鋁活塞針狀氣孔缺陷分析及改進措施

丁貴才

摘 要：文章主要針對柴油機鋁活塞氣孔存在的缺陷問題進行分析，并且依據實際情況提出了一些相應的改進措施，以保證鋁活塞的質量，降低廢品率，提高資源的綜合利用率。

關鍵詞：鋁活塞；針狀氣孔；缺席及改進措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.040

文章主要以某廠所生產的鋁活塞為例進行分析。大功率柴油機在制造中對鑄件的要求較為嚴格，工作人員經研究發現，鋁活塞廢品率較高的主要原因是銷孔位置出現針狀氣孔，存在較大缺陷，導致整體設備不能正常使用，整體資源利用效率較低。

1 鋁活塞概述

鋁活塞在制造中主要是以鋁合金為基礎材料，其中包括：0.8～1.4%的富砷混合稀土元素及Sn、Pb、Zn、Cr、Ti微量金屬元素。在熔煉工作中，稀土元素和合金元素相互作用，就可以形成多種稀土化合物，并且所形成的合金組織勻稱，線膨脹系數小，強度大，穩定性都較好，可加工性較強，抗拉強度大于等于275N/mm2，硬度為：HBS95-135。通常來說，鋁活塞的工作環境為：高壓、高溫、高速，在工作中鋁活塞都是和高壓氣體直接進行接觸，溫度可以達到2500℃，并且散熱條件較差，所以活塞頂端所承受的氣體壓力較大，此時活塞就會產生沖擊力，還會受到側面壓力。活塞在氣缸中的運行速度為8-12m/s，并且速度在不斷變化，由于所產生的慣性較大，就會導致活塞在運行中出現很大的加載荷，進一步對活塞的使用壽命造成較大影響。在我國汽車制造加工行業中，鋁活塞已發展成為輕質高強度的新材料，且占據著重要地位，因此，只有不斷強化其制造工藝，加強對各種問題的優化處理，才能從根本上提高鋁活塞質量，降低廢品率，提高資源利用效率，保證鋁活塞制造企業良好的經濟效益。通常將高負荷活塞的銷孔設計成微內錐型或正應力曲面型（異型銷孔），銷孔尺寸精度達IT4級，輪廓精度為0.003mm。

2 鋁活塞制造工藝

某工廠鋁活塞主要制作流程為：先對鋁合金進行熔煉，該環節主要包括：除氣處理、除渣處理、變質處理等，然后在對其進行低壓澆鑄。

3 鋁活塞針狀氣孔分析

3.1 針狀氣孔的影響

在鋁活塞應用中，針狀氣孔一定程度上減少了鑄件的截面積，并且會產生局部應力，最終導致金屬的整體強度降低，縮短了鋁活塞的使用壽命。

3.2 鋁活塞針狀氣孔的成因分析

經過工作人員的研究分析，鋁活塞針狀氣孔形成的主要原因為：

（1）低壓坩堝中的鋁液存在氣體；（2）金屬在澆筑中，活塞的凝固順序是從上而下，并且在凝固過程中會產生一定的氣體匯集于銷孔位置，如果不能及時其減少排放，最終會在此處形成氣孔。

通常來說，鋁合金中存在的主要氣體為氫氣，大約占據總量的85%，氫氣主要是鋁液和水產生的化學反應后所形成的產物，化學式為：在高溫條件下，Al+3/2H2o=1/2（OH）3（y-晶體）+3H（溶于鋁液）。鋁合金在大氣中進行熔煉，會產生一定的氧化物，使得鋁液中的含氣量驟增。如果鋁合金熔煉時間越長且溫度較高，那么鋁液對氣體的需求量就越大。

在研究中，鋁液中如果有氣體，就說明只具備了針孔形成的條件，對于是否形成針孔或者形成針孔的大小主要取決于鑄件在澆筑中的凝固作用以及凝固中鋁液的外部壓力。如果鑄件凝固速度越快，那么鋁液的外部壓力越大，就說明形成針狀氣孔的可能越小。在低壓鑄造中由于外部壓力較大，相對冷卻速度較快，可以有效減少氣孔的產生，需要注意是，如果氣體不能順利排出，那么就十分有可能在出現氣孔，因此，在實際應用中工作人員可以采用涂料層蓄氣進行排氣，主要是由于涂料層和金屬型相比具有良好的孔隙度，所以具有一定蓄氣和通氣能力。

經過分析發現，鋁活塞制造過程中銷孔出現針狀氣孔的主要原因是：

（1）鋁合金的熔煉時間較長，并且熔煉溫度較高，鋁液中氧化物雜質較多；（2）三元變質過程中極易吸收水蒸氣，導致在三元進行處理的時候鋁液中氣體含量較大；（3）澆筑工作中，空氣中的水漲氣和鋁液以及氧化雜質容易出現化學反應，進而導致鋁液中氣體含量增加；（4）澆筑工作中，充型速率較快，導致鋁液的整體凝固時間減少，一些氣體不能及時排除，從而出現針狀氣孔；（5）澆筑工作中，在模具處理中涂料層的使用較少，不能及時吸收鋁液凝固時所產生的氣體，從而導致銷孔位置出現針狀氣孔。

4 鋁活塞針狀氣孔的改造措施

在實際工作開展中，針對上述問題所提出的改造措施為：

（1）在零部件制造過程中，在儲氣罐中加入適當量的干燥劑。更換周期為每月更換一次，在空壓機運行前，應該及時將其中的水排放干凈。（2）工作人員應該及時對鋁合金的熔煉時間以及熔煉溫度進行控制，保證各項工作可以在較短時間內完成，同時需要注意的是除氣工作前，應該及時將鋁液中存在的氧化物雜物去除干凈，保證鋁液的整潔性。（3）工作人員可以采用四錄化碳對氣體進行排放，并且對此種方式進行多次利用，還可以及時去除雜質。（4）在變質工作開展以前，工作人員應該及時將變質劑進行干燥處理，就可以同時達到除氣除雜的目的。（5）在澆筑工作中，工作人員應該及時在銷孔處噴涂涂料層，主要工作原理是通過對涂料層的利用，讓涂料層吸收鑄件凝固中所出現的氣體。

5 總結

綜上所述，鋁活塞對于我國制造行業的持續發展具有重要意義。銷孔位置的針狀氣孔是較為常見問題，對鋁活塞的質量具有直接影響，在鋁活塞制造只有從實際情況出發，針對不同情況采取不同措施，才能更好的對針狀氣孔進行有效處理，提高鋁活塞質量。

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