离心铸造亚共晶Al-Si合金中空圆柱形制造工件的力学性能

工程科学与技术，国际期刊22（2019）1125完整文章增强SiC对离心铸造亚共晶Al-Si合金力学性能的影响萨阿德·马哈茂德·阿里生物医学工程系，技术大学，区906伊拉克巴格达阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2018年2018年12月15日修订2019年2月26日接受在线发售2019年保留字：离心铸造亚共晶AlSi合金实验设计（DOE）碳化硅（SiC）微粉G因子A B S T R A C T离心铸造是现代冶金工业中广泛应用的先进铸造技术之一本文采用响应面法和全因子试验设计法，研究了水平和垂直离心铸造工艺参数，包括工艺类型、铸型转速和碳化硅在检查了生产工件的质量之后，发现当使用垂直离心铸造工艺时，特别是在不添加SiC粉末的920 RPM的模具速度下，获得了最细的孔隙度，并且孔隙度尺寸在高达1440 RPM的更高模具速度在此结晶器速度下，所生产的工件内表面的雨型和缩孔缺陷最少，外表面质量最好，特别是采用较高的结晶器速度和相应的G因子值，不添加SiC混合粉，采用立式离心铸造时，获得的最大抗拉强度达到167 MPa。采用较高的结晶器转速、添加SiC混合微粉和立式离心铸造时，获得了最大屈服强度，达到13.6MPa。当结晶器转速为920 RPM时，延伸率最大，相当于采用添加SiC混合粉的立式离心铸造G因子值为56，延伸率达到1.6%。这意味着当使用离心铸造工艺时，亚共晶Al-Si合金中空圆柱形制造工件获得的最大抗拉强度、屈服应力和延伸率的值与使用常规重力铸造工艺相比分别增加了355%、13.3%和87.5%。©2019 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍最终离心铸造的质量主要取决于许多参数，例如：浇注温度、模具的初始温度、模具的旋转速度和尺寸、复合材料的组成和类型、颗粒的类型和形状等[1生产的铸件具有紧密的晶粒结构、良好的细节、高密度和优越的机械性能[4，5]。离心铸造机有两种基本类型：卧式和立式。在离心卧式铸造机中，工件模具绕水平轴线旋转，而在立式铸造机中，工件模具绕垂直轴线旋转，其中熔融金属通过使用旋转模具产生的离心力而被迫抵靠模具壁以形成所需形状[6，7]。电子邮件地址：30249@uotechnology.edu.iq由Karabuk大学负责进行同行审查主要工艺参数为：结晶器转速、G因子、浇注温度和结晶器预热温度。卧式离心铸造机用于制造管道、套管、衬套、气缸套，而立式离心铸造机的应用范围相当广泛，如齿轮、滑轮、轮子、叶轮、转子、支架等。[6]。AlSi合金广泛用于铸造行业，包括气缸体、缸盖、活塞和类似部件等应用领域，例如由于其优异的耐腐蚀性、耐磨性、高强度/重量比和低热膨胀系数[7]。研究了铸造铝硅合金（亚共晶-亚共晶-亚共晶）TiC、共晶或过共晶）可归因于其主相组分（α-铝固溶体和硅晶体）的各个物理性质和体积分数[6，8]。这些合金广泛用于要求强度高、重量轻或耐腐蚀的部件，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.02.0092215-0986/©2019 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch上午11时26分阿里/工程科学与技术，国际期刊22（2019）1125需要良好的流延性和可铸性。铝硅铸造合金对于汽车、船舶、国防和航空航天工业以及其他工程部门是必不可少的[9过共晶Al-Si合金的优异流动性和低热膨胀系数用SiC和Al2 O3颗粒复合物增强的铝合金可用于在极端操作条件下承受剧烈磨损的元件，特别是在汽车和航空工业中。增强颗粒的使用改善了物理和机械性能并降低了结构元件（活塞、连杆）的重量。金属基复合材料（MMC）是一种以硬质颗粒（增强体）为增强相的先进复合材料MMC这些合金广泛应用于航空航天、商用客机、汽车、核能、生物技术、电子和体育用品行业（如自行车、高尔夫球杆）以及各种其他应用[16，17]。常用的强化硬质合金颗粒如钛和钨与陶瓷材料如碳化硅、氧化铝、B4C、Si3N4、AlN、TiC、TiB2和TiO2[18选择SiC微粉作为混合粉末是因为其具有许多重要的特性，例如高熔点和高强度以及廉价的价格，这使得混合过程在经济方面非常合适[23]。在过去十年中，对开发此类工艺的需求显著增加，这是当前工作的动机本项目旨在研究和优化工艺参数和添加碳化硅（SiC）粉末对性能输出参数的影响，即在垂直和水平离心铸造过程中获得的亚共晶AlSi合金管件的机械性能和表面质量，采用响应面方法（RSM）和方差分析（ANOVA），这是一种应用于实验设计（DOE）的统计工具，并对实验结果进行分析。通过使用统计计算机程序“Design Expert 11，2017”设计实验2. 实验工作对卧式和真正的立式离心铸造机进行了同样的设计计算选择的实验输入参数是：离心铸造机的类型，其中两个水平和真正的垂直离心铸造机是专门为这项工作设计和制造的，模具旋转速度，其中三个不同的旋转速度被设计为600，920和1240 RPM，并且对于每个实验，添加占总熔融金属重量的0和0.6%的碳化物硅（SiC）粉末，平均颗粒尺寸为95.502公升这些参数被用于水平和和真正的垂直离心铸造实验。所生产的工件为外径127 mm、内径92 mm和长度90 mm的中空圆柱体形状。浇注金属的体积为288.82 cm3，熔融金属的质量= 936g。对于每一个实验。装配制造的水平和真正的垂直离心铸造机与离心铸造模具的制造组件如图所示。1.一、旋转模具的内表面涂有一薄层CaSi固体润滑剂（每个实验使用12g与水混合），以减少在粉末化过程中模具内表面与流动熔融的AlSi合金之间的摩擦，并减少铸造缺陷，以确保达到高流动速度，容易从模具中取出铸件，并实现精加工工件的光滑表面将旋转模具预热至200 °C的温度。对于每个实验，用于固化的模具旋转持续时间固定为5分钟。 熔融过程在使用燃气炉的石墨坩埚中进行，以达到720 °C的熔融温度。在浇注过程中，第一组实验不加入碳化硅微粉，第二组实验每次加入0.6%的碳化硅微粉实施两个铸件样本并进行测试，以确认每个离心铸造实验的结果，包括传统的重力铸造。拉伸试验在Hi-Tech（50 KN容量）拉伸试验机上在室温下进行。施加在所获得的机器模具上的离心力由[24]给出：Fig. 1.制造的装置;（A）卧式离心铸造机，（B）立式离心铸造机和（C）离心模具的装配组件。拉克莱姆¼¼VS.M. 阿里/工程科学与技术，国际期刊22（2019）1125-11351127表1亚共晶AlSi工件材料合金的化学成分硅含量%铜%镁%铁%锌%P %Ga %Cr %镍%铝%6.8803.3700.2250.1530.01140.0130.0120.0010.003雷姆表2试验结果的实验设计（DOE）运行离心铸造机模具转速（RPM）SiC添加量（%）极限拉伸强度ru（MPa）证明（2%）（收益率）应力rf（MPa）伸长率（%）1水平9200101.093.790.92垂直9200.6167.349.431.583垂直9200129.698.251.214水平12400128.373.210.615垂直6000.695.374.720.716垂直6000126.388.210.747水平6000137.789.190.98垂直12400161.9713.210.769水平12400.6102.343.510.7910水平9200.688.455.810.5611水平6000.685.517.090.2412垂直12400.6157.5413.570.74M V2Für1式中，F是作用在机模上的离心力（N），Vm是并产生可热处理的合金。有机硅具有良好的可铸性，由于其是非常硬的相而增加了耐磨性，并降低了热膨胀系数。铜提高高温下的强度（高达~200 °C），模具圆周线速度（m/s），M是熔化金属的质量（克），r是模具中旋转工件圆柱体的平均半径（m）。G因子等于作用在旋转铸造产品上的离心力（CF）除以重力（GF）=M * g（m/s2），并计算为[24]：以提高抗蠕变性。图图2和图3分别示出了在不同模具旋转速度下用于水平和垂直离心铸造工艺制造的亚共晶AlSi合金空心圆柱体工件。所用原材料、模具和颗粒的预热，G因子CFGFMVm2r：Mg2M2R：G石英坩埚蒸发表面水分，在金属熔化期间产生良好的温度梯度[25]，并消除孔隙缺陷[26]。液态金属将保持对模具壁的压力，用相同的G因子来计算圆形路径。对于水平离心铸造，获得最佳机械性能所需的G因子在60 ~ 80之间，而对于立管离心铸造，所需的G因子大于50。3. 实验设计（doe）通 过 使 用 如 表 2 所 述 的 全 因 子 设 计 （ FFD ） 、 响 应 表 面 方 法（RSM）技术和统计软件程序EXPERT 11设计实验设计（DOE）随机有序矩阵，以获得三个输入离心铸造参数的影响，即，研究了离心铸造机的类型、铸型转速和碳化硅（SiC）粉末加入量对AlSi铝合金力学性能的影响，涉及优化和识别最佳参数组合以提高工件质量。进行了两组实验以评价所设计的工艺输出性能参数，即极限拉伸强度、屈服强度（屈服应力）和延伸率4. 结果和讨论含硅亚共晶AlSi7Cu3Mg合金的化学成分经检验后，工件材料含量小于12%，见表1。这些合金用于发动机缸体、活塞、正时齿轮、摇臂、航空航天结构部件和机器零件等。添加元素Si和Cu用于提高室温和高温下的强度。4.1. 铸件的物理和低倍组织研究一般来说，通过目视检查，使用精度为0.05 mm的Vernier滑动量规测量空隙和孔隙缺陷的平均尺寸。可以看出，生产出的工件质量良好，缺陷最少。所用材料和坩埚附件的预热对消除和消除气孔、缩松等铸造缺陷起了重要作用。的前端所生产的工件具有比后端更好的表面质量，如图1和图2所示。2和3在去除渣层后，在旋转模具的内表面上添加CaSi固体润滑剂的涂层薄层，对于避免污染和确保熔化的均匀性起到重要作用[27]。这些图表明，垂直离心铸造生产的工件显示出比水平更好的表面和更少的孔隙质量，因为垂直离心铸造的振动作用通过促进更快的凝固速率对铸造机械性能产生显著影响[14]。铸造参数（压力、温度）也意味着硅在铝中的溶解度的变化。根据Le Chatelier-Braun原理，压力的增加提高了熔点，铸件的密度和消除了气体和收缩孔隙。但是，硅等元素在这种转变过程中体积减小，因此压力的增加降低了它们的熔点，并增加了热导率和结晶潜热值。压力的线性增长¼上午11时28分阿里/工程科学与技术，国际期刊22（2019）1125图二. 采用水平离心铸造方法制备了亚共晶铝硅合金空心圆柱体试样。S.M. 阿里/工程科学与技术，国际期刊22（2019）1125-11351129图三. 采用立式离心铸造方法制备了亚共晶铝硅合金空心圆柱体试样。上午十一时三十分阿里/工程科学与技术，国际期刊22（2019）1125核的速率，因为它影响每单位时间每单位体积产生的核的数量[8]。对于这两种铸造方法，当使用920 RPM的模具速度而不添加SiC粉末时，获得最好的孔隙率，如图1和图2所示。图2和图3c中所示，孔隙度尺寸在其他模具速度下增加，特别是在1440 RPM的模具速度下，如图3a和图3b中所示。2和3（d和e）。当使用较低的模具速度（600 RPM）时，特别是当使用如图1A和1B所示的水平离心铸造工艺时，在外表面的中间处出现空隙。2和3（a和b）。在液态金属上使用低G因子值不能产生足够的离心力抵靠模具壁，特别是在圆形路径的前半部分期间，并且几乎没有熔融材料落入模具腔体内。 在（920 RPM）的结晶器速度下，内表面也具有最低的雨和缩孔缺陷，特别是当使用垂直离心铸造工艺并添加0.6%的SiC粉末时，如图1A和1B所示。2和3（c和d）。4.2. 拉伸试验和力学性能结果根据Hi-Tech拉伸试验机（50 KN容量）和ASTM E8：2016标准，使用1.1 MPa/s的应力速率夹持装置，从每个中空圆柱体制造两个工件拉伸试样，每个中空圆柱体制造成65 × 10 mm的最终尺寸，用于端部弯曲试样拉伸试验试样。拉伸试样通过在铣床上使用圆锯切割器制备，然后通过使用CNC车床完成。表2描述并指定了用于水平和垂直离心铸造设计实验的所生产的试样的机械规格的输入参数和平均结果当使用常规重力铸造工艺时，亚共晶Al-Si合金获得的最大（极限）抗拉强度、屈服应力和伸长率分别为27.6 MPa、12 MPa和3%[28]。采用立式离心铸造、提高铸型速度和G因子值、不加SiC混合粉时，抗拉强度最高可达167 MPa，比常规重力铸造提高355%。采用垂直离心铸造、提高铸型速度和G因子值、添加SiC混合粉时，获得的最大屈服应力为13.6MPa。这意味着获得的屈服应力比使用重力铸造工艺时高13.3%。当结晶器转速为900 RPM，G因子值为53时，采用添加SiC混合粉的立式离心铸造工艺，获得的最大延伸率为1.6%，比重力铸造工艺提高了87.5%。对铸件宏观组织的研究表明，SiC碳化物粉末的加入改善了铸件表面粗糙度，改善了铸件流动性，减少了铸件缺陷，并由于SiC碳化物粉末增加了启动所需晶核的生成，从而提高了屈服强度，降低了延伸率，降低了固化和结晶过程，产生脆性晶体形成，降低拉伸强度。4.3. 实验设计（DOE）和方差分析（ANOVA）如表3所示，在当前产品的实验设计（DOE）中使用了多项式模型类型和二次过程顺序以及方差分析（ANOVA）的线性模型。表4-6分别给出了垂直和水平试验方法的极限抗拉强度（UTS）和离心铸造工艺极限应力的方差分析。预测的R2（总、调整和预测）模型值为0.3271，与调整后的R2值0.5082合理一致;即极限抗拉强度（UTS）值的差异小于0.2。其他预测的R2模型也与调整后的弹性极限应力和伸长率相当一致，预测的R2模型值分别为0.7920和0.7708，调整后的R2分别为0.9289和0.9624立式离心铸造过程的最终预测方程，根据实际因素，可用于预测原始单元中每个因素给定水平的响应，为：1= ±UTS±UTS 0： 009285- 0： 000026 G系数0： 000246 SiCadding SiC 300模具旋转速度模具旋转速度模具旋转速度—3： 34216 SiC添加剂证明 stress转速3：00171 - 0：009866模具转速— 0： 858003 SiC添加— 134410模具旋转速度ωSiC添加量为15000弹性极限应力1/4/5： 42475G系数0： 077882— 0： 518580 SiC添加剂0： 007175 G系数立式离心铸造用ωSiC添加剂ð6Þ证明 应力/应变10：51192 - 0：089220 G系数— 0： 399135 SiC添加剂0： 007175 G因子卧式离心铸造用ωSiCð7Þ伸长率1： 01953— 0： 000293模具旋转速度— 0： 058490 SiC添加<$0： 000111模具转速立式离心铸造用ω表3采用立式离心铸造法，对不同G值下的极限抗拉强度进行源平方和DF均方f值p值模型5209.1531736.383.440.0421显著A-G因子1392.4411392.442.760.1353B-SiC添加656.081656.081.300.2873C型离心铸造机3160.6313160.636.260.0368残余4038.698504.84Cor合计7247.8411S.M. 阿里/工程科学与技术，国际期刊22（2019）1125-11351131表4采用立式离心铸造，在不同铸型转速下，对极限拉伸强度（UTS）结果进行源平方和DF均方f值p值模型6580.1132193.374.720.0352显著A-模具旋转速度1382.8511382.852.980.1227B-SiC添加1171.8911171.892.520.1508C型离心铸造机4147.0914147.098.930.0174残余3715.038464.38失拟3715.037530.72纯误差0.000010.0000Cor合计10295.1311表5对水平离心铸造在不同G值下的屈服应力进行了方差源平方和DF均方f值p值模型127.42621.2412.360.0072显著A-G因子2.4712.471.440.2846B-SiC添加0.197010.19700.11460.7487C型离心铸造机ABAC54.074.55154.0731.460.002568.49114.5568.492.6439.850.16480.0015BC0.385210.38520.22410.6559残余8.5951.72Cor合计136.0211表6对水平离心铸造在不同铸型转速下的弹限应力进行了方差源平方和DF均方f值p值模型133.28622.2124.960.0014显著A-模具旋转速度0.240110.24010.26980.6256B-SiC添加5.9115.916.640.0496C型离心铸造机26.69126.6929.990.0028AB4.8814.885.490.0662AC68.50168.5076.990.0003BC1.8711.872.100.2067残余4.4550.8898延伸率1/40： 921927- 0： 000129模具转速-0： 146128 SiC添加<$0： 000111模具转速水平离心铸造用ωSiC添加剂延伸率1/20： 973213- 0： 002091 G系数-0： 071075 SiC添加剂0： 000997 G系数ð9ÞG因子值较高，不使用添加的SiC混合粉。结果表明，在垂直离心铸造时，采用较高的结晶器速度和较高的G因子值，可获得最大的屈服应力（在最终试验长度的2%处）。当结晶器转速为920转/分、G因子值为56、加入SiC混合粉、立式离心铸造时，延伸率最大。铝合金的抗拉强度、弹性极限应力和伸长率等力学性能因材料的不同而有很大的差异工艺参数如浇注温度、模具速度、压力ωSiC添加量为1000g通过使用全因子（FFF）响应曲面法（RSM）和Design Expert11，2017解决方案，使用输入参数值实施垂直真实和水平离心铸造实验模型后获得的极限抗拉强度（UTS）见图2。分别为4和5。这些图分别示出了水平和垂直离心铸造输入参数对输出强度性能参数的影响的3D图。“非线性”效应因其较小的值而这些曲线表明，当使用具有较高结晶器速度涂层加热温度和导热系数[2]。离心压力通过降低孔隙率和晶粒尺寸、增加密度和改性Si共晶合金显著提高铸件的机械性能[14]。化学成分和显微组织形态影响铸造铝硅合金的力学性能。 Si相表现出粗糙的微观结构，导致断裂行为和较差的机械性能，这取决于富Fe金属间化合物的存在、共晶硅相的形态和二次枝晶臂间距（SDAS）[14]。结果表明，由于凝固过程中离心力的作用，结晶器转速越高，抗拉强度、硬度和致密度越高上午1132时阿里/工程科学与技术，国际期刊22（2019）1125见图4。 立式离心铸造工艺参数影响的三维图。金属[2]。由于碳化物材料抵抗合金的变形并增加了建筑物显微组织滑动面方向的障碍，因此随着SiC颗粒的加入，弹限强度增加SiC颗粒的加入缩短了凝固时间，因为SiC颗粒在凝固过程中形成了大量的晶核，对二次枝晶臂间距（SDAS）的微观结构、孔隙的分布和大小有很大的影响。此外，石墨坩埚由于冷却速度非常慢，导致试样的粒度增大，从而提高了延展性和耐磨性[16]。采用720 °C的浇注温度具有显著的效果，通过减少凝固时间来防止出现晶粒粗化的柱状结构，从而获得更高的机械性能，从而降低极限拉伸强度[2]。由于在工件外表面上使用太高的速度，会导致过度的热裂和应力5. 数值优化图1和图2示出了垂直和水平离心铸造工艺参数在极限抗拉强度、屈服应力和延伸率方面所使用的参数的实际值的数值优化。6和图7 结果表明，采用立式离心铸造和卧式离心铸造，其抗拉强度（UTS）分别达到200和132 MPa，即试验结果分别提高20%和4%。对于极限应力，采用立式和卧式离心铸造的最佳值分别提高了6%和0%，对于延伸率，采用立式和卧式离心铸造的最佳值分别提高了28%和19%。S.M. 阿里/工程科学与技术，国际期刊22（2019）1125-11351133图五. 水平离心铸造工艺参数影响的三维图。见图6。立式离心铸造的数值优化。上午11时34分阿里/工程科学与技术，国际期刊22（2019）1125见图7。水平离心铸造的数值优化。6. 结论通过对亚共晶铝硅合金空心圆柱形加工件的研究、生产、检验和质量改进，得出以下结论：1. 当在920 RPM的模具速度下使用水平和真正的垂直离心铸造工艺并且不添加SiC粉末时，获得了最好的孔隙率。孔隙尺寸随着模具速度的提高而增加，特别是在1440 RPM时。2. 当使用垂直离心铸造工艺时，在920 RPM的模具速度下获得最佳生产的铸造表面。在此结晶器速度下，所生产的工件内表面的缩孔和雨状缺陷最少，特别是在AlSi合金中加入6%SiC微粉时。3. 采用立式离心铸造、较高的铸型速度和G因子值、不添加SiC混合粉时获得的最大抗拉强度达到167 MPa，即与传统的重力铸造工艺相比增加了355%。4. 采用垂直离心铸造、提高铸型速度和G因子值时，加入SiC混合粉，获得的最大屈服应力达到13.6MPa。这意味着获得的屈服应力比使用重力铸造工艺时高13.3%。5. 当结晶器转速为900 RPM，G因子值为53，采用添加SiC的混合粉末，采用立式离心铸造时，获得了最大的延伸率，达到1.6%，即比使用重力铸造工艺提高了87.5%。确认作者感谢审稿人的积极观察和宝贵意见，这些意见对改进、丰富和支持本文的质量非常有用。所介绍的工作是在伊拉克技术大学和Kerbela大学的框架内开展的。引用[1] S. 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