活塞鑄造工藝對(duì)鑲?cè)︷そY(jié)的影響淺析

■趙春芝，孫淑霞，王秀金

活塞鑄造工藝對(duì)鑲?cè)︷そY(jié)的影響淺析

■趙春芝，孫淑霞，王秀金

摘要：在鋁合金活塞中鑲嵌耐磨鑲?cè)κ菑?qiáng)化活塞環(huán)槽常用方法之一，但這給活塞鑄造工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程增加了很多控制要求。按活塞鑄造工藝流程，從工藝設(shè)計(jì)和過程控制的角度，詳細(xì)分析了活塞鑄造各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)鑲?cè)︷そY(jié)質(zhì)量造成的影響。

在內(nèi)燃機(jī)中，活塞是工作強(qiáng)度最大、環(huán)境最惡劣的部件之一，不但要承受來自頂部高溫、高壓及交變載荷的沖擊，還要承受因高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生超過其自重幾百倍的慣性力。在鋁合金活塞中鑲嵌的耐磨鑲?cè)Γㄒ妶D1）具有耐高溫、耐磨損的特點(diǎn)，可有效克服活塞第一、第二環(huán)槽區(qū)域由于高溫而使鋁合金硬度大幅下降，導(dǎo)致鋁環(huán)槽極易磨損而縮短使用壽命的缺陷。

因此，鑲?cè)钊粡V泛應(yīng)用于高性能、大功率的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中。目前，很多活塞生產(chǎn)廠家均已掌握并推廣了該項(xiàng)技術(shù)。但近年來，隨著活塞鑄造機(jī)械化程度的提高，活塞鑲?cè)Τ暡z測(cè)缺陷率居高一直是制約生產(chǎn)的一個(gè)重要因素，如何提高鑲?cè)εc鋁合金基體的結(jié)合強(qiáng)度是鑲?cè)钊圃旒夹g(shù)上的一個(gè)難題。本文從生產(chǎn)實(shí)踐角度就影響鑲?cè)︷そY(jié)強(qiáng)度的主要因素進(jìn)行分析研究。

1. 耐磨鑲?cè)Ρ砻婕庸べ|(zhì)量的影響

耐磨鑲?cè)ι系匿X滲透層的厚度與鑲?cè)Ρ砻婕庸べ|(zhì)量有關(guān)，特別是表面粗糙度。通過用不同表面粗糙度的鑲?cè)υ诓煌瑵B鋁溫度、相同滲鋁時(shí)間情況下做滲鋁試驗(yàn)，檢測(cè)滲透層的厚度（見圖2）。從試驗(yàn)結(jié)果看，鑲?cè)Ρ砻娲植诙葦?shù)值越低，滲透層就越薄，滲鋁質(zhì)量也就越好。

表面粗糙度值低，鋁合金液黏附在鑲?cè)Ρ砻婢驮奖≡骄鶆?，因此鑲?cè)Ρ砻娲植诙戎低ǔ？刂圃?.2μm以下。

2. 耐磨鑲?cè)Ρ砻媲鍧嵍鹊挠绊?/h2>

鑲?cè)Ρ砻娴那鍧嵆潭戎苯佑绊懙綕B鋁的質(zhì)量。鑲?cè)Ρ砻嫔系匿P斑、油漬或灰塵，都會(huì)在鑲?cè)Ρ砻嫘纬筛裟?，使鑲?cè)Τ霈F(xiàn)局部未滲等缺陷，影響鋁滲透層的成膜率。因此，鑲?cè)Ρ昏T入鋁活塞前要進(jìn)行凈化處理，不能再徒手拿取，并要進(jìn)行密封包裝和干燥儲(chǔ)存等防銹措施；同時(shí)工藝規(guī)定了凈化處理到鑄入活塞的時(shí)間間隔不得過長(zhǎng)，否則要重新進(jìn)行凈化處理。

3. 滲鋁溫度對(duì)鑲?cè)B鋁質(zhì)量的影響

從相關(guān)鐵鋁二元相圖上可見，在低溫時(shí)，鐵在鋁中的溶解度是較低的。滲鋁溫度低于670℃，對(duì)于共晶鋁合金來說已難以形成有效的擴(kuò)散層。即使將滲鋁溫度升至690℃，仍然有相當(dāng)一部分鑲?cè)ξ礉B上鋁液，或肉眼看滲鋁良好但經(jīng)超聲波檢測(cè)仍顯示缺陷，因此滲鋁溫度不能偏低。

滲鋁溫度高不僅利于鋁原子向鑲?cè)Ρ韺訑U(kuò)散，形成足夠厚度的滲透層；另外，滲鋁溫度高，鑲?cè)﹁T入過程中，鑲?cè)Ρ砻鏆埓娴臐B鋁液易于被沖刷走，過渡層就會(huì)比較薄，這對(duì)鑲?cè)Φ慕Y(jié)合強(qiáng)度是有利的。反之，如果滲鋁溫度過高也會(huì)對(duì)鑲?cè)B鋁產(chǎn)生不利影響，研究證明滲鋁溫度超過760℃，不僅會(huì)加劇鋁液表面的氧化，更重要的是在滲透層中硬而脆的鐵鋁化合相會(huì)增加，反而影響鑲?cè)Φ慕Y(jié)合強(qiáng)度。實(shí)踐證明，滲鋁溫度控制在715～745℃時(shí)，滲鋁效果最佳。

4. 滲鋁時(shí)間對(duì)鑲?cè)B鋁質(zhì)量的影響

鑲?cè)B鋁時(shí)間的長(zhǎng)短也會(huì)影響滲鋁質(zhì)量。在一定滲鋁溫度下，滲透層的厚度與滲鋁時(shí)間呈正線性關(guān)系，但當(dāng)滲鋁時(shí)間超過一定時(shí)限后，滲透層厚度增加速度便趨于緩和。滲鋁時(shí)間過短，就形不成完整的滲透層或滲透層太薄，會(huì)影響結(jié)合強(qiáng)度。相反，滲鋁時(shí)間過長(zhǎng)，鑲?cè)χ械蔫F原子會(huì)擴(kuò)散到滲鋁液中，使?jié)B鋁液中的含鐵量增加，反而影響鑲?cè)Φ臐B鋁質(zhì)量，且滲透層中硬而脆的鐵鋁化合相會(huì)增加，也將影響鑲?cè)Φ慕Y(jié)合強(qiáng)度。因此，滲鋁時(shí)間一般控制在2～3.5min。

5. 鑲?cè)钊T造工藝對(duì)鑲?cè)Y(jié)合質(zhì)量的影響

眾所周知，手工鑄造工藝是活塞頂部朝下成形，機(jī)械鑄造工藝是活塞頂部朝上成形（見圖3）。通過研究發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)制和手工鑄件在結(jié)構(gòu)上的差異和鑲?cè)潭ǚ绞降牟煌ㄒ妶D4），造成活塞鑄造工藝因素對(duì)鑲?cè)Y(jié)合存在很大的影響，并直接導(dǎo)致了鑲?cè)Y(jié)合強(qiáng)度的差異及鑲?cè)θ毕菪问降牟煌?/p>

圖11. 活塞本體　2. 氣環(huán)耐磨圈　3. 油環(huán)耐磨圈4. 鑲鋼片　5. 銷孔

圖2

圖3

圖4　鑲?cè)潭ǚ绞?/p>

（1）鑲?cè)χЪ軐?duì)鑲?cè)Y(jié)合強(qiáng)度的影響鑲?cè)υ跈C(jī)制模具內(nèi)的狀態(tài)與手工模具不同。工藝設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)模具時(shí)，為保證鑲?cè)νS度要求，δ1、δ2的設(shè)計(jì)尺寸很小，由于“零”間隙的存在，在保證了鑲?cè)νS度的同

時(shí)，也對(duì)鑲?cè)Φ慕Y(jié)合帶來不利影響。生產(chǎn)中模具溫度較低，一般在250～400℃，而鑲?cè)﹁側(cè)肽＞邥r(shí)的溫度在660～720℃。由于鑲?cè)εc模具間存在較大的溫度差，鑲?cè)εc支架之間在較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生劇烈熱交換，以達(dá)到溫度平衡。這樣，鑲?cè)εc支架接觸部位的局部溫度會(huì)迅速降低，形成一個(gè)低溫區(qū)域。而鑲?cè)Φ酿そY(jié)強(qiáng)度對(duì)鑄入溫度是極為敏感的，溫度越低，黏結(jié)強(qiáng)度越低。我們的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明了這一判斷，通過對(duì)鑲?cè)o損檢測(cè)廢品的剖切分析，發(fā)現(xiàn)鑲?cè)υ谂c支架接觸的部位會(huì)出現(xiàn)一個(gè)顏色和亮度與其他部位截然不同的弧狀暗影區(qū)（見圖5），而這恰恰是鑲?cè)o損檢測(cè)缺陷區(qū)域，且所占比例比較大。

（2）鑲?cè)﹁T入方式對(duì)鑲?cè)Y(jié)合強(qiáng)度的影響由于機(jī)制和手工活塞模具結(jié)構(gòu)上的差異，以及鑲?cè)﹁T入方式不同，也會(huì)直接導(dǎo)致鑲?cè)Y(jié)合強(qiáng)度的差異和鑲?cè)θ毕菪问降牟煌?。我們通過試驗(yàn)剖析，發(fā)現(xiàn)機(jī)制和手工產(chǎn)品鑲?cè)Ω鞣N廢品形式所占比例有很大差別（見附表）。

為什會(huì)出現(xiàn)上述這種差別呢？由圖5比較看，手工模具：活塞頂面向下，鑲?cè)ξ挥谀＞呦露?。在澆注過程中，鑲?cè)κ冀K受到高溫鋁液的沖刷，并且該部位處于熱節(jié)處，鋁液溫度高，鑲?cè)Ρ砻鏆埓娴臐B鋁液和氧化物會(huì)在澆注過程中被沖刷或重熔，在高溫鋁液沖刷下脫離鑲?cè)Ρ砻?。而機(jī)制模具則不然，由于活塞頂面向上，鑲?cè)ξ挥谀＞叩纳隙恕Ｔ跐沧⑦^程中，只有在澆注后期鑲?cè)Σ艜?huì)受到相對(duì)較高溫度鋁液的沖刷，而此時(shí)鑲?cè)囟纫汛蟠蠼档?。雖然該部位也處于熱節(jié)處，但鋁液在上升過程中因熱量散失而溫度已經(jīng)降低，并且鋁液表面形成的氧化物，會(huì)在鋁液上升過程中黏附在鑲?cè)ι?，致使鑲?cè)Ρ砻骛じ礁鄪A雜物和氧化物（見圖6），這樣極不利于鑲?cè)εc鋁合金基體的黏結(jié)，因此機(jī)制活塞鑲?cè)o損檢測(cè)的缺陷部位往往出現(xiàn)在活塞裙部方向。

6. 固溶處理對(duì)鑲?cè)Y(jié)合質(zhì)量的影響

我們知道，機(jī)制和手工模具鑲?cè)﹁T入的固定方式截然不同。手工模具采用“凹環(huán)槽”鑲?cè)敕绞?，鑲?cè)εc鋁合金基體黏結(jié)的4個(gè)接觸面均被鋁所包容。而機(jī)制模具采用的是“凸環(huán)岸”鑲?cè)敕绞?，在支架位置，鑲?cè)εc鋁合金基體黏結(jié)的4個(gè)接觸面中，最重要兩個(gè)側(cè)面外緣在支撐點(diǎn)位置均處于“裸露”狀態(tài)（為保證鑲?cè)νS度，δ1、δ2的設(shè)計(jì)尺寸較?。?。正因?yàn)槿绱耍捎阼側(cè)弯X合金基體兩種材料膨脹系數(shù)不同，在固溶-淬火處理時(shí)，活塞毛坯驟然降溫，在鑲?cè)Α奥懵丁辈课坏耐饩墪?huì)產(chǎn)生“縮裂”，如果“縮裂”達(dá)到一定深度，又不能完全被加工切除，就會(huì)影響到鑲?cè)Φ慕Y(jié)合質(zhì)量。通過試驗(yàn)剖切分析發(fā)現(xiàn)，鑲?cè)εc支架接觸的位置有一片暗褐色區(qū)域，這恰恰是鑲?cè)o損檢測(cè)缺陷所在位置。

7. 結(jié)語

綜上所述，鑲?cè)钊T造過程的各個(gè)工序，無論是對(duì)手工還是對(duì)機(jī)制活塞鑲?cè)Y(jié)合都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，只有對(duì)先期工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的過程控制進(jìn)行深入研究，采取必要有效的技術(shù)措施，才會(huì)減弱或消除這些不利因素對(duì)鑲?cè)Y(jié)合質(zhì)量的影響。

圖5

圖6

手工、機(jī)制鑲?cè)θ毕菪问奖容^分析（產(chǎn)品型號(hào)：6113XX-X）?。?）

20150420

作者簡(jiǎn)介：趙春芝、孫淑霞、王秀金，山東濱州渤?；钊煞萦邢薰?。