过共晶铝硅合金发动机活塞的挤压铸造工艺研究

≥280 250~260 230~250
≥110 95~105 50~75
≤19 19~20 20~24
≤50 49~53 60~65
表2 发动机用铝硅合金性能比较
谢谢
希望各位老师同学给与批评指正！ 希望各位老师同学给与批评指正！
实验总体工艺流程图
合金成分设计及配料 熔化精炼 变质处理 硬 度 测 试 处理 室 温 拉 伸 高 温 拉 伸 蠕 变 试 验 磨 损 试 验 线 膨 胀 金 相 观 察 扫 描 观 察 透 射 观 察 能 谱 分 析 X-ray DTA 优化成分
分 实验总体工艺流程图
主要研究内容
初晶硅长大的机理研究及初晶硅的尺寸控制 特种铸造工艺的研究(低压铸造 挤压铸造) 低压铸造、 特种铸造工艺的研究 低压铸造、挤压铸造 特种铸造的工、 特种铸造的工、模具设计 热处理工艺研究
硬度
表1-1过共晶铝硅合金随着变质剂烧结温度升高 过 的维氏硬度
样品型号 A15 A16 A17 A18 A19
1 104 114 110 132 132
2 109 107 115 130 123
3 97 119 107 120 120
平均 101.7 113.3 110.7 127.3 125
过共晶铝硅合金A12热处理前后维氏硬度 热处理前后维氏硬度 表1-2过共晶铝硅合金 过共晶铝硅合金 热处理前后
气缸筒， 气缸筒，铸铁
气缸体， 气缸体，铸铁或部分 是在亚共晶铝硅合金 镶嵌铸铁的气缸筒
油底壳， 油底壳，铸铁或铝硅合 金
国外已成功研制过共晶铝硅合 金用低压铸造的方法一次成形 的全铝气缸， 的全铝气缸，不用镶嵌铸铁的 气缸筒
挤压铸造的概念及开发方向
挤压铸造是一种使液态金属在高机械压力下 成型凝固的工艺方法。 成型凝固的工艺方法。其具有减少或消除缩 松和缩孔，减轻偏析，细化晶粒，使铸件组 松和缩孔，减轻偏析，细化晶粒， 织致密，且有一次成型、缩短周期、 织致密，且有一次成型、缩短周期、成品率 高等优点。 高等优点。
挤压铸造的力学过程
铸件的三个区： 铸件的三个区： 硬层区（塑性体） 硬层区（塑性体） 固液区（脆性体） 固液区（脆性体） 液相区（黏性体） 液相区（黏性体） 挤压铸造时，铸件外壳产生塑性变形， 液相产生 挤压铸造时，铸件外壳产生塑性变形，固-液相产生 热裂，液态金属在等静压的作用下挤入微小裂纹中。 热裂，液态金属在等静压的作用下挤入微小裂纹中。
国外的活塞用挤压铸造工艺 液态模锻)将熔体在高压下铸造 国外的活塞用挤压铸造工艺 液态模锻 将熔体在高压下铸造 挤压铸造工艺(液态模锻 成活塞形状的毛坯，热处理后再将毛坯车加工成零件。 成活塞形状的毛坯，热处理后再将毛坯车加工成零件。挤压 铸造工艺能大幅度提高过共晶硅的性能、细化初生硅的尺寸。 铸造工艺能大幅度提高过共晶硅的性能、细化初生硅的尺寸。 国内多使用共晶铝硅合金ZL109，多用普通的金属模铸造， ，多用普通的金属模铸造 金属模铸造， 国内多使用共晶铝硅合金 铸造后通过进一步的锻造加工来提高合金的力学性能， 铸造后通过进一步的锻造加工来提高合金的力学性能，然后 锻造加工来提高合金的力学性能 再热处理车制成活塞，这种工艺的成品率低，工序多， 再热处理车制成活塞，这种工艺的成品率低，工序多，并且 锻造加工共晶铝硅相对于过共晶铝硅合金仍然存在耐热性、 锻造加工共晶铝硅相对于过共晶铝硅合金仍然存在耐热性、 耐磨性、膨胀系数和体积稳定性差等问题。 耐磨性、膨胀系数和体积稳定性差等问题。 因此，有必要大力发展新型过共晶铝硅合金的挤压铸造工艺。 因此，有必要大力发展新型过共晶铝硅合金的挤压铸造工艺。 新型过共晶铝硅合金的挤压铸造工艺
处理状态 热处理前 热处理后
1 92 149
2 102 146
维 氏 硬 度 计
3 105 145
平均 99.6 146.6
后期实验内容及参数
苏州三基立式挤压铸造机SCV-800
合模力8000KN 合模力 大杠内间距910×910mm 大杠内间距 × 大杠直径180mm 大杠直径 最大合模距离760mm 最大合模距离 模具最小厚度740mm 模具最小厚度 滑块距工作台最大距离1500mm 滑块距工作台最大距离 顶出力360KN 顶出力 顶出行程180mm 顶出行程 压射力1000/1250 KN 压射力 压射距离850/900mm 压射距离 压射速度30-110mm/s 压射速度 料筒直径范围95-132/106-150mm 料筒直径范围 标准料筒直径105/130mm 标准料筒直径 铝液最大浇筑量7.3/10kg 铝液最大浇筑量
国内外发动机零件所用材料比较
气缸盖罩， 气缸盖罩，铸铁或 部分使用亚/共晶 部分使用亚 共晶 铝硅合金
气缸盖，铸铁或
部分使用亚/共晶 部分使用亚 共晶 铝硅合金
国产活塞材料为ZL108、ZL109 109， 国产活塞材料为 ZL108、 ZL109 ， 含 ZL108 11~13 Si，共晶铝硅合金； 13% 11 13%Si ， 共晶铝硅合金 ； 国外使 用过共晶铝硅合金制造，含 16~26 Si。 26% 16 26%Si。
铝合金实验炉
热处理 通过对该过共晶铝硅合金进行DTA分析， 分析， 通过对该过共晶铝硅合金进行 分析 确定其热处理温度，将铸锭在 锭在500 ℃保温 。 保温3h。 确定其热处理温度，将铸锭在
热处理炉
金像
a) b)
金相显微镜
c)
d)
Leabharlann Baidu
a),b) 未变质的金相形貌 c),d) 1.5%AlCuP500 ℃烧结 烧结780变质的金相形貌 变 线切割后的合金 棒 过共晶铝硅合金变质前后的金相形貌
过共晶铝硅合金发动机活塞的挤压 铸造工艺研究
姓 专 名： 朱 君 罡 业： 材 料 学
指导教师： 指导教师： 关 绍 康 教 授
目录
选题意义 挤压铸造的概念及开发方向 实验总体工艺流程图 主要研究内容 前期实验进程 后期实验内容及参数 课题的预期目标
选题意义
在发动机中，用铝合金替代铸铁成为全球的发展趋势。 在发动机中，用铝合金替代铸铁成为全球的发展趋势。 由于铝合金的质量轻 减少活塞往复的惯性力， 质量轻， 由于铝合金的质量轻，减少活塞往复的惯性力，能使发 动机的燃油效率提高3~5%；铝合金的密度只相当于钢的 动机的燃油效率提高 ； 1/3，汽车上每使用 ，汽车上每使用1kg铝，可降低自身重量的 铝 可降低自身重量的2.25kg，减 ， 重效益高达125%；同时在汽车的整个使用寿命内，还可 重效益高达 ；同时在汽车的整个使用寿命内， 减少废气排放20kg。 减少废气排放 。 气缸是发动机中最重的零件，占发动机总重的 以上， 气缸是发动机中最重的零件，占发动机总重的30%以上， 以上 国外50%的汽缸采用铝合金铸造。国内气缸大量使用灰 的汽缸采用铝合金铸造。 国外 的汽缸采用铝合金铸造 国内气缸大量使用灰 铸铁或少量使用亚共晶铝硅合金缸体镶铁缸套的复合工 铸铁或少量使用亚共晶铝硅合金缸体镶铁缸套的复合工 艺，后者生产工艺复杂、生产成本高，影响气缸铝化的 后者生产工艺复杂、生产成本高， 进展。 进展。
铝活塞挤压铸造参数 （1）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。 相同。 （2）不同活塞结构应用相应的压力，才可以完全消除铸造 ）不同活塞结构应用相应的压力， 缺陷。（所需压力的大小， 。（所需压力的大小 缺陷。（所需压力的大小， 取决于合金的种类和性质及铸 件的大小、形状、高度等因素。） 件的大小、形状、高度等因素。） 3）保压时间主要取决于活塞铸件的壁厚， （3）保压时间主要取决于活塞铸件的壁厚，一般保压到完 全凝固。保压时间为15～ ，此时铸件质量较好。（ 。（短则 全凝固。保压时间为 ～35s，此时铸件质量较好。（短则 不易补缩，形成缩松；长则收缩应力大，表面质量差） 不易补缩，形成缩松；长则收缩应力大，表面质量差） （4）加压速度采用在空行程时以140mm／s快速下行，冲头 ）加压速度采用在空行程时以 ／ 快速下行， 快速下行 刚接触到液面时改变为慢速挤压，速度为40mm／s ，直至 刚接触到液面时改变为慢速挤压，速度为 ／ 压力升到保压压力，结晶凝固。（过快易卷入气体或喷液； 。（过快易卷入气体或喷液 压力升到保压压力，结晶凝固。（过快易卷入气体或喷液； 过慢会金属自由结壳过厚，影响加压效果。） 过慢会金属自由结壳过厚，影响加压效果。） （5）一般凹模取 ）一般凹模取180～220℃，凸模取 ～ ℃ 凸模取140～180℃较好。 ～ ℃较好。 过低成形性差，晶粒粗大，缺陷多； （过低成形性差，晶粒粗大，缺陷多；过高则粘模且模具磨 损量大。） 损量大。）
前期实验进程
铝铜磷变质剂 将铜磷合金粉与铝粉按一定比例进行球磨， 将铜磷合金粉与铝粉按一定比例进行球磨， 然后压成小块，在保护气氛下进行烧结。 然后压成小块，在保护气氛下进行烧结。
球磨机
德国 保护气氛 热处理炉
熔炼
熔化铝锭 添加合金元素 添加变质剂
除渣
除气
搅拌
熔体过热处理
静置
浇铸 熔炼过程的局部工艺流程图
挤压铸造产品的开发方向
（1）取代常规的压铸工艺， 使其有更致密的 ）取代常规的压铸工艺， 组织，可固溶热处理，并提高其力学性能， 组织，可固溶热处理，并提高其力学性能， 或 提高其耐磨性、抗渗漏性； 提高其耐磨性、抗渗漏性； （2）取代砂型、金属型铸造，使铸件内部组织 ）取代砂型、金属型铸造， 更致密，表面轮廓更清晰，尺寸精度更高； 更致密，表面轮廓更清晰，尺寸精度更高； （3）取代锻造、 热挤压等工艺， 以降低成本， ）取代锻造、 热挤压等工艺， 以降低成本， 简化工艺 。
挤压铸造件的常见缺陷 （1）表面粗糙及表面损伤类缺陷 ） （2）缩松、缩孔及渗漏类缺陷 ）缩松、 （3）气孔、气泡类缺陷 ）气孔、 （4）夹渣类缺陷 ） （5）裂纹类缺陷 ） （6）几何形状与图纸不符类缺陷 ） （7）化学成分与性能不符合要求类缺陷 ）
课题的预期目标
合金牌号 新型过共晶 铝硅合金 进口A390合金 合金 进口 国产ZL109合金 合金 国产 室温强度/ 300℃高温强度 室温强度 ℃ MPa / MPa 线膨胀系数/ 线膨胀系数 ×10-6℃-1 磨损量/ 磨损量 mg
过共晶铝硅合金热处理工艺参数 （1）固溶温度：固溶温度越接近共晶转变温 ）固溶温度： 度或固相线温度，强化效果越好。 度或固相线温度，强化效果越好。 的范围内， （2）固溶时间：固溶时间为 ）固溶时间：固溶时间为4~10h的范围内， 的范围内 强度值略有增高， 强度值略有增高，硬度值则是先降低后升高 的。 （3）时效温度：高温时效对试验合金起软化 ）时效温度： 作用， 合金最佳时效温度是490℃ 作用，A390合金最佳时效温度是 ℃。 合金最佳时效温度是 （4）时效时间：在较高的时效温度下 ，随 ）时效时间： 时效时间的增加，强度、 时效时间的增加，强度、硬度均在达到一最 高值后开始下降， 高值后开始下降，而最高值对应的时效时间 均为8h。 均为 。