片等

飞机结构零件、起落支架等 支架结构、气动导管等 钛铝合金 钛铝钒合金 钛钒铬合金

1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上占机重28%。随着加工工艺技术的发展，在火箭、人造卫星和宇宙飞船上，也用了大量的钛合金。

飞机越先进，使用的钛越多。美国F—14A战斗机使用的钛合金，约占机重的25%；F—15A战斗机为25.8%； 美国第四代战斗机用钛量为41%，其F119 发动机用钛量为39%，是目前用钛量最高的飞机。

钛合金材料飞机起落架零件

五、钛合金在航空中被大量应用的原因

现代飞机的航行最高时速已达到音速的2.7倍以上。这么快的超音速飞行，会使飞机与空气摩擦而产生大量的热。当飞行速度达到音速的2.2倍时，铝合金就经受不住了。必须采用耐高温的钛合金。

当航空发动机的推重比从4～6提高到8～10，压气机出口温度相应地从200～300℃增加到500～600℃时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金。

近年来科学家们对钛合金性能的研究工作，不断取得新的进展。原来由钛、铝、钒组成的钛合金，最高工作温度为550℃～600℃，而新研制的钛化铝（TiAl）合金，最高工作温度已提高到1040℃。

抗菌铜合金材料的研发 篇6

1.应用需求

空气循环与净化

家用空调已经成为人们生活中必不可少的电器。空调的室内换热器表面的温度通常为20℃左右，是细菌、螨虫等微生物活动的理想场所，当空调工作時，换热器上的细菌、螨虫等有害微生物将通过空调风机吹到室内空气中，导致室内受到细菌等有害微生物的污染，从而危害人体健康。

新兴高层建筑均属于封闭性建筑，通过中央空调调节室内的空气环境。长時间在中央空调环境中工作和生活的人，容易出现不良建筑综合症，又称“空调病”。中央空调空气管道系统及终端空气交换系统的温度保持在20℃左右，是细菌、霉菌、病毒等微生物的理想活动场所，空气传输管道系统及终端空气交换系统中的有害微生物是引起“空调病”的主要原因。

为了净化室内空气、解决空调内滋生的有害微生物对健康的影响，“抗菌空调”的概念逐步被人们接纳，其抗菌作用越来越得到重视并在净化室内空气中得到体现。抗菌空调之所以能杀菌，主要是由于其关键部件——换热器——采用抗菌铜合金制造。随着人们对高品质生活的进一步追求，抗菌铜合金在空气循环与净化设备中的使用将会越来越广泛。

液体循环及净化

随着人们生活水平提高，桶装水的饮用日益普及。2010年，我国的饮水机产量达到创纪录的3亿台，与此同時，饮水机本身对水质的“二次污染”问题也日益突出。饮水机对饮用水的二次污染与其结构密切相关，普通饮水机有一个储水胆和一个加热胆，冰水机有一个冷水胆和加热胆。饮水机通过聪明芯把水导入加热胆或制冷胆，现有饮水机的制冷胆与加热胆采用普通不锈钢制作，自每次放水時，空气通过透气孔进入水桶中，从而导致空气中的细菌、霉菌等微生物进入饮用水中，饮用水中的细菌、霉菌等微生物大量繁殖并粘附在饮水机制冷胆、加热胆、水龙头等处，这些经过“二次污染”的水对人体健康产生极大的危害。

为了杜绝饮水机对饮用水的二次污染，采用具有抗菌能力的抗菌铜合金制作饮水机的制冷胆、加热胆及水龙头成为饮水机制造企业的紧迫课题。随着高档饮水机所占比例的逐年上升，抗菌铜合金在饮水机制造行业的适用比例会呈几何级数的增长，饮水机中的不锈钢、塑料等材料将逐步被抗菌铜合金取代。

人类活动的接触环境净化

2003年全人类抗击“非典型肺炎”的场景令人记忆犹新，“非典型肺炎”对人类的危害令我们心有余悸。公共场所尤其是医院成为了“非典型肺炎”的传播源，为了减少公共场所等传播源对“非典型肺炎”的传播，公共管理机关采用专人专责的方式对医院、车站、机场等公共场所进行了24小時消毒处理，对公共场所的金属护栏、扶手等人们常接触的地方喷洒消毒水进行消毒处理，降低“非典型肺炎”病毒的传播渠道。

医院作为特殊的公共场所，一直是各种细菌、病菌的源头及传播基地，为了避免病人在医院受到细菌、真菌、病毒的“二次污染”，医院每天都要安排专人对病床、扶手、门把手等人们常接触的地方进行消毒处理。

车站、机场、医院等公共场所的扶手、护栏、门把等人们常接触的地方基本采用铁、不锈钢等材料制作，这些材料的抗菌性能微不足道。随着公共管理机关对公共场所疾病传播重视程度的进一步提高，将逐步采用抗菌铜合金制作公共场所人们常接触的护栏、隔离栏、扶手、门把手以降低细菌、霉菌、病毒等微生物的传播，大量采用抗菌铜合金制作公共场所的物件，公共场所的环境也将得到极大程度的净化。

2.实际意义

提高日常生活的质量。采用抗菌铜合金制造家用空调的换热器、中央空调的通风管道及换热系统、饮水机内胆等，由于抗菌铜合金具有抗菌、杀菌的功能，可大大降低空调与饮水机中的细菌、霉菌、真菌、病毒等微生物，减少空调、饮水机等家用、生活电器对人体健康的影响，从而提高人们的日常生活质量。

在特殊环境下满足安全的需求。医院是病毒、细菌等微生物的发源地及传播基地，医院的二次污染可能导致病人增加疾病，在医院中大量使用抗菌铜合金制造医疗器械可防止病人受到医院的二次污染，降低患病因素、减少病毒传播途径。

二、抗菌铜合金材料的研究现状与发展趋势

铜是一种天然的金属元素，早在1893年，瑞士著名植物学家内格里发现，掺有微量铜的水具有惊人的杀菌作用，也被称为微量作用：只要使用微量的铜就能杀灭水中微生物和藻类水生生物。内格里发现了只要千分之一的铜离子就杀死青藻的作用。

2008年3月，美国环境保护署确认了铜及铜合金能够杀灭有害的和可能致命的病菌，铜和铜合金是唯一获得美国环境保护署认证的金属抑菌材料。

铜的微量作用及其表现的杀菌、抑菌作用使大多数产品发挥实用性的效果，水管用净水器、沐浴碰头，高纯铜锌合金在水处理中已经得到了广泛应用，已开发出空调翅片等新型过滤网，在空调系统中的过滤网、制冷器、加热(湿)器、冷凝水盘也正在使用具有抗菌作用的铜及铜合金。

具有抗菌性能的铜及铜合金，在日本、英国等西方发达国家也得到了广泛地应用。工业化大生产排放的污水，使得河流、湖泊以及海岸的水质恶化，温度上升。生活垃圾的排放也使得水富营养化。日本茨城县霞浦在1992年开始了长达7年的对于没有下水道的约14万户居民进行铜制排水网的排布工作，以防止厨房产生的生活污水对水质造成污染。英国应用微生物研究中心的一项研究表明，使用抗菌铜合金水管可以对饮用水中的一些致病生物体，尤其是大肠杆菌具有抑制作用，99％以上水中细菌在进入通管道5小時后自行消失。日本卫生机构向日本政府建议：为保护公共卫生环境，在医院、商场、机场、车站这样的公共场所应该大力提倡使用抗菌铜合金门把手、扶手。

具有抗菌性能铜合金在货币上也将得到广泛应用。日本科学家通过对纸币和硬币包括银币、铜币、镍币进行检查后发现，银币和铜币检出细菌很少。东京市立卫生研究所对钱币中铜的微量进行了相关试验，首先在冷冻培养皿的表面涂上抗寒病菌，然后将10元铜币、5元黄铜币、1元的铝币、1元的纸币分别放入器皿中。经过24小時候将它们取出放在显微镜下观察计数检出细菌量，结果表明10元铜币、5元黄铜币上的伤寒病菌检出较少，1元的铝制币上的伤寒病菌有明显的繁殖，纸币上的细菌更多。

铜的杀菌作用一直以来就被医疗机构所重视和应用。铜及铜合金有利于保持用具的卫生、清洁，在医院的医疗器械上有很多铜和黄铜器具使用的实例，如在临床上广泛使用的压舌条、避孕器具、导尿管、消毒盆等等。这类应用能使铜的作用得到充分的发挥。

国内在抗菌铜合金材料的研究与应用方面在进行不断的尝试。例如，2009年，宁波博威集团有限公司研发中心对抗菌铜合金进行立项研究，并组建抗菌铜合金研究项目组，由国内知名的金属材料专家组成研发队伍，目前已取得系列创新性研究成果，部分成果已申报国家发明专利。博威集团抗菌合金的化学成分如表1所示：

以大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及白色念珠菌等常见的细菌为抗菌性能检测对象，表2列出博威集团研发的六种不同成分抗菌铜合金的抗菌性能对比情况，其中7号是普通紫铜的抗菌性能。从表2可知，博威集团抗菌铜合金的抗菌性能全部优于普通紫铜的抗菌性能。

总之，随着合金成分优化、抗菌机理研究及应用领域开拓的进一步深入，国内对抗菌铜合金的研究将取得更大的原创性成果。

铝合金复合材料 篇7

1搅拌摩擦加工技术

搅拌摩擦加工(Frictionstirprocessing,FSP)是由搅拌摩擦焊技术(Frictionstirwelding,FSW)演变而来的一种用于材料改性和复合材料制备的技术。该技术热量输入来源于摩擦生热以及塑性变形,具有绿色节能、无辐射噪音废气等特点,是一项清洁高效的先进表面改性技术。利用该技术获得的加工区域分为搅拌中心区(Stirzone,SZ)、热机械影响区(Thermo-mechanicallyaffectedzone,TMAZ)、热影响区(Heataffectedzone,HAZ)、基体(Basemetal,BM),此外还可分为前进 侧 (Advancingside,AS)、后退侧 (Retreatingside,RS),如图1所示[9]。

2搅拌摩擦加工技术的应用

搅拌摩擦加工属于固相处理,利用搅拌摩擦产生的热和塑性变形来细化晶粒,均匀化微观组织,还可通过直接添加或原位固相反应在表层形成弥散分布的颗粒增强相,形成具有梯度结构和无界面的表面改性层,增强相和基体之间较少发生有害的界面反应,其残余应力和变形也很小,材料的表面硬度、耐磨性等性能可获得较大幅度提高。

2.1铝合金微观组织均匀化

搅拌摩擦加工不仅可处理铸造铝合金,也可对轧制板材进行组织均匀化处理。王快社等[10]用FSP技术对用普通熔铸铝铁二元合金进行了处理。经过3道次FSP处理,粗大的针状Al3Fe相被破碎成尺寸小于1μm的弥散相,分布在铝基体晶界和晶粒内部,晶粒细化为尺寸为2~5μm的等轴再结晶晶粒,如图2所示。Giles等[11]发现FSP处理后的AA2099-T8铝锂合金板材薄层状组织被等轴晶取代,但其硬度、屈服强度、极限抗拉强度较轧制母材降低,分析认为FSP过程中发生了晶间析出相T1(Al2CuLi)的形成和δ′(Al3Li)再固溶,以及组织发生动态回复和再结晶。

2.2超塑性铝合金的制备

在多晶材料中,晶粒尺寸是决定性能的关键因素。与剧烈塑性变形(SPD)[12]、等径弯曲通道变形(ECAP)[13]等技术相比,FSP技术利用旋转轴肩的热量输入以及搅拌针在基体上引起的大塑性变形,使搅拌中心区组织发生动态再结晶和回复,由于铝合金的高冷却速率以及塑性变形导致的位错源增加,其晶粒无法长大而被显著细化[14]。Pradeep等[15]研究了经过间断式FSP加工之后的5086铝合金板材纵向不同深度的超塑性,在应变速率5×10-4~1×10-2s-1时,搅拌层区、粗细晶粒等比例混合层区、热机械影响和热影响的混合层区的最 大拉伸率 分别为325%、355%、230%。Dieguez等[16]发现在400°C、应变速率为1×10-2s-1时,FSP加工的7075-T651铝合金表现出900%的超塑性延伸率。

2.3颗粒增强型铝基表面复合材料层的制备

FSP制备颗粒增强型铝基复合材料层的技术特点是:利用在搅拌区内产生的强烈塑性变形和塑性金属流动,使添加颗粒在铝合金基体材料中分散,被软化部分材料覆盖、包覆,形成第二相粒子强化,从而获得高硬度、耐磨损的铝基复合材料层。根据增强颗粒的获取方式,可划分为原位反应生成与直接外加增强颗粒相两大类。

2.3.1原位反应生成增强颗粒相

FSP过程中的原位反应是指利用搅拌摩擦加工处理产生的强烈机械变形作用和摩擦生热作用,使得添加金属粉末颗粒间或与基体元素相互反应生成金属间化合物增强相、该增强相在搅拌加工过程中被碎化并弥散分布到铝合金基体中去,且原位生成物与基体之间的相 界面可以 达到孪晶 结合,即形成很 强的金属 键,具有非常 显著的颗 粒增强效果[17,18]。钱锦文[17,18]在1100-H14铝合金表面矩形凹槽中分别添加Ti粉和Ni粉,利用FSP分别制备出Al/Al3Ti,Al/Al3Ni复合材料层。结果表明,2道次FSP处理后的复合材料层中钛粉分布不均且聚集成团,存在较多的孔洞,而4或6道次FSP处理后的复合材料层无缺陷且增强颗粒分布均匀,原位生成的增强相Al3Ti和Al3Ni与基体界面结合良好,复合材料层的硬 度较母材 分别提高2.1倍和2.24倍。Ke等[19]对添加Ni粉进行FSP处理后的纯铝板在550℃热处理6h,发现原位生成了金属间化合物Al3Ni2 和Al3Ni。由于增强相强化与晶粒细化作用,复合材料 层硬度从37HV增至52HV,断裂应变超过0.2,极限强度达到144 MPa,较基体(84MPa)明显提高。

原位反应生成增强颗粒相工艺存在容易产生颗粒团聚以及原位生成相较少的缺陷,目前主要通过增加搅拌道次来促进原位反应的进行并降低颗粒的团聚;或将基体粉末和添加粉末充分机械混合,在模具中冷压成坯,经过烧结或热压热锻等成型处理后,再采用FSP加工制备复合材料层。图3是Al-Ti-Mg粉在热压 实后搅拌 摩擦加工 后的TEM照片[20]。表1列出了近年来FSP原位反应生成增强相的相关研究成果[20,21,22,23,24,25,26]。

注:dz是晶粒尺寸,σy是屈服应力(0.2%),σu是极限抗拉强度,E 是杨氏模量,δ是伸长率

2.3.2直接添加增强颗粒相

目前,利用搅拌摩擦加工技术,研究人员通过直接添加增强颗粒相制备铝合金表面复合材料层时,更多地选择单一或复合添加硬质颗粒做为增强颗粒相,如SiC、Al2O3、碳纳米碳管、B4C、NiTi、BN、ZrB2、富勒烯等。颗粒增强相若能弥散均匀分布在铝合金中,不但能阻碍基体位错的运动与再结晶晶粒的长大,增强硬度,而且能在磨损过程中承受部分载荷,改变磨损机制,增强耐磨性。

(1)SiC颗粒

具有高硬度、高耐磨性、良好热稳定性及化学稳定性的SiC颗粒常用来制备金属基复合材料。但采用熔渗、粉末冶金等技术制备金属基复合材料时,产生的高温容易导致SiC颗粒与铝基体发生化学反应生成脆性相,影响基体的性能。与之相比,搅拌摩擦加工属于一种固相加工过程,可有效避免脆性相的生成。

Wang等[27]用粒径10μm的SiC颗粒制备5A06轧制铝合金表面复合材料层时发现,搅拌针在板材中的旋转和行进剪切力可使颗粒在基体中流动、分散,但由于基体和颗粒之间的物性差异,颗粒很难像软化的基体那样流动,导致增强相在某些区域的团聚。Salehi等[28]通过正交实验FSP方法制备AA6061/SiC(平均粒径50nm)复合材料层,发现搅拌头的旋转速度越 快 (1600r/min)、横向行进 速度越慢 (40mm/min)、轴肩下压量越大(0.3mm),基体软化程度越高,增强颗粒越容易流动而不易聚 集。Dolatkhah等[29]研究了SiC粒径 (5μm与50nm)与搅拌道 次变化对FSP制备Al5052铝合金表面复合材料层的影响,发现增加搅拌道次与使用纳米SiC制备的复合材料层组织晶粒可细化为0.9μm的等轴晶,且多道次搅拌并转变搅拌针的旋转方向时,SiC颗粒分布更加均匀,表层硬度升高,磨损率降低。从上述研究结果可见,在利用FSP制备SiC颗粒增强复合材料层时,铝合金基体和SiC颗粒的热膨胀系数不同和变形特性的差异导致位错源的增加,进而强化搅拌区的动态回复和再结晶。SiC颗粒在搅拌区动态再结晶时不仅能钉扎晶界,阻碍晶界的迁移,还能作为晶粒的形核核心且破坏原有晶粒。SiC颗粒的粒径大小和分布是影响复合层组织、硬度及耐磨性等性能的重要因素。

(2)Al2O3 颗粒

与SiC颗粒相比,Al2O3 同样具有高强度、高硬度、低密度和高弹性模量。在制备颗粒增强型复合材料时,Al/Al2O3复合材料比Al/SiC复合材料表现出较好的化学稳定性[30]、耐腐蚀性[31]、高温力学性能等。

Shafiei-Zarghani等[32,33]利用FSP在6082铝合金上制备含Al2O3 复合材料层,发现复合材料层摩擦系数较母材显著降低,且不随滑行距离的变化而发生显著改变,耐磨性较母材显著提高。分析认为复合材料层耐磨性的提高归因于晶粒细化、硬度提高 以及Al2O3 颗粒在基 体中的均 匀分布。Mahmoud等[34]对比研究了FSP制备SiC与Al2O3 颗粒增强1050铝合金复合材料层性能,发现前者的硬度和耐磨性较后者高,原因在于SiC颗粒比Al2O3 颗粒硬度高,且与SiC颗粒相比,Al2O3 颗粒与基体润湿性差导致颗粒周围出现微孔。但Al2O3 颗粒增强复合 材料层的 摩擦系数 较低,分析认为Al2O3 颗粒在磨损过程中除承载载荷,避免试样和摩擦副直接接触外,还能在磨损表面形成一层氧化薄膜,充当摩擦副和基体的润滑剂。可见,通过添加一定质量比的两种不同性质的颗粒混合物来制备铝合金复合材料层,利用混杂效应,综合两种颗粒的优势,可能获得具有更好耐磨性能的复合材料层。

(3)碳纳米管

碳纳米管除具有优异的化学性能、电学性质、热稳定性和低热膨胀系数外,还表现出高弹性模量和屈服强度。搅拌铸造法制备的碳纳米管复合材料很难实现高体积分数,而粉末冶金方法则对碳纳米管品质要求高。

Izadi等[35]利用FSP成功制备出高体积分数(>50%)碳纳米管增强Al5059铝基复合材料,3道次FSP处理后复合材料层硬度 达到169HV,其中的碳 纳米管分 布较为均 匀。Liu等[36]发现经过5道次FSP处理后的 碳纳米管 增强A1016铝合金复合材料中增强相分布均匀,且与基体形成较好的界面相容性和润湿性,能有效传输载荷,如图4(a)所示,但道次增加容易破坏碳纳米管的管状结构,如图4(b)所示。他们还发现复合材料层的硬度与抗拉强度随碳纳米管体积分数的增加而提高,但其拉伸率随体积分数的增加而显著降低,表明过多的碳纳米管容易使材料从韧性断裂转变为脆性断裂。为增强复合材料的拉伸强度,研究人员将易缠结的碳纳米管与2009Al基体粉末充分机械混合,冷、热压成板状,然后进行搅拌摩擦与轧制的复合加工,发现缠结的碳纳米管被破坏、剪短,且沿轧制方向排列,与基体形成较好的界面结合,其拉伸强度明显增强[37]。

(4)其他单一增强颗粒

除上述3种增强颗 粒外,研究人员 对Si3N4、富勒烯、B4C、TiC、SiO2等增强颗粒也进行了研究探索,并取得了一定的成果。

Morisada等[38]用FSP法将富勒 烯作为增 强相添加 到Al5083铝合金中,发现分散的富勒烯分子具有钉扎效应,影响位错,可使晶粒细化至200nm,复合材料的显微硬度比基体提高约2倍。Moghaddas等[39]报道了FSP行进速度(v)、转速(ω)对最大热输入温度值的影响,以及v/ω、轴肩下压量对含Si3N4 颗粒的Al5754合金复合材料层组织和性能的影响。Lee等[40]用纯铝粉末与Si颗粒混合烧结成一定形状,经过FSP加工,由于颗粒与热失配产生的位错而引起的Orowan强化明显提高了复合材料层硬度和屈服强度。

(5)复合型颗粒

在搅拌摩擦加工制备复合材料时,还可利用多种颗粒混合使用,借助“混杂效用”制备出综合性能优异的复合材料。目前对多种颗粒的混合使用一般可分为陶瓷/陶瓷、陶瓷/润滑剂。

Mahmoud等[34,41]在铝合金 基体槽中 同时添加Al2O3、SiC颗粒进行FSP加工,发现摩擦磨损过程中,SiC能起到承受载荷的作用,而Al2O3 即能承受载荷,又可作为摩擦副的固体润滑剂。随着Al2O3 颗粒体积分数的增加,Al2O3 颗粒与基体的空隙也相应增加,导致磨损率变大,但随着Al2O3颗粒体积分数的增加,磨损过程中Al2O3 颗粒能在磨损表面形成润滑膜层,降低复合材料层的摩擦系数。当添加SiC/Al2O3 的质量分数为80%/20%时,获得耐磨性能较好的复合材料层。Rejil等[42]发现同时添加体积分数为1∶1的TiC与B4C后,利用FSP制备的复合材料具有高的耐磨损性能,分析认为陶瓷颗粒均匀分布引起Orowan强化及晶界和亚结构强化,差热不同导致增强颗粒和基体的收缩形成位错的淬火硬化,增强颗粒的弹性应变与基体的塑性应变的不一致产生加工硬化。与Al2O3 作用相似,TiC在磨损过程中充当固体润滑剂,形成润滑膜层。

石墨(Gr)在复合材料中常作为固体润滑剂,但对材料硬度、抗拉强度增强效果有限。Devaraju等[43,44]对比研究了分别添加SiC/Al2O3或SiC/Gr混合颗粒的6061铝基复合材料层的性能,发现添加SiC/Al2O3 复合材料层的硬度较高,但抗摩擦磨损性能较含SiC/Gr复合材料层差,分析认为Gr相属于软质颗粒,Orowan强化以及钉扎 效应不及SiC、Al2O3硬质颗粒强,故复合层硬度较低。SiC/Gr复合材料层的抗摩擦磨损性能好,原因在于硬质颗粒Al2O3 在磨损过程中容易从销中被挤出,导致磨粒磨损,而Gr在磨损过程中充当固相润滑,降低摩擦 系数,增强复合 材料层的 抗磨性能。Asl等[45]利用FSP工艺制备出含Gr/Al2O3 混合颗粒的Al5083铝基复合材料层,研究发现纳米粒径的Al2O3 颗粒比微米粒径的Gr颗粒在改善复合材料层的硬度,拉伸、断裂强度方面更有效,但过多的Gr颗粒在拉伸时容易成为裂纹源。

3加工参数对增强颗粒分布均匀性和复合材料层性能的影响

搅拌摩擦加工制备复合材料层的性能主要受增强颗粒分布均匀性的影响,而分布均匀性又取决于增强颗粒的添加方式、搅拌摩擦加工参数以及搅拌头尺寸形状等因素影响。

3.1增强颗粒添加方式

搅拌摩擦加工特殊的加工方式很容易导致增强颗粒被搅拌针沿槽中心线挤出,从而改变增强颗粒在复合材料层中的体积分布,影响复合材料层性能。为减少颗粒的溢出,研究人员采用不同方 法进行搅 拌摩擦加 工前处理。Mishra等[14]预先在铝合金板上均匀覆盖一层用甲醇混合的SiC颗粒薄层,然后进行FSP加工。研究发现SiC颗粒分布均匀,表面复合材 料层与铝 基体结合 良好,如图5所示。Anvari等[46,47]利用大气等离子体喷涂在Al6061铝合金板材上预先覆盖Cr2O3 涂层,然后进行FSP加工,制备出含Cr与金属间化合物纳米级增强颗粒的复合材料层,颗粒分布均匀。Hsu等[20,21]利用冷热挤压搅拌法,首先将Al粉分别于Cu和Ti混合,利用模具在一定压强(225 MPa)下冷挤压成一定体积的坯料,随后在773~803K、空气气氛中烧结20min左右,然后进行FSP加工。他们发现复合材料层成分呈现梯度分布,且原位生成的增强相呈纳米状弥散分布在基体中,不存在颗粒团聚现象。Lee等[40,48]也通过类似方法成功制备出含有均匀分布的Al12Mo、Al5Mo、Si增强颗粒相的复合材料层。虽然通过冷热挤压搅拌法能制备出增强颗粒均匀分布的复合材料层,但其性能较差,需通过后续复杂工艺来增强其性能,加工成本显著增加。上述处理方法均可有效增强FSP制备的铝合金表面复合材料层中增强颗 粒的均匀 性,比较而言,利用无针搅拌头封槽的方法操作简易[28,49],复合层厚度适中。虽然无针搅拌头封槽容易导致颗粒部分团聚,但通过优化后续加工参数可减轻颗粒聚集。

in15% volumefraction[14]

3.2搅拌摩擦加工参数

搅拌摩擦加工基于搅拌摩擦焊,本质上也是以摩擦热做为热源,其过程的热输入qE可表示为:

式中:R1,R2是轴肩和搅拌针的半径;ω是搅拌头的旋转速度;P是轴肩压力,与轴肩的下压量密切相关;μ是摩擦系数,主要与材质有关;υ是平台进给行进速度[50]。

3.2.1搅拌头旋转速度与行进速度

搅拌头的旋转速度和行进速度在加工过程中对热输入存在直接影响。Salehi等[28]通过正交试验发现搅拌头的旋转速度是影响铝基复合材料层拉伸性能的最主要因素,行进速度次之,两者的贡献率分别为43.70% 与33.76%。分析认为旋转速度与行进速度的比值越高,热输入越大,基体软化程度越高,材料的塑性变形会更强烈,颗粒在复合材料层中不容易偏聚。在40mm/min行进速度与1600r/min转速下获得的SiC颗粒增强AA6061复合材料层拉伸强度达到153.7MPa。Moghaddas等[39]认为搅拌头的高转速与低行进速度可导致热输入增加,诱发基体中β增强相溶解和晶粒长大,但会导致Al5754复合材料 层硬度下 降。Mahmoud等[51]发现转速不超过1500r/min时,1050-H24复合材料层中的SiC增强颗粒分布均匀,但当转速降至1000r/min时,截面容易出现隧道孔洞等缺陷。上述试验表明,搅拌摩擦加工的搅拌头旋转转速和行进速度的匹配对铝合金基体塑性变形程度、增强颗粒的分布均匀性存在较大影响,制备综合性能优异的复合材料层,需选择匹配 的旋转转 速和行进 速度[52]。

3.2.2搅拌道次、旋转方向及轴肩下压量

搅拌道次也显著影响增强颗粒分布均匀性。研究发现单道次搅拌后增强颗粒容易在前进侧与后退侧发生聚集,并会导致隧道孔洞的形成[29,51]。与之相比,多道次搅拌不仅促进颗粒原位反应,生成较多增强相,还能使增强相在多次的塑性变形中形成较大范围的分散[21]。如在不同道次之间改变搅拌头旋转方向(前进侧与后退侧互换),也可促使增强颗粒随软化的基体发生更大范围的迁移,降低单道次搅拌引起的颗粒偏聚 程度,使之均匀 分布[29,53]。Shafiei-Zarghani等[32,33]研究发现多道次搅拌可有效降低单道次搅拌时产生的Al2O3 颗粒聚集现象,经4道次搅拌后Al2O3 颗粒在基体中均匀分布,搅拌区的硬度较Al6082基体提高约3倍,耐磨性提高2~3倍。此外,还发现单道次搅拌形成的表面犁沟、隧道孔洞等缺陷仅利用多道次搅拌也很难完全消除,需同时改变轴肩下压量等参数。Asadi等[54]提出轴肩下压量低,热输入量严重不足,复合材料层焊合较差,表面容易出现类似切割的现象、贯穿的隧道孔洞及颗粒向孔洞侧的偏聚,而过大的压入量会导致复合材料层边缘起皮,破坏基体。Lim[55]发现下压量从0.03mm增至0.24mm,可有效改善碳纳米管增强相的分布均匀性。复合材料层塑性变形的程度越高,增强颗粒的分散均匀性也越高,且不易偏聚。为获得质量较好的铝合金表面FSP复合材料层,在确定搅拌头转速、行进速度和倾斜角等参数后,可采用多道次变向搅拌的工艺,增加搅拌道次,增加热输入量。此外,确定合适的轴肩下压量非常重要,其最优值取决于搅拌头转速、行进速度和倾斜角等参数[52]。

3.2.3增强颗粒体积分数与尺寸

利用传统方法制备颗粒增强型复合材料时,增强相体积分数和尺寸对其综合性能影响显著。增强相体积分数较少,材料性能达不到所需要求,过多则会导致颗粒聚集堆积,恶化材料性能,如造成复合材料的疏松多孔、脆断等[35,36,37,56,57]。Asl等[45]利用FSP在Al5083铝合金表面制备Al2O3/Gr增强复合材料层,发现当Al2O3 体积分数小于50%时,复合材料层中Al2O3 颗粒平均间距L (L=(d/2)(2π/3Vf)1/2,其中L是粒子间距,d是颗粒或团聚颗粒尺寸,Vf是增强颗粒体积率)随其体积分数的增加而减小,复合材料层的硬度、屈服强度和抗拉强度增强;达到50%后继续增加Al2O3 的体积分数,复合材料层中出现Al2O3 颗粒团聚,导致性能下降。另外,增强颗粒尺寸影响颗粒自身物理形态,颗粒越小,其之间的范德华力使颗粒不容易分散,进而影响复合材料层组织和性能。Dolatkhah等[29]研究了不同尺寸 (50nm和5μm)的SiC颗粒增强Al5052铝合金的耐磨损性能,发现4道次FSP纳米SiC颗粒增强复合材料层的抗磨损性能比添加微米颗粒增强的复合材料层更好。纳米颗粒虽容易团聚,但优化工艺可使之均匀分散。当搅拌区发生动态再结晶过程时,纳米颗粒可以作为形核的核心,阻碍晶粒长大并钉扎位错运动,增强复合材料层性能。与之相反,颗粒粒径太大,在搅拌区塑性流动过程中颗粒流动难度增大,也容易导致聚集,恶化复合材料层性能。Faraji等[58]发现使用粒径为0.03μm和0.3μm的Al2O3 颗粒进行搅拌摩擦加工时,加工搅拌区会发生团聚,可通过增加道次和改变搅拌头形状降低团聚直径至2.5μm左右,与直接添加3μmAl2O3 颗粒相比,表现出更好的强化效果。故选择合适的体积分数和颗粒尺寸不仅可以节约成本,还能通过优化搅拌摩擦加工参数来更容易地制备出颗粒分布均匀、性能良好的复合材料层。

4结语

与其他制备金属基复合材料层的表面改性技术相比,搅拌摩擦加工作为一种“绿色”固相加工技术,已展现出制备复合材料的潜在优势。目前的研究表明,利用FSP制备铝基复合材料层时,容易出现 增强相的 团聚、隧道孔 洞、犁沟等缺陷,未来搅拌摩擦加工制备铝基复合材料层的研究重点应主要集中在以下方面:

(1)需进一步探究搅拌摩擦加工制备复合材料过程中基体材料塑性流动、增强颗粒流动的规律,并阐明其影响复合材料层性能的机理,为后续工作提供理论支持。

(2)目前改善增强颗粒在复合材料层中的分布均匀性更多通过增加FSP道次来实现,亟待开发新工艺以便快速实现增强颗粒的分布均匀化。

铝合金复合材料 篇8

随着能源和环境问题的日益凸显, 节能和环保成为内燃发动机发展的主要方向。而随着发动机强化程度的不断提高, 燃气的燃烧温度和爆发压力也越来越高, 作为发动机能量转换核心部件的活塞, 需要承受越来越严苛的热负荷和机械负荷。运动部件的轻量化需求使得以铝硅合金为基体的活塞材料不易为其它材料所替代, 为提高活塞在严酷工作环境下的可靠性, 针对铝合金基体活塞材料性能提高的研究越来越受到重视, 研究成果及其应用也日益广泛。

1 燃烧室喉口开裂及应对措施

由于发动机强化程度的提高和活塞的轻量化设计, 活塞的失效呈现出日益加重的趋势, 失效模式也出现多样化趋势。据统计, 由于活塞自身原因导致的主要失效部位有:1、燃烧室喉口开裂;2、销孔开裂和销孔咬合;3、活塞环槽磨损;4、裙部磨损/拉缸等。在高强化柴油机活塞失效中, 燃烧室喉口开裂是最主要的失效模式之一, 如图1所示。

活塞燃烧室喉口开裂失效主要是高周疲劳开裂。一般情况下, 活塞最高温度位于喉口部位, 在一些高强化柴油机上, 铝合金活塞喉口的工作温度可达约350℃甚至更高。活塞在如此高的温度下还要承受时刻交替变化的高达200bar的爆发压力。高温导致喉口附近材料性能的快速降低, 交变的机械负荷则很容易造成喉口的疲劳开裂失效。

当活塞连接、配合尺寸, 活塞结构, 活塞所受负荷等基本确定后, 提高铝合金活塞可靠性就需要靠提高活塞材料的性能来实现, 其途径主要有两条:其一是提高铝合金材料的整体性能;其二是加强活塞易于失效部位的局部材料的性能。基于经济型、制造、加工等综合考虑, 局部材料性能强化的技术越来越受到活塞制造业的青睐, 得到越来越广泛的研究和应用。

目前, 燃烧室喉口材料局部性能强化的主要技术有喉口快速重熔技术、喉口采用陶瓷纤维铝基复合材料等。本文拟在燃烧室喉口应用陶瓷纤维铝基复合材料的方法来提高喉口部位的高温性能进行研究, 通过材料局部性能强化的方法来降低活塞喉口开裂失效概率, 从而满足现代柴油机对活塞的要求。

2 陶瓷纤维铝基复合材料制备技术

陶瓷纤维铝基复合材料是一种在铝基体内均匀分布着陶瓷纤维的材料。本试验的制作过程是首先制出均匀多孔的陶瓷纤维预制件, 然后基体合金铝液通过压力浸渗的方法充满到陶瓷预制件孔隙中形成复合材料。

2.1 陶瓷纤维预制件制备过程

本次试验用的陶瓷纤维为进口氧化铝短纤维, 氧化铝含量大于92%, 其微观金相组织如图2所示。首先对陶瓷纤维棉进行预处理, 使其成为长径比50-150的短纤维, 并去除纤维中的渣球及粗纤维, 然后加入一定比例的粘结剂。为保证预制件纤维分布的均匀性和纤维方向在三维空间的随机性, 纤维与粘结剂在水中要充分混合, 确保纤维不聚集, 不结球, 空隙分布均匀。在模具中成型后再经过干燥、高温烧结等工序, 成为具有一定形状、硬度的多孔预制件。

陶瓷纤维预制件的设计制作主要考虑如下三方面:一是预制件体积分数适当, 孔隙分布均匀, 易于铝液的浸渗, 本实验中, 复合材料的体积分数为16%~18%。;二是预制件要利于排气, 尺寸、外形要适用于铸造模具, 本研究方案设计的预制件如图3所示;三是预制件内在质量, 无气孔、夹渣、分层等缺陷。

2.2 复合材料活塞的铸造过程

在铝基复合材料的制备方法中, 液态浸渗法被认为是最理想和最成功的。本试验将利用液态浸渗技术制备陶瓷纤维增强铝基复合材料。这种方法是在浇注后的铝液上施加一个额外压力, 使铝液渗透到纤维预制件中, 并促进纤维与铝液的润湿、结合, 外加压力要足以克服毛细现象所产生的附加压力, 保证合金铝液的充分浸渗, 这不但可克服陶瓷纤维与铝液润湿性差的不足, 同时由于浸渗时间短, 凝固速度快而避免纤维与铝基体合金发生不良反应, 同时由于纤维表面在凝固过程中起结晶核心作用, 可以细化基体晶粒, 消除基体内部的气孔, 减少合金元素的偏析, 从而使得复合材料微观结构更加均匀细密, 有利于进一步提高材料的性能。

浸渗压力一般为50Mpa-100Mpa左右, 压力的大小与基体合金铝液的浇铸温度有关。浸渗法的优点是:铝合金在增强区与非增强区连续过渡, 界面结合牢固;其次是成品率高。需要注意的是陶瓷预制件需要经过充分预热, 以避免基体铝液在浸渗到孔隙中之前就遇冷凝固, 阻塞浸渗通道。本方案试验所使用设备是315吨四柱立式挤压铸造机, 采用直接挤压铸造工艺。其铸造过程示意图如图4所示。

试验过程为先进行基体合金铝液的成分配比 (本试验采用ZL109G铝合金作为基体材料) , 之后精炼除气除渣, 然后使用光谱仪检测铝液成分, 合格后将合金铝液进行保温处理等待浇注。同时模具、盐芯、预制件进行预热处理, 达到合格温度后浇注活塞毛坯。浇注过程为将经过渗铝的耐磨镶圈和预热的盐芯、陶瓷纤维预制件置入模具中定位, 在型腔内加入适量的合金铝液, 上压头下压, 压力大约是80Mpa左右, 合金铝液在高压下浸渗到陶瓷纤维的孔隙中, 经过短暂的保压凝固, 即完成陶瓷纤维复合材料活塞毛坯铸造。

2.3 复合材料与铝基体材料性能对比

在本试验中, 使用相同的铸造工艺参数、相同的生产设备、相同的操作者, 分别浇铸了带陶瓷纤维材料的A活塞和不带陶瓷纤维材料的B活塞, 并在两样品相对应的部位进行金相试块取样和试棒线切割取样, 取样位置如图5所示。

首先, 对样品进行金相组织的对比。图6是A活塞取样部位的金相图片, 图7是B活塞取样部位的金相图片。通过观察可以看出, 所制备的复合材料组织均匀, 合金相、共晶硅细小, 陶瓷纤维错落有致的分布在基体中。普通铝合金活塞初晶硅、合金相较大, 分布不均匀, 局部区域初晶硅偏聚。从金相组织上来看, 陶瓷纤维复合材料活塞明显优于普通铝合金活塞。

力学性能测试结果如表1, 本试验在不同温度下分别取用试样进行测试, 主要是从抗拉强度、延伸率等方面进行对比。通过对比可以得出, 陶瓷纤维复合材料相比于基体材料, 常温抗拉强度略有提高, 300℃和350℃下的高温抗拉强度提高了40%左右, 说明采用陶瓷纤维铝基复合材料可以提高燃烧室喉口部位耐高温能力;各温度下的延伸率均低于基体材料, 说明陶瓷纤维铝基复合材料的刚性要比铝基体好。

3 试验验证

由于活塞燃烧室喉口部位主要是在高温下工作, 喉口的开裂多数情况下是高温下的高周疲劳拉应力开裂, 陶瓷纤维复合材料优良的耐高温性能可明显降低喉口开裂的概率。低延伸率可以提高活塞燃烧室喉口承受较高机械负荷的能力。

在实际活塞设计和生产过程之中也得到了试验验证。如图8所示, a是某型号铝基体活塞 (ZL109G) 在试验过程中, 燃烧室喉口开裂失效;在对失效活塞进行分析后, 认为主要是因为活塞的热负荷过高引起的, 建议在燃烧室喉口部位采用陶瓷纤维铝基复合材料进行优化改进, b是采用陶瓷纤维铝基复合材料活塞在试验考核通过后照片。

4 结论

通过材料数据对比和试验验证可以看出, 应用挤压铸造工艺制造的陶瓷纤维铝基复合材料活塞在燃烧室喉口部位比普通铝合金活塞具有更加优良的高温性能, 金相组织更加均匀细密。根据试验统计结果, 活塞燃烧室喉口部位采用陶瓷纤维铝基复合材料可提高耐高温能力约30-40℃左右。

对于中重型高强化柴油机, 在活塞燃烧室喉口部位镶嵌陶瓷纤维增强铝基复合材料, 可解决当前发动机面临的普通铝活塞不能满足使用要求的问题。目前, 陶瓷纤维增强铝基复合材料已经在玉柴、某军工等发动机活塞上批量推广应用, 取得很好的市场效果。

摘要：本文针对高强化柴油机活塞燃烧室喉口开裂的失效问题, 简要分析了喉口开裂的原因, 提出对喉口进行局部强化的对应措施。研究了陶瓷纤维铝基复合材料对喉口性能的影响, 对陶瓷纤维复合材料的制作过程进行了阐述, 并进行了材料的性能对比和试验试验。经过对比, 燃烧室喉口部位的复合材料比ZL109G基体材料金相组织更加细密均匀, 具有更加优异的高温性能, 高温抗拉强度明显提高。优良的高温性能可以提高活塞的耐高温负荷能力, 满足中重型高强化柴油机对活塞喉口性能的需求。

关键词：陶瓷纤维,铝基复合材料,活塞,燃烧室喉口

参考文献

[1]吴申庆.陶瓷纤维增强铝基复合材料在发动机活塞上得应用, 轻型汽车技术, 2004, (4) , 31-33

[2]Evans A G, Watanable A, Frogen L, et a1.The mechanical performance of fiber-reinforce ceramic matrix composites[J].Mater Sci and Engin, 1989, 107A:227-241.

一种钢铝合金双材料挂车设计 篇9

专用汽车与国民经济的发展息息相关, 不论用于运输或施工作业, 都对于经济建设的发展起着促进作用。特别是近年来, 随着国民经济建设、基础设施建设以及我国汽车工业的飞速发展, 我国专用车市场也得到了迅速发展、呈现出繁荣的景象, 对满足国内各种需求和促进国民经济的发展作出了重要的贡献。专用车企业也以市场为导向, 通过研发设计新产品, 提高技术水平, 从而提高市场竞争力。

本文通过介绍一种钢铝合金双材料挂车, 响应国家节能减排号召, 节约能源, 降低能耗。目前挂车市场因受高油价等影响, 通过降低车身自重, 提高载货量、使用寿命和运输利润已是今后运输车辆的发展趋势。现在普遍用钢材制作的挂车, 其大梁承载力强, 悬挂坚固耐磨, 但自重高, 车底厢板等薄钢板, 容易锈蚀损坏;而全铝合金挂车虽然自重轻, 耐腐蚀, 但是纵梁强度低, 承载力不强, 易变形, 悬挂不耐磨, 产品成本高等缺点, 制约它的发展。近年来专用车企业看准了挂车轻量化的发转趋势, 开发了铝合金和钢材相结合的双材料挂车, 该车型坚固, 耐用, 耐腐蚀, 自重轻, 生产成本低。以轻量化车身设计, 高承载性受到用户的一至好评。在经过实际使用中, 进一步验证了其各项性能明显优于其它同类产品, 使产品附加值和市场竞争力进一步提高。

1 钢铝合金双材料挂车设计方案

本设计解决了钢材与铝合金无法焊接的问题, 大大降低了车辆的整备质量, 为了进一步说明新型挂车, 下面结合附图进一步进行说明:

如图1、2所示, 本新型双材料材质挂车, 包括车体的支撑结构6与承载结构7, 结合钢材半挂车和全铝合金半挂车的特点, 支撑结构和承载结构分别采用钢材质或是铝合金材质, 支撑结构为主梁1, 承载结构为横梁2, 主梁1上设置至少一个连接穿孔3, 至少一个横梁2通过连接穿孔3穿出主梁1, 一个连接穿孔3穿出一个横梁2, 横梁2上安装车箱或承载面板, 横梁2和主梁1之间设置稳固装置4, 主梁1与稳固装置4的彼此连接接触处设置有连接件5。

连接件5一侧接触面为铆接或螺接, 另一侧接触面为焊接, 连接件5铆接或螺接的接触面与接触部件材质不相同, 连接件5焊接的接触面与接触部件材质相同。此种状态分为以下两种情况:

连接件5为钢材质时:如果主梁1为钢材质, 横梁2为铝合金材质, 连接件5与主梁1的一侧为焊接, 与横梁2连接的一侧为螺接或铆接。如果主梁1为铝合金, 横梁2为钢材质, 连接件5与主梁1的一侧为镙接或铆接, 与横梁2连接的一侧为焊接。

连接件5为铝合金材质时:如果主梁1为钢材质, 横梁2为铝合金材质, 连接件5与主梁1的一侧为镙接或铆接, 与横梁2连接的一侧为焊接。如果主梁1为铝合金, 横梁2为钢材质, 连接件5与主梁1的一侧为焊接, 与横梁2连接的一侧为镙接或铆接。

2 钢铝合金双材料挂车与普通挂车性能对比

以全挂车为例, 相同尺寸的钢铝合金挂车与普通钢挂车对比如下:

尺寸参数 (mm) :8000×2500×3100

车厢内尺寸 (mm) :6100×2330×600

轮距 (mm) :1820/1820

轴距 (mm) :3870

轮胎数量:8只

轮胎型号:1000 (选装1100、1200) -20

后悬 (mm) :1180

从表1可以看出, 虽然钢铝合金双材料挂车制造成本每辆车提高了2000元, 但每辆车整车重量降低约2吨, 油耗降低10%以上, 按每辆车每年行驶10万公里计算, 运输利润增加约2万元。

3 结语

本新型挂车有效的结合了钢材和铝合金的优势, 突破两种金属材料无法焊接的问题, 具有承载能力强, 自重轻, 耐腐蚀, 耐磨, 和耐用等突出特点。

摘要：本文介绍了一种钢铝合金双材料挂车, 解决了两种金属材料无法焊接的问题, 其具有承载能力强, 自重轻优点, 大大节约了挂车运输成本。

关键词：钢铝合金,双材料挂车,节约成本

参考文献

[1]宁文祥.挂车如何实现节能运输[J], 专业汽车, 2013.2.

[2]张筱梅.铝合金专用汽车, 市场未兴先乱[J], 专业汽车, 2013.1.

铝合金复合材料 篇10

压铸铝合金在当今社会正越来越多的被发动机、机床、航空航天等工业领域采用。分析其加工过程中出现的问题并加以解决, 对相关行业来说就显得尤为必要。

1 压铸铝合金的材料特点

以本文中提到的K15型机油泵泵体为例, 该泵体采用的是YL113 GB/T15115-2009[1]型压铸铝, 其特点是耐磨性高, 热膨胀系数低, 抗热裂性出色。但在耐蚀性和抛光性方面表现欠佳, 氧化保护层更是一大显著缺陷。

2 在压铸铝合金加工时通常会出现的问题

(1) 加工过程中出现发霉。铝在空气中自然氧化生成霉斑, 其本质是质地较松散的氧化铝, 发霉情况会随着时间不断加重。压铸铝由于材质相对疏松, 发霉比铝合金更快。

(2) 产品加工面孔洞外露。压铸铝合金产品的外表面, 有一层相当致密的组织, 而工件内部会因为缩松现象出现一些细小的孔洞, 如果加工量超过了致密层的厚度, 孔洞就会明显增加。

(3) 刀具磨损或崩刃。当铸件里掺有杂质或因偏析现象形成了硬点时, 有可能会损坏刀具。而镀膜刀具的镀膜层假如同样含有铝, 崩刃现象也会时常发生。

(4) 表面光洁度和尺寸精度不佳。压铸铝合金泵壳类零件国内普遍采用牌号为YL113的材料制造。由于其硬度低, 塑性好, 在切削加工时极易产生积屑瘤, 严重影响已加工表面的粗糙度和尺寸精度;切削后的弹性回复, 给提高已加工表面的尺寸精度也带来了困难[2]。下面, 以我部门在加工K15型机油泵泵体过程中遇到的一个问题为例加以说明:

在加工图1的K1、K2两个孔时, 无论是单个孔的直径尺寸, 还是两孔之间的位置度, 都有一定的困难, 为此就要找到妥善的解决的方法。

3 加工压铸铝合金产品的注意事项

3.1 正确选择和使用切削液

3.1.1 切削液的选择

使用切削液的目的在于冷却、清洗、润滑和减少加工过程中的早期霉变现象。对于压铸铝合金产品的加工而言, 其主要作用是后两者。

润滑:如果在加工过程中润滑程度不够, 极易产生积削瘤, 影响尺寸精度。

减少加工过程中的早期霉变:铝制品在酸碱环境中都容易受到腐蚀, 但只要缓蚀剂选配合适, 就可以减少霉变现象的发生。

3.1.2 切削液的使用

(1) 切削液的稀释比例一般为1:10~1:20。

(2) 稀释水的要求:稀释水温度太低, 容易形成胶状物质且难以溶解, 不利于配置乳化切削液。

(3) 乳化切削液的PH值:加工压铸铝时的PH值不能过高, 一般在8.5左右。

3.2 减少加工表面的孔洞

压铸铝合金产品表面的致密层, 厚度大约仅为1mm, 因此加工余量要小于该值。

3.3 刀具的选择和进刀量的控制

刀具的选择又分为刀具类型的选择和刀具几何参数的选择。

3.3.1 刀具类型的选择

以加工YL113型压铸铝合金为例, 可选用下列三类刀具之一:

(1) 未镀层的超细颗粒硬质合金刀具。加工铝合金主要选择K类 (WC+Co) 硬质合金, 而K10类硬质合金刀具有锋利的切削刃, 抗剥落性能好, 不易发生粘结, 是切削硅铝合金的首选材料[3]。

(2) 物理镀层 (PVD) 方法的硬质合金刀具。涂层能减少刀具与工件间的扩散以及化学反应, 因此能减少月牙槽磨损和积屑瘤的形成。涂层刀具可比未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上, 提高切削速度20%~70%, 提高加工精度0.5~1级, 降低刀具消耗费用20%~50%。需要注意的是, 涂层的成分不能含有铝元素。

(3) 中粒度金刚石 (PCD) 刀具。应用较广泛的聚晶金刚石刀具, 能够较长时间的保持刃口锋利, 刀具寿命为硬质合金 (WC基体) 刀具的10~500倍。通常W (Si) ≤13%时选择中粒度金刚石刀具, 铝合金W (Si) >13%则选择粗粒度。

3.3.2 刀具几何参数的选择

(1) 在充分考虑刀尖强度, 工件加工表面光洁度等因素的前提下, 选择尽可能小的刀尖圆弧半径。

(2) 使用25%左右的正前角和后角, 切削轻快, 排屑容易。

(3) 与铣削时相反, 选择较大的主偏角, 避免产生较大的径向分力导致轴类工件发生弯曲变形。

(4) 副偏角一般取较小值, 粗加工时略大, 精加工略小。

(5) 一般取+10°左右刃倾角, 前刀面要研磨光洁, 并开出卷屑槽。

针对压铸铝合金表面的加工分别选用的铝合金加工铣刀 (YG8) 和普通45号钢钢件加工铣刀 (YT30) 作精铣加工对比, 参数见表1、表2。

结果表明, 方法一能够使铸造铝合金件达到粗糙度Ra1.6, 精度IT8级;方法二能使铸造铝合金件粗糙度Ra3.2, 精度IT9级。方法一能够较好地完成加工任务[4]。

3.3.3 进刀量的控制

加工时, 进刀量不可过大。这样做既可以延长刀具的使用寿命, 又可以确保产品表面的致密层不会被轻易破坏, 而且还可以减少由于切削力过大导致的弹性恢复。

3.4 实际应用

综上所述, 为克服图1中K1、K2两孔在加工时出现的困难, 采取了以下措施:

(1) 将切削液更换为压铸铝合金产品专用切削液。

(2) 考虑到K15型机油泵泵体材质的硅含量约占11%, 选用型号为TPGT080204L-W?T1200A的微调镗孔刀, 既不会轻易出现刀具损坏现象, 又可以保证两孔的位置度。

(3) 为尽量保留表面致密层, 加工时分多次进刀, 并将进刀量设定为F25。

(4) 弹性恢复还取决于支撑点和压紧位置的选择, 以及压紧力的大小。

在加工过程中, 选择B面作为支撑面, 然后以A面抵住压紧工装的立板, 再将图3中K3、K4两孔作为定位孔, 来实现泵体的最终定位。压紧时, 以图4中椭圆形圈出的位置作为压紧位置, 一是因为有利于布置压板, 二是考虑到这两个位置与立板之间没有悬空以及其他孔的存在。压紧力大小的控制也尤为重要, 如果力量偏小, 泵体可能在加工过程中松动移位, 导致加工尺寸完全偏离, 甚至引发泵体破裂、刀具损坏等严重后果;如果力量偏大, 在测量加工结果时会发现明显的弹性恢复, 尺寸精度完全不符合加工要求。经测算, 压紧力控制在105~115kg时较为适宜。

(5) 按照使用要求, 避免加工机床受到其他设备的干扰, 因为这类干扰会影响到机床的精准度。

4 结论

决定压铸铝合金加工质量的因素主要有切削液、刀具、加工方式、压紧位置和压紧力, 准确把握以上几点就可以保证工件的尺寸精度, 有利于规模化生产, 进而扩大生产企业的经济效益。

摘要：压铸铝合金是现在较为常见的金属零部件材质之一, 然而在对该类材质进行加工时, 常伴随出现各种各样的问题, 为生产企业造成了不小的经济损失。本文重点从切削液、刀具、加工方式等角度进行分析研究, 提出解决建议, 希望起到一定的借鉴作用。

关键词：铝合金,压铸,加工

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准[S]GB/T15115-2009压铸铝合金, 2009-04-01.

[2]王林鸿, 吴希让.铝合金切削中的问题及解决方法[J].矿山机械, 1998, 3:35-38.

[3]周志明, 贾晓林.加工铝合金刀具的选择及应用[J].工具技术, 1998, 6:6-9.

铝合金复合材料 篇11

丁卫南：行业内发布的五组数据或许能回答这个问题：1、汽车质量每减小100kg，则百公里油耗可以减少0.2—0.8L;2、汽车质量每减小3%，则可节油1%—3%;3、汽车质量减小1%，其油耗可以减少0.7%;汽车质量减小330—440kg，可以节约燃油费用20%左右;4、汽车质量每减小50kg，则每升燃油行驶的距离可以增加1km;若质量减小10%，则燃油经济性可提高5.5%左右;5、轿车质量每减小10%，则油耗可下降8%—10%。对于16—20t级载货汽车而言，每减小质量1000kg，则油耗可降低6%—7%。

《汽车纵横》：实现整车轻量化都有哪些途径？

丁卫南：可以通过优化零部件结构、材料轻量化开发、选用轻量化材料、采用先进制造工艺四个途径。

《汽车纵横》：目前，整车制造中所运用的材料仍以钢铁为主，留给铝镁合金的空间还有多大？

丁卫南：近几年中国的汽车业发展迅猛，在节能减排和自身发展需要的双重压力下，汽车轻量化已是必然之选。

虽然目前整车制造中所运用的材料以钢铁为主，但是铝、镁合金等轻质材料的应用正在逐渐增加，并在原本使用钢铁材料的汽车零部件上发挥减重作用。

铝、镁合金质量轻、强度高、抗裂性和成型性好，其优越的物理特性确定了它们在汽车零部件轻量化制造中不可或缺的重要性。从2004年起至今，汽车行业中已有一些企业开始使用铝、镁合金来实现轻量化。

《汽车纵横》：我国铝镁合金的发展和应用情况如何？

丁卫南：中国铝、镁合金资源丰富，且产量逐年递增，在强大的资源支持下，中国汽车业的轻量化发展有先天优势。

虽然如此，其发展道路还是有不小阻力，主要体现在以下四个方面：

第一，轻量化技术涉及众多学科的研究领域，需要运用多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知识体系，而在目前的研发体系下，各研发机构往往只注重单个技术的研发，很少开展各技术间的交叉与融合;

第二，汽车轻量化技术涉及众多的共性技术和前沿技术，其关键、核心技术的突破不可能由单个企业或科研机构独立完成。必须要由国家级研究机构对其关键、重大问题进行战略性和前瞻性的超前部署，广大车企要敢于应用;

第三，产学研结合不够紧密，迄今没有明确定位、合理分工。基础研究和技术开发研究的有机衔接不够。企业规模小而分散。轻量化技术开发能力薄弱、研发人才短缺、工艺水平落后;

第四，产业政策未能支持自主开发，合资企业丧失开发权，零部件供应商大多在做低成本OEM代工。

《汽车纵横》：贵公司是以铝镁合金为材料的零部件企业，而铝镁合金在中国的发展和应用还有一定阻力 ，它是否也制约了德盛美的发展？

丁卫南：德盛美在这个行业相对来说比较前沿，客户不局限于国内。目前我们已经是德国四大汽车的一级供应商，是国内生产镁合金变离箱、发动机部件专用特种镁合金等轻量化产品的企业。

焦点对话：整零合作共话未来新机遇

《汽车纵横》：中国零部件企业多达上万家，但综合实力较弱。在提升中国品牌零部件竞争力方面，国家有没有出台扶持政策？

叶盛基：目前还没有出台针对中国品牌零部件发展的扶持政策，但有一些对于所有中小企业的扶持、鼓励政策。零部件企业不妨在这方面多加研究，充分利用现有政策。中汽协也会考虑向主管部门提出有利于零部件企业技术开发的扶持建议。

夏洪：自主品牌汽车最大的压力是资金问题，所以需要培养自己的核心供应商以降低成本。如果零部件企业能把握这一点，比扶持政策带来的效果或许更直接。

《汽车纵横》：现在很多企业开始培育现地供应商，北京奔驰在培育本地供应商方面有哪些具体措施？

邓海流：这是完全市场化的选择。当然作为中方来说，如果本地产品质量符合要求，同时又有成本优势，我们很愿意为中国品牌零部件的发展出一份力。

《汽车纵横》：中国零部件企业大多规模小、发展慢、利润低，但海纳川却能逆流而上，能不能给我们分享些成功经验？

雷云：零部件企业要获得快速发展一定要审时度势进行自主开发、超前开发。另外可以关注新能源、新技术和新工艺，这是汽车发展的方向，这些都为中国品牌零部件企业创造了良好的发展机遇。从未来趋势看，零部件企业要做大做强关键在于规模化;第二是专业化和国际化，它直接关乎整车产品的质量，引领整车产品的发展;第三是低碳化。

《汽车纵横》：作为一家年轻的零部件企业，恒信在激烈的市场竞争中怎样和国际零部件巨头决高下，并获得如此多知名整车企业好感的？

宗华甫：通过这些年的摸索，我认为最重要的因素是要加强企业的研发能力，使其满足整车企业的方案设计要求;第二是要把好产品质量关，恒信建立了一套企业内部的质量保证体系，能够经得起严格的审核;第三是要具备稳定完备的供应链;第四是要服务好、配合度高。如果我们沉下心做事便会发现市场很大，留给中国品牌零部件企业的机会其实很多。

《汽车纵横》：在中国市场上，本土零部件企业的发展道路前景如何？

陈伟农：中国汽车工业发展了30年，在人才、技术、资金上已经有了积累和沉淀，未来如果能整合好这些资源便会有跨越式提升。外资企业都在不遗余力争取中国市场，作为中国本土企业更应该珍惜。我们应该相信，中国的消费者拥有不亚于韩国日本消费者的爱国情结，所以无论是整车企业还是零部件企业，需要通过自己的努力给我们消费者更多使用国货的信心。在此期间，我们可以多一些思考和探讨，如何通过政府有形的手和市场无形的手让中国零部件企业在配套采购这个巨大的市场上真正立足。

汽车零部件配套采购趋势交流会（从左至右）

主持人：《汽车纵横》杂志社总编辑

曾光

北京海纳川汽车部件股份有限公司副总经理

雷云

中汽进出口公司党委书记、副总裁

陈伟农

中汽协副秘书长

叶盛基

合肥恒信汽车发动机部件制造有限公司董事长

宗华甫

北京奔驰汽车有限公司副总裁

邓海流

东风整车专业总工程师、东风技术中心商品研发院副院长

铝合金复合材料 篇12

有色金属材料2A12是Al-Cu-Mg系变形铝合金, 属于可以通过热处理进行强化的硬铝合金范畴, 大多数硬铝合金由于变形的复杂性, 通常难以一次成形, 硬铝合金其性能主要由合适的热处理工艺决定, 通过选定合适的热处理工艺, 可以使材料的各项性能指标得到相应的提高, 以满足生产要求。国内外对铝合金的研究已经发展的较为成熟, 很多专家学者对铝合金的成型工艺, 热处理方法及提高铝合金的强度硬度等方面进行了大量的研究, 很多研究已经应用于实际生产当中, 但通过热处理及预变形的方法来改进铝合金塑性的研究还较为缺乏, 本文的主要研究内容即通过调整材料的加工工艺, 优化控制变形及热处理的方法来提高铝合金的塑性指标。

2 试验数据整理分析

为研究提高铝合金材料塑性的方法, 须针对不同的材料对其化学成分、性能及金相组织进行分析, 从中找到差异, 进而得到提高材料塑性的方法。

2.1 不同硬铝合金的化学成分分析。

首先对进口材料及国内材料的化学成分进行分析, 得到进口2024铝合金、及国产2A12铝合金的化学成分数据见表1。从表1中可以看出, 国产2A12和进口2024的化学成分非常接近, Si、Cu、Mn、Mg的含量基本相当, 国产2A12的Fe含量偏高, 进口2024材料中含有微量Cr、Zn、Ti等元素;对比国内外材料的化学成分, 铝的含量基本相同, 约为93%, 国产铝合金中影响材料塑性的杂质元素Si和Fe含量之和为0.42%, 较进口硬铝合金高, 对合金塑性有益的Mn、Ni、Ti等合金元素的含量相对较低。

2.2 力学性能试验。

对进口材料及国内材料的力学性能进行试验, 得到铝合金的力学性能数据, 结果显示, 国产铝棒材的屈服强度平均值在390Mpa左右, 抗拉强度平均值在500Mpa左右, 延伸率平均为14%左右;进口2024的屈服强度平均值在370Mpa左右, 抗拉强度平均值在480Mp左右, 延伸率平均为21%左右进口2024材料的屈服强度和抗拉强度都略低于国内2A12材料, 但是延伸率比国内材料高。

3 通过变形及热处理提高铝合金的塑性性能

提高铝合金的塑性的重点和难点在于延伸率能否达到预期指标。通过热处理前对铝合金材料进行拉伸变形, 并进行热处理模拟试验, 以验证能否通过热处理调整材料强度与塑性搭配。在拉伸前对材料进行均匀化退火处理。退火处理后, 对材料进行冷变形, 选定不同变形量对2A12合金棒进行拉伸处理。

3.1 变形率对组织的影响。

材料在发生塑性变形时, 部分能量储存于材料内部, 成为热处理过程中材料回复和再结晶的动力, 对实验材料2A12, 固定热处理温度500℃和保温时间1h, 我们选择了3%、4%、5%、6%、7%、8%六个不同的变形尺度对事先加工好的棒材进行拉伸, 固溶时效后, 对六种不同变形度的试样进行金相检验。

从金相照片可以看出, 变形量在3%时, 二次相固溶效果不好, 基体上仍残留粗大的片状和长条状二次相;从拉伸率4%、5%的试棒金相照片可以看出, 二次相基本溶入晶粒当中, 并且经淬火时效后, 细小弥散的在基体上析出, 且长条状晶粒回复呈等轴状;拉伸率为6%、7%、8%的试棒金相照片显示, 二次相溶入非常好, 但是晶粒急剧长大, 形成了非常粗大的再结晶晶粒。

3.2 变形率对塑性的影响。将同种材料经过不同的拉伸变形、相同固溶温度、相同固溶时间的六根试棒进行拉伸试验, 得到结果如表2。

4 结论

通过对国内外硬铝合金材料的化学分析, 力学性能、金相组织进行检验, 并通过对2A12硬铝合金的冷变形及淬火时效试验, 得到以下几点结论:

4.1 合金元素含量不同影响硬铝合金的塑性, 化学成分相同的同种材料, 经过不同的加工工艺形成的金相组织差别较大。

4.2 经过不同变形率的材料在热处理后的性能也不相同, 在4%~5%的变形条件下, 通过选择合适的变性量和热处理制度, 可提高2A12铝合金强度及塑性。