1．目的及意义

1. 课题的目的及意义

1.1 目的

近些年来，随着工业的发展，环境以及能源问题逐渐成为了专业们所重视的方面，而在汽车领域，轻量化则是实现节能环保的有效途径。^[1]而轻量化指的是在保证强度和安全的前提下，尽可能地降低车身的质量从而提高汽车的动力性和经济性，从而达到节能减排的目标。^[2]20世纪以来，安全、节能、环保法规日趋严格，根据陈家瑞研究的数字显示，如果汽车整车质量降低 10%，燃油效率可提高6%～8%，则尾气排放则减少7%，耐久性疲劳则减少50%，安全减少10%的动能，制动距离也会缩短，出于以上的益处，汽车轻量化已经是成为了提高车企的竞争力的核心。^[3] 何威经研究发现实现轻量化目标的主要有效方式有采用新型材料、优化工艺设计和采用新技术进行结构设计。^[4] 汽车连杆的强度、刚度及质量对提高发动机的动力性和质量性以至于达到汽车轻量化的要求。

2A14铝合金是镁-铝-铜系锻造铝合金，可用热处理进行强化，其密度小，强度高以及焊接性能好等优点，其标准如下：

牌号	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Ni	Zn	Ti
2A14	0.6-1.2%	0.7%	3.9-4.8%	0.40-1.0%	0.40-0.80%	0.10%	0.30%	0.15%

抗拉强度	伸长率	硬度
480Mpa	19%	135HBW

（GB/T3190-1996）

锻造温度：^[3]

始锻	终锻	保温时间
460℃	360℃	1.5min/mm

热处理规范：^[3]

固溶温度	时效温度及时间
499℃----505℃	T6:150—160℃，4—15h

由于具有良好的综合力学性能（抗拉强度480Mpa,伸长率为19%，硬度为135HBW），因此已成功地用于生产发动机连杆。^[5]在进行大批量连杆生产时，常采用模锻成形的方法，然而采用铝合金挤压坯料生产形状较为复杂、筋条窄小、腹板较薄的模锻件时，由于坯料在挤压变形后存在的粗晶环会遗留在锻件表层，并随着加热而长大，从而导致模锻件的强度、抗震性以及疲劳强度降低。^[6]因此未防止这一问题，在坯料的选择上则采用铸造坯料，通过采用小规格的铸锭，消除了晶粒粗大的问题。但2A14铝合金的再结晶温度范围广，铸造性能差，易于产生气孔、缩松、热裂及氧化夹渣等问题。^[7]

叶茂等认为2A14铝合金的强化的机理是使 θ 相等溶解，然后快速冷却，合金中 的相来不及析出，从而得到过饱和固溶体，然后对固溶态的合金进行时效处理，时效过程中在合金中析出沉 淀相，弥散分布在基体上，使合金得到强化。^{[8] ]}

潘复生经研究发现脱溶强化相的种类主要取决于铜和镁的比值，因此也出现了两种不同的脱溶序列。第一种是GP区→S’(Al2CuMg)→S（Al2CuMg）；第二种则是GP区→θ”→θ’→θ。杂质中的铜可以与其他元素参与形成强化相，消除Mn元素所带来的各向异性；而Mn元素能对粗晶环的产生起到阻碍作用，通过固溶强化改善合金的力学性能。但Mn含量不宜过高，当大于1％时，就容易形成粗大脆性的化 合物。Ti元素能降低铸造和焊缝组织的晶粒尺寸。适量的Zn可以降低合金 时效硬化速率。Fe元素能防止淬火加热造成的再结晶晶粒迅速长大，但Fe元 素含量超过0．8％时会出现粗大的杂质(FeMn)A16相，降低合金塑性。^[3-8]

刘娟、兰箭经过在固溶和时效之间加一道冷变形工序发现冷变形引入的高密度位错对于时效析出行为的影响规律十分复杂，首先，位错密度的增加，导致溶质原子易于在位错线上偏聚，为时效析出相提供有利的形核位置，可以促进合金时效的析出过程，提高合金的强度，同时，新相的形成往往又对位错等缺陷的运动起到钉扎、阻滞等作用，使金属缺陷更加稳定。^[9]

因此通过在传统的固溶、时效之间加一道冷变形工艺，既可以提高它的强度，同时也可以解决缩松、热裂等问题。

1.2 意义

2A14铝合金连杆则是采用减低连杆的工艺所需的能源从而达到节能环保、减低成本的目的。通过此方式降低能源，可以节省下制造业大额度用电量，有利于减轻我国目前对于火力发电的大规模使用，并且起到保护环境的作用；同时缩短铝合金锻件人工时效时间4.3小时，节省电量4.73度，推广到我国年均2400万辆的汽车产量，每年为我国汽车制造工艺节省电量1.1352×10⁴万度，去除新增模具成本，可节省2.2亿元 。^[10]

1.3 国内外现状

汽车发动机的连杆用材逐渐趋于高强度、轻量化、低成本发展，我国的发动机连杆的制造技术与国外差距不大，但是轻量化与国外技术相比仍有一定差距。为了不断提高连杆的疲劳强度，取材时需要分析综合力学性能以及工艺性能。^[10]

徐燕茹经研究发现可以制作连杆的材料有： 《金属材料物理性能手册》

合金	铸钢	碳素钢	钛合金	铝合金
密度克/厘米3	7.8	7.85	4.5（钛原料）	2.7（铝原料）

碳素钢和合金钢，是连杆通常采用的材料，中小功率发动机采用碳素钢，大功率的发动机一般采用合金钢；非调质钢，它的强化机理是在中碳钢的基础上加上矾、钛、铌等微量合金元素，通过调节轧制和锻造过程中的冷却速度，在基本的元素组成出现碳、氮的化合物，这些物质使材料的强度得到强化； 钛合金连杆，它主要是考虑发动机的轻量化的因素，采用了密度为 4.5g/cm3 的金属钛原料，这种材料的密度仅为钢材密度的 58%，所以采用钛合金材料制造发动机连杆可以大幅度的降低连杆的质量。铝合金连杆，铝的密度低，但其强度较高，接近或超过优质钢，塑性好且具有良好的导电性、导热性及抗蚀性。考虑到发动机轻量化的问题，采用了密度为2.7×10sup3;的金属铝原料，仅为钢铁的密度的34%，所以可以达到大幅度降低连杆的质量。^[10]因此，用铝合金为原料生产连杆已经成了发展趋势。

何约洁在工艺制造方面进行了研究：

连杆毛坯制造方式	铸造连杆	模锻连杆	粉末冶金连杆
优点	铸造连杆具有设计灵活、尺寸接近连杆成品尺寸、加工性能好、工作可靠以及成本低[11]	性能可靠、检验手段比铸造连杆简单，适合大批量生产[11]	在硬度、强度以及耐磨性方面占据优势。[11]
运用范围及质量	汽车发动机连杆主要采用铸造连杆[11]	轿车发动机 模锻连杆质量差的为2.5 %.[11]	粉末冶金连杆质量差的为1%。[11]

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2. 研究的基本内容与方案

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2.1 研究目标

对连杆锻造后续的变形热处理工艺过程进行仔细研究和优化，以便工程开发。

2.2 主要内容

材料：2A14铝合金

内容：2A14 铝合金是典型的 Al-Cu-Mg-Si 系合金，可进行热处理强化。^[12] 合金具有良好的锻造性能、耐热性能，中等的塑性，强度也高，其工作温度在 150～180℃。^[13-15]

2A14铝合金热处理变形经过两种脱溶脱溶序列：第一种是GP区→S’(Al2CuMg)→S（Al2CuMg）；第二种则是GP区→θ”→θ’→θ。^[5-26-27]其会发生固溶强化（合金元素加入纯铝中，形成铝基固溶体，起固溶强化作用，使其强度提高。铝的合金强化一般都形成有限固溶体，且都具有较大的极限溶解度。）、时效强化（铝合金的热处理强化，主要是由于合金元素在铝中有较大的固溶度且随温度降低而急剧减少，故铝合金加热到一定温度淬火后，可以得到过饱和的铝基固溶体，这种过饱和的铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时，其强度、硬度随时间的延长而提高，塑性韧性而降低。）、细晶强化（在铝合金中添加微量合金元素细化组织，提高机械性能。）^[16-29] 其中最为主要的强化机制为时效强化，因此缩短时效时间可以达到强化且节能的目的。

为了达到轻量化的目的以节能环保、降低成本提高利润2A14铝合金连杆有两种方案，第一种是通过改善优化工艺设计从而使连杆在锻造上降低其成本；第二种是降低制造时所消耗的能源，从而达到汽车轻量化的要求。但是连杆用于发动机，因此也必须要求具有较高的强度。^[7]

工艺方案：根据平秀民对LD10铝合金端框的研究，L D 1 0 锻件淬火后冷锻变形控制在2 . 5 %~ 4 . 2 % ,大大降低了材料淬火后的应力。^{[17-22-28-29-30]} 连杆是由模锻的方式生产的，为了节约成本，我选用之前的锻造模具。出于以上的考虑，固溶、冷锻、时效是一个有效途径。且为了使变形保持均匀一致性，在淬火前应车平冷压面，并冷压时在工件表面涂抹润滑油。^[17] 2A14铝合金在300℃-500℃具有足够高的塑性。^[18] 查表得出2A14铝合金锻造温度（始锻：460℃，终锻：360℃，保温时间：1.5min/mm）、再结晶温度大概是420℃，因此锻造温度选用400℃。^[19]

冷变形量随着时效时间的降低而增加。根据李俊、易幼平的研究表明当固溶时间为时效时间为160℃-8h时，铝合金的强度、塑性最优。因此选择冷变形量为4%。^[20-30]

2.3、技术方案

1.先对试验材料进行X射线荧光光谱分析，分析其成分及MgCu的比值，根据相图确定其脱溶序列。

2.进行固溶处理。

3.进行冷锻处理，变形量为4%。

4.进行人工时效处理。

5.用XRD分析其位错密度变化，观察其微观组织演变。

6.用UG软件建立工件模具模型，并用DEFORM软件进行模拟分析。

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1．目的及意义

1. 课题的目的及意义

1.1 目的

近些年来，随着工业的发展，环境以及能源问题逐渐成为了专业们所重视的方面，而在汽车领域，轻量化则是实现节能环保的有效途径。^[1]而轻量化指的是在保证强度和安全的前提下，尽可能地降低车身的质量从而提高汽车的动力性和经济性，从而达到节能减排的目标。^[2]20世纪以来，安全、节能、环保法规日趋严格，根据陈家瑞研究的数字显示，如果汽车整车质量降低 10%，燃油效率可提高6%～8%，则尾气排放则减少7%，耐久性疲劳则减少50%，安全减少10%的动能，制动距离也会缩短，出于以上的益处，汽车轻量化已经是成为了提高车企的竞争力的核心。^[3] 何威经研究发现实现轻量化目标的主要有效方式有采用新型材料、优化工艺设计和采用新技术进行结构设计。^[4] 汽车连杆的强度、刚度及质量对提高发动机的动力性和质量性以至于达到汽车轻量化的要求。

2A14铝合金是镁-铝-铜系锻造铝合金，可用热处理进行强化，其密度小，强度高以及焊接性能好等优点，其标准如下：