复合处理对A356铝合金导热与性能影响研究

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随着新能源汽车行业的快速发展,电控、电池、电机(简称:三电系统)作为新能源汽车的核心组件日趋轻量化、集成化和精密化,高功耗的电气系统对承载结构材料导热性能也提出了更高的要求。与传统钢材相比,铝合金具有比强度高、导热性能良好、密度小等优点,是新能源汽车三电系统结构件的理想材料。同时,液态成型因具有产品尺寸精度高、金属液利用率佳、充型平稳、致密度高等优点,成为当前新能源汽车行业薄壁复杂结构件重要生产工艺之一,特别是低压铸造工艺具备较高的充型和补缩能力,完美的符合了薄壁复杂壳体结构件的制作工艺需求。本文针对新能源汽车三电系统结构件需求,在A356铸造铝合金基础上,探索通过在Sr/B变质处理基础上通过Sm添加及时效处理提高其导热性能与力学性能的途径;其次,在复合处理材料优化基础上,以薄壁板试样为实验对象,对薄壁板试样液态成型金属模具及工艺进行优化;然后,对优化后的材料液态成型性能进行了研究,探索影响薄壁板试样组织、导热及力学性能的影响因素。主要工作与结果如下:(1)以铸态Sr/B变质A356铝合金为研究对象,研究变质元素Sm和低温时效处理对合金组织、导热与力学性能的影响,优化出导热性能与力学性能都较佳的变质A356合金。结果表明:随Sm元素添加量的逐步增大,合金的力学性能呈先增大后减小的变化趋势,同时热导率呈小幅度的下降趋势。当Sm添加量为0.6wt.%时,铸态Sr/B复合变质A356铝合金的变质效果最好,合金晶粒细化效果明显,拉伸性能显著提升,抗拉强度和伸长率分别为203.7MPa和8.4%,此时合金的热导率为159 W/(m·K);对铸态Sr/B复合变质A356铝合金进行适当的低温时效处理,合金中将析出部分固溶于基体中的溶质原子,降低晶格畸变,显著提升材料的导热性能,随时效处理时间的延长,铸态Sr/B复合变质A356铝合金热导率呈增长的趋势,拉伸性能呈小幅度下降的趋势,当时效处理10h时,合金的热导率为196.7 W/(m·K),同时合金的抗拉强度为180.5MPa、伸长率为3.2%。相比商用A356铝合金,其抗拉强度和热导率得到显著提升。(2)在前期研究基础上,采用有限元分析方法,对A356铝合金薄壁板试样低压铸造成型模具及工艺进行了优化。分析所得最优的低压铸造工艺参数为:升液压力40k Pa,升液速度50 mm/s,充型压力50 k Pa,充型速度115 mm/s,保压压力70 k Pa,保压增压速度5k Pa/s,金属液温度700℃,铸型温度450℃。同时运用有限元软件进一步分析了重力浇铸与低压铸造工艺对铝合金薄板件充型、凝固过程的影响。模拟分析结果如下,重力浇铸过程中铝液充型不平稳以及凝固时补缩不足,容易产生困气、缩孔等缺陷;而低压铸造过程中铝液充型平稳且凝固时补缩充分,使得板件成型后整体质量高及缩孔缩松缺陷少。(3)基于所优化的复合处理A356铝合金组份和薄壁板试样成型工艺分析结果,进行了铝合金薄板重力浇铸与低压铸造实验,对比研究了两种成型工艺对铝合金薄板件充型和凝固结果的宏观影响,并对其组织与性能进行分析。结果表明,重力浇铸铝合金薄板存在成型工艺控制一致性较差问题,最终导致薄板卷气位置及表面浇注质量存在较大差异,板件合格率较低,实验样品一致性较差,薄板件近浇口与远浇口区域组织及性能存在较大差异,其中重力浇铸A356合金薄板近浇口与远浇口区域的平均晶粒尺寸分别为55μm、24μm;平均抗拉强度和平均伸长率分别为92.6MPa、115.3MPa、7.5%、13.7%;热导率分别为108.3W/(m·K)、124.5W/(m·K)。重力浇铸0.1B-0.15Sr-0.6Sm-A356合金薄板亦同样如此,近浇口与远浇口区域的平均晶粒尺寸分别为65μm、33μm;平均抗拉强度和平均伸长率分别为105.1 MPa、120.8MPa、8.3%、14.8%;热导率分别为127.8W/(m·K)、145.2 W/(m·K)。而低压铸造薄板件表面光滑,且无明显卷气、缩孔缩松等缺陷,工艺稳定性较好,薄板件近浇口与远浇口区域组织与性能变化较小,其中低压铸造0.1B-0.15Sr-0.6Sm-A356合金薄板近浇口与远浇口区域的平均晶粒尺寸分别为48μm、37μm;平均抗拉强度和平均伸长率分别为130.7 MPa、134.5MPa、13.0%、14.0%;热导率分别为129.3 W/(m·K)、132.7 W/(m·K)。低压铸造0.1B-0.15Sr-0.6Sm-A356合金薄板整体性能低于重力浇铸0.1B-0.15Sr-0.6Sm-A356合金薄板的主要原因为坩埚混料不均,合金变质效果不明显。
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