1、第3期2006年6月内燃机Internal Combustion Engines No. 3Jun. 2006铝活塞的挤压铸造闫汝辉, 张屹林, 王亚南, 高占雨(山东滨州渤海活塞股份有限公司, 山东滨州256602摘要:概述了挤压铸造技术的发展情况。重点评述了铝活塞挤压铸造工艺特点及其优势以及此技术在实际中的应用。关键词:挤压铸造; 铝活塞; 复合材料中图分类号:TK403. 3 文献标识码:B 文章编号:1000-6494(2006 03-0022-03The Squeeze Casting of Aluminium Alloy PistonYAN Ru -hui, Z HANG Yi -
2、lin, W ANG Ya -nan, GAO Zhan -yu (Shandong Binzhou B ohai Piston C o. , Ltd. , Binzhou 256602, ChinaAbstract:The squeeze casting technical development is summarized in this paper. It focuses on introducing the aluminiu m piston squeeze casting technology characteristics and their superiori ty and it
3、s practical application . Key words:squeeze casting; alu minium alloy piston; compound material1 概述1. 1 铝活塞的热工成形技术活塞是汽车发动机中传递能量的一个重要的零件。它的工作条件是高温高压及高应力状态, 与活塞环、气缸壁之间不断产生摩擦, 润滑条件较差, 工作条件极其恶劣。铝活塞传统上应用最多的生产工艺是金属型铸造, 金属型铸造对活塞形状的选择自由度大, 容易满足设计者对形状的要求, 加工简单, 生产成本较低, 但容易产生缩孔、缩松等铸造缺陷, 机械性能较低。随着发动机向大功率、高速度、低
4、能耗的方向发展, 金属型铸造活塞越来越难以满足使用要求。锻造活塞常温机械性能高, 高温耐热疲劳性好, 塑性好, 但锻造活塞加工量大, 生产成本高, 难以得到广泛应用, 仅适用于某些要求较高的大型活塞或高速活塞。挤压铸造是一种介于两者之间的铝活塞成形技术。1. 2 挤压铸造的发展挤压铸造是将液态金属在高压下充型和凝固的精确成形铸造技术, 又称为液态模锻。最近一二十年来在国内外稳步发展, 表现在开发并投产的产品品种不断地增多, 有向更高品质、更高性能和更多样化方向发展的趋势。学术界和产业界密切配合, 在挤压铸造工艺、材料的组织与性能、模具工装、基础作者简介:闫汝辉(1970- , 男, 山东滨州人
5、, 高级工程师, 主要从事铝活塞铸造工艺、计算机辅助设计与自动化设计的研究。理论, 以及在金属基复合材料、半固态加工技术等各方面进行了不少研究工作, 并在实际生产中取得了可喜的成绩, 使挤压铸造已成为汽车、家电等行业高档有色金属铸件大批量生产的重要技术手段, 特别在铝活塞铸造中的应用取得了较大发展。2 挤压铸造工艺简介对于挤压铸造工艺而言, 影响其铸件内在质量的主要因素是施压效果及合金熔液的质量, 如何控制作用在铸件上的有效压力是挤压铸造的工艺核心。2. 1 挤压铸造成形理论基础挤压铸造过程中, 可以对凝固体做如下假设:认为它是一个多变的连续组合体, 即以凝固的封闭外壳层, 正在凝固的固-液相
6、区和液相区, 三位一体, 组成一个物质呈连续分布不均匀的组合体, 见图1。从物质流变观点出发, 认为凝固的外壳为塑性区, 正在凝固的固-液相区为脆性体(即脆性温度区间 , 液相区为粘性体(存在大量结晶晶核 。挤压铸造时, 发生由表及里的力学行为:外壳产生塑性变形, 固-液相产生热裂, 液态金属在等静压的作用下挤入小裂纹中。在挤压铸造过程中, 不均匀踢碎过程连续进行而不断变化。研究表明:出于维持变形的需要, 制件各点所得到的球应力不断减小, 偏应力不断增大, 球应力转化为偏应力, 这就是挤压铸造最基础的力学特征。并可以由此推出比压值的解析解:把变形体近似为一环形体, 外径为R 0, 内径为r 0
7、, 高为h , 环内液态金属不受压力, 且中性面在外径R 0(图2 , 则平均压力有: 第3期闫汝辉等:铝活塞的挤压铸造# 23#所以压力的大小, 取决于合金的种类和性质及铸件的大小、形状、高度等因素。汽车活塞大都采用共晶铝硅合金。由于在压力下结晶, 散热快, 过冷度大, 使靠近型腔表面的合金迅速凝固结壳。此壳不断向铸件内部热节处伸展, 同时伴随着体积收缩。加压冲头只有在不断地压缩结晶层的前提下, 才能对壳层内部未凝固的液相金属进行加压。所以根据不同活塞结构应用相应的压力, 可以完全消除铸造缺陷。2. 2. 3 保压时间保压时间主要取决于活塞铸件的壁厚, 一般应保压到完全凝固。铸件热节处未完全
8、凝固就卸压, 会使热节处不能补缩, 产生铸造缩松缺陷; 保压时间过长, 则铸件温度低, 收缩应力大, 脱型困难, 铸件表面质量差, 同时也降低了生产率。根据试验, 保压时间应为1535s, 此时铸件质量较好。2. 2. 4 加压速度加压速度是指冲头接触到金属液面以后的运行速度。它对铸件质量的影响较敏感, 因此必须选择合适的加压速度。过慢, 液态金属自由结壳太厚而影响加压效果; 过快, 易使液态金属形成涡流而卷入气体, 严重时造成喷液。根据设备技术参数和试验情况, 采用在空行程时以140mm/s 快速下行, 使冲头刚接触到液面时改变为慢速挤压, 速度为40图2 固-液组合体应力分析3231. 已
9、凝固外壳 2. 固液态 3. 金属液图1 液态模锻组合体力学模型(2R 0-3R 0r 0+r 0p 0=R s 1+3h R 30-r 0式中, R s , L 为摩擦系数。2. 2 铝活塞挤压铸造参数2. 2. 1 浇注温度及加压开始时间挤压铸造铝液浇铸温度与金属模活塞浇注的温度基本相同, 在720e 左右。为了减少合金液中的含气量和缩孔的产生, 取较低的温度是有利的。浇注温度与开始加压时间应实现一种合理的组合, 加压早或晚对于加压效果有很大的影响。当铝液以一定的温度注入型腔后, 加压应尽早进行, 这一点对于汽车活塞这样的壁厚差大的铸件非常重要。因为铝液注入型腔后, 在凹模的表面造成硬壳,
10、 冲头下行时, 熔液充满型腔后在硬壳处必定造成冷隔层, 这样的冷隔层在铸造过程中是不易清除的, 它的存在严重地影响着铸件的质量。从实际生产过程中可知, 若铝液在型腔中停留时间长, 就会在活塞销孔两侧薄壁处出现不成型孔洞。2. 2. 2 加压压力根据试验和实际生产验证, 在挤压铸造时, 从铝,mm/s, 直至压力升到保压压力, 结晶凝固。2. 2. 5 模具温度模具温度的高低影响铸件质量及铸模使用寿命。模具温度过低, 浇入的液态金属凝固快, 结壳厚而加压效果差, 不能成型, 晶体粗大, 同时增加了铸件缺陷产生的几率, 也使涂料喷涂困难。但是过高的模温, 会加速模表面机械磨损以及与熔液的粘焊, 也
11、影响到铸件的表面质量。因此, 控制模具温度在工艺参数中十分重要。采用凹、凸模水冷却可单独控制的方法, 一般凹模取180220e , 凸模取140180e 较好。除以上几方面外, 合金熔液的质量、涂料和定量浇注等问题都对铸件质量有不同程度的影响, 这里不作论述。3 挤压铸造活塞的内在质量分析3. 1 宏观组织挤压铸造试验的铸件按活塞行业的国家标准取样, 经磨光和处理后, 当加压压力在150t 以上时, 采样10%进行观察分析, 表明剖面没有铸造缺陷, 而且组织细密, 铸件的宏观组织100%符合国标要求。销座部位靠近型腔表面部分, 由于过冷度大, 生成细# 24#内燃机2006年6月下, 也生成细
12、小的等轴晶, 而裙部和顶部的结晶组织更细密。经实际生产统计分析, 挤压铸造活塞宏观组织与金属模铸造活塞宏观组织相比, 要高出12个等级。3. 2 金相组织按国标, 活塞的金相组织分为显微组织和铁相夹杂两种。3. 2. 1 显微组织由于在压力下结晶, 使得铸件的凝固速度加快。在压力作用下破碎的A 树枝晶的作用, 使枝晶间距明显地缩短并细化。图3为挤压铸造和金属模铸造同种活塞显微组织照片, 从图中可以看出, 挤压铸造的显微组织明显地比金属模的细密。3. 2. 2 铁相夹杂铁相夹杂物主要取决于合金的杂质含量, 但是压力作用下结晶能明显改变铁相夹杂的分布状态。如图2, 说明了挤压铸造和金属模铸造同种合
13、金的鱼骨状铁相夹杂的区别。这种分布降低了铁相的有害作用, 从而提高了铝合金的机械强度。3. 3 机械性能铝活塞力学性能有显著提高, 与金属模重力铸造相比抗拉强度提高10%15%。延伸率及疲劳强度提高了50%80% 。(b 挤压铸造图4 金属模铸造和挤压铸造同种合金的铁相夹杂的分布状态(a 金属模铸造4 结论4. 1 工艺出品率显著提高与传统金属模重力铸造活塞毛坯相比, 没有了浇冒口, 原材料和能源消耗都大大降低, 实现了精确铸造, 且减少了缩松、缩孔等铸造缺陷, 提高了工艺出品率。4. 2 改善组织结构和机械性能无论是宏观组织还是微观金相组织, 活塞组织缺陷减少了, 组织致密性大大改观。同时, 机械性能(a 金属模铸造也有较大幅度提高。4. 3 应用推广山东滨州渤海活塞股份有限公司已在
