国内外铝硅活塞合金的研究及应用述评

热处理规范有：Ｔ６（淬火＋时效）、１７（淬火＋过时
效）、Ｔ１（人工时效处理）。湖北活塞厂根据活塞材来自百度文库
万方数据
质和壁厚的不同，分别采用不同的热处理工艺，如表 ３所示。
表３不同活塞的热处理工艺 ７ｒａｂｌｅ ３｝Ｉｅａｔ ｔｒｅａⅡ啦ｎｔ ｐｒｏｃｅ鹳ｉＩｌｇ ｏｆ ｄｉｆｆ打印ｔ ｐｊｓｔｏ璐
３合金特点及应用
·２５·
等。这些元素在铝合金中形成舢３Ｔｉ、Ａ１３ｚｒ、ＴｉＢ２等 金，影响合金组织性能的主要因素是（ａ＋Ｓｉ）共晶
高熔点化合物，它们的结晶比铝固溶体晶粒早，尺寸 体和初晶Ｓｉ。如果不经变质处理，单靠加入细化ａ固
细小而又弥散分布，具有与铝相同的晶格类型和相近 溶体的元素来改善共晶体（ａ＋Ｓｉ）的形状和粒度，
Ｅｃ№ａｔｉｏｎ，Ｚｈｅ雌ｈｏｕ （Ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ ＭａｔｅｒｉａＩ ｐｈｙｓｉＣｓ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ
ＵｎｉＶｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ
４５００５２，卜协语ｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂ吼限ｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｕｍｍａｒｉｚｅＳ ｔｈｅ ｃＩｅＶｅＩｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔｕｄｙ ｓｔａｈ愿ｏｆ ＡＩ．Ｓｉ ｐｉｓｔｏｎ ａＩＩｏｙ． Ｉｔ
ＡＣ８Ｂ、ＡＣ８Ｃ，英国的Ｕ忆６等。现在还有相当一部
分，尤其在轻型车及摩托车上采用这种合金，如美国 ＧＭ公司的ＧＭ３５０Ｔ、ＦＩ）３０２、ＧＭ２３１、ＧＭｌ８１—６， 日本丰田的ＴＲ２２、４９ｌＱ、Ｘ１２５、ＨＧ２２４等Ｌ２ ８Ｊ。目 前国内高负荷汽、柴油机用活塞多数采用共晶铝硅合 金（ＺＬｌ０８、ＺＬｌ０９）铸造，这种合金具有较好的力 学性能、铸造性能和切削性能。但在应用中存在的问 题是高温强度和耐磨性较差，尺寸稳定性较差。在此 情况下，为防止拉缸、抱缸，被迫放大配缸间隙，因 而会带来窜油、窜气，油耗、噪音的增加。过共晶铝 硅合金具有优异的低膨胀性能，高耐磨性和耐蚀性， 较小的密度和良好的导热性，是制造发动机活塞较理 想的材料。这类合金的主要缺点是脆性大，切削加工 性差［２９Ｊ。要改善过共晶铝硅合金的切削加工性能， 必须同时对共晶Ｓｉ、初晶Ｓｉ进行良好的变质处理， 细化、球化初晶Ｓｉ、共晶Ｓｉ，才能使其得以广泛应 用。
万方数据
以排为辅”的原则。较先进的净化工艺有旋转喷吹、 泡沫陶瓷过滤及等离子体氩流等净化工艺【２４屯５Ｊ。尽 量减少有害杂质铁的含量，必须对熔炼设备、工具进 行精心准备和处理；对于含铁量较高的回炉料，通过 选择适当的铸造方法，或加锰生成铁锰相，再经过沉 淀或离心处理降低铁含量。最经济的方法是通过由 ＫＣｌ，ＮａＣｌ等组成的过滤床，将铁锰相及其他杂质过 滤掉［２ ６】。
形Ｍ晓成Ｓ固ｉ、溶ｅ强（Ｃ化删相２）；在Ｓ淬（鹧火呲加）热、时ｗ（可烈溶。人Ｃｕａ（４～№）鼠中），、
弛Ｃｕ３Ｎｉ、Ａ１３（ＣｕＮｉ）２是高温稳定相，可以提高合金
的高温性能【２Ｊ。 ２．６热处理工艺
热处理对改善和提高活塞性能具有非常重要的作 用。对共晶铝硅合金铸造活塞，国内外历来均采用
Ｔ６或Ｗ固溶热处理规范。但是即使活塞成分、成
４结束语
随着现代科学技术的发展，对发动机功率、油 耗、噪声、废气排放、寿命等的要求愈来愈高，对活 塞材质及其性能的要求也愈来愈高。近年来出现了碳
铸造
王杰芳等：国内外铝硅活塞合金的研究及应用述评
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化硅颗粒、氧化铝纤维或硼酸铝纤维增强铝基复合材
料，树脂基复合材料，陶瓷材料，石墨材料和碳催
复合材料等新型活塞材料，但就目前的整体情况来 看，复合材料制品的生产成本还显得有些偏高，且有
２．４改进铸造方法
铸造铝合金的特种铸造方法有：熔模铸造、重力
金属型铸造、低压铸造、差压（反压）铸造、挤压铸
造、离心铸造、半固态成形和磁流铸造等。目前～一
Ｓｉ活塞产品多采用重力金属型铸造（中国）、低压铸
造（中国的保温冒口低压铸造铝活塞）、’挤压铸造
（日本）和半固态成形技术（美国、欧洲和日本等发
达国家）Ｌ２ ７Ｊ。
铝硅多元合金活塞广泛用于汽车、摩托车、汽油 机、柴油机、船舶、空压机、冷冻压缩机、舷外机、 工程机械、农机、军工等领域。活塞是传递能量和介 质的重要部件，其性能的好坏直接影响到发动机或整 体的性能。对活塞的要求应满足下列条件：密度和热 胀系数小，尺寸稳定性好，抗咬合性和耐磨性能好， 具有满足使用要求的力学性能等。用铝硅多元合金作 为发动机活塞材料，从成分选择上经历了由亚共晶、 共晶、过共晶的发展过程。处理工艺特别是变质处理 经历了由单一变质向复合变质，对共晶Ｓｉ变质为主 到对过共晶中的共晶Ｓｉ、初晶Ｓｉ变质处理的过程。 国外对中、小型汽车及轿车发动机活塞，过去一般采 用亚共晶成分铝硅合金，如美国的ＳＡＥ３３２，日本的
电解法生产低钛铝合金具有成本低、工艺简便、 晶粒细化、性能提高幅度大等优点，为提高我国铝合 金的质量和性能提供了新的加钛工艺和方法。用电解 法制备的低钛铝合金所配制的几种铸造铝合金如 Ａ３５６、ＺＬｌ０８、ＺＬｌｌｌ等具有晶粒细小，合金的强 度、韧性、耐磨性、抗疲劳性能及热稳定性等均有所 提高。由于电解法生产低钛铝合金基本不需要改变电 解设备及工艺，生产成本基本不增加，实现了电解铝 基合金的原位钛合金化和晶粒自身细化【５－６ｊ，为铝 硅活塞合金加钛提供了便利，在我国具有广泛应用前 景。
ｒｅＶｉｅｗｓ ｔｈｅ ｏｐｔ－ｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ＡＩ－ｓＩ ｐＩｓｔ。ｎ ａＩＩｏｙ，ｉｎｃＩｕｄｉｎｇ ｋｉｎｃＩｓ，ｃｈｅｍｉＣａＩ∞ｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｇｒａｉｎ ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ，ｍＯｄ．ｆｉＣａｔｉＯｎ，ａｌｌＯｙｉｎｇ ａｎｄ ｈ∞ｔｔｒ∞ｔｍｅｎｔ． Ｉｔ ａＩｓｏ ｐｏｉｎｔＳ ｏｕｔｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒ曲Ｉｅｍｓ ａｎｄ ｔｈｅ
２．３减少合金中的有害杂质 Ｆｅ是灿一Ｓｉ合金中的主要杂质，它主要来自炉
料、坩埚和熔炼工具。在铸造～一Ｓｉ合金中，Ｆｅ常以
口（仙Ｆｅ２Ｓｉ２）铁相出现，质硬而脆，以粗大的针状
穿过ａ（甜）晶粒，大大削弱了基体，降低了合金的 力学性能［２２＿２３】。其它杂质元素包括Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃａ、Ｐ 和非金属夹杂、气体等。消除气孔和氧化夹杂的工艺 可以概括为“防、排、溶”，严格遵循“以防为主，
１合金牌号和化学成分
国内外三类趟一Ｓｉ系活塞合金的牌号和化学成分 见表１［１，２，引。据资料报道：发达国家普遍以钛作为 细化合金元素，尤其是铸造铝合金中，几乎全部进行 钛合金化处理。在变形铝合金中，美国近２５０多种牌
号有７０％要求或允许含有适量的钛（大部分要求≤ Ｏ．１５％Ｔｉ）。从表１可见，在活塞材料中只有个别几 个牌号没有加钛，约８５．７％的牌号含有钛。
ＲｅＶｊｅＷ ｏｎ ｔｈｅ Ｒ鸽∞ｒＣｈ锄ｄ Ａｐｐ¨∞ｔｌ∞ｏｆ Ａｌ—Ｓｉ ＰｌＳｔ∞ＡＩ ｌＯｙ
ａｔ ＨＯｍｅ ａｎｄ ＡｂｒＯａｄ
ＷＡＮＧ Ｊｉｅ－ｆａｎｇ，ＸｌＥ Ｊｉｎｇ－ｐｅｉ，ＬＩＵ ＺｈＯｒｌｇ？ｘｉａ，ＬＩ Ｊｉ－＼Ⅳｅｎ，ＷＥＮＧ ＹＯｎｇ—ｇａｎｇ，ＶＶＡ＾ＩＧ Ｍｉｎｇ－ｘｉｎｇ
见表２［９—２ｌＪ。
表１ 国内外三类舢．ｓｉ系活塞合金的牌号和化学成分
Ｃｈ哪ｉｃａｌ㈣ｐ惦ｉｔｉｏ璐ｏｆ Ｔａｂｌｅ １
ｔｌＩｅ ｔｈｒ∞“ｎｄｓ ｏｆ Ａｌ－ｓｉ ｓｅｒｉ鹤ｐｉｓｔ∞ａｌｌｏｙｓ ａｔ ｈｏＩｍ ａｒＩｄ ａｂｒｏａｄ
注：表中有上下限数值的为主要元素，只有一个数值的为杂质限量的上限值。
收稿日期：２００４—０５．２４收到初稿，２００４—１１—０１收到修订稿。
Ｅ－ｎｌａｉｌ：删ｆｒｏＳｅ＠１２６．ｃｏｍ 作者简介：王杰芳（１９６８一），女，河南滑县人，副教授，在职博士生，从事电解低钛铝基合金的性能及应用研究。电话：０３７１．７７６７７７６ 万方数据
铸造
王杰芳等：国内外铝硅活塞合金的研究及应用述评
的晶格常数，或具有共格对应晶面，可作为铝固溶体 往往收效甚微。所以对～一Ｓｉ类共晶型和过共晶型合
的结晶核心，使铝固溶体晶粒细化。
金，应强调共晶体（ａ＋Ｓｉ）的变质处理，又要对初
２．２ Ａ１．Ｓｉ合金的变质处理
晶Ｓｉ进行细化处理【８Ｊ。目前常用变质剂种类及效果
对于含Ｓｉ量较高（＞６％～８％Ｓｉ）的～一Ｓｉ合
·２６·Ｊａｎ．２００５
ＶｏＩ．５４ ＮＯ．１
表２ Ａ１．ｓｉ合金常用变质剂种类及变质效果
ｍＯｄｉｆｉｃａｔｉ蚰姗ｔｓ Ｇａ呦ｌ瑚ｏｄｉｎｅｒ ７Ｉ．ａｂｌｅ ２
ｖａｒｊｅｔｉ鹤ａｎｄ
ｏｆ Ａｌ－Ｓｉ枷ｏｙｓ
变质剂种类
变质效果
Ｎａ或Ｎａ盐 Ｓｒ Ｓｂ Ｂａ Ｂｉ Ｐ
Ｓ
凡
ＲＥ
Ｐ．Ｓ双变质 Ｐ－ＲＥ双变质 Ｐ盐一＆盐双变质
ＱｂＰ－№０岛（日本）
Ｐ＿ＳＲＥ
Ｃ印 ＲＣ（俄罗斯）
细化共晶Ｓｉ，变质有效时间短 细化共晶ｓｉ，变质有效时间长 细化共晶Ｓｉ，变质有效时间长 细化初晶Ｓｉ 弱细化初晶Ｓ 细化初晶Ｓｉ 细化共晶ｓ、弱细化初晶Ｓ，具有长效性和重熔性 细化初晶Ｓｉ 细化初晶、共晶Ｓｉ 细化初晶、共晶Ｓｉ，细化效果最佳 细化初晶、共晶Ｓｉ 好于Ｐ．Ｓ、Ｐ—ＲＥ 细化初晶、共晶ｓｉ 细化初晶、共晶Ｓｉ
２．５合金化
在～一Ｓｉ合金中加入Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ及其它强 化元素可组成多元合金活塞材料。这些元素一方面不
同程度地溶人ａ（烈）固溶体中，使其结构复杂化，
提高合金的强度；更重要的是在合金中生成Ｍ９２Ｓｉ、
ｅ（ＣｕＡｌ２）、Ｓ（Ａ１２ＣｕＭｇ）、Ｗ（～。Ｃｕ４Ｍ９５Ｓｉ４）、
地Ｃｕ３Ｎｉ、甜３（Ｑ】Ｎｉ）２等化合物强化相【引。其中
２提高合金综合性能的途径
为了既保持铝硅合金的固有优点，又使力学性能 有大幅度的提高，应用更广泛，近几十年来，世界各 国铸造工作者研究并采用了不少行之有效的措 施［２，７】。 ２．１ Ａ１．Ｓｉ合金的细化处理
趾一Ｓｉ合金的细化包括初晶ａ固溶体、共晶体和 初晶Ｓｉ三个部分的细化。为了细化铝固溶体晶粒， 通常是在合金中添加少量晶粒细化剂，如Ｔｉ、ｚｒ、Ｂ
ｄｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔＵｒｅ．
ＫｅｙⅥ怡ｎｄｓ：ＡＩ—Ｓｊ ｐｊｓｔｏｎ ａＪ｜Ｏｙ；ｋｊｎｄＳ；ｍｏｄｊｆｊｃａｔｊｏｎ；ｇｒａｉｎ ｒｅｆｊｎｅｍｅｎｔ
烈．Ｓｉ合金是铸造铝合金中品种最多，用途最广 的一类合金。在这类合金中Ｓｉ是主要合金化元素， Ｓｉ改善合金的流动性，降低热裂倾向，减少疏松， 提高气密性。按合金中Ｓｉ含量的多少，该系合金可 分为亚共晶铝硅合金、共晶铝硅合金和过共晶铝硅合 金。随着硅量的增加，结晶温度区间变小，共晶体增 加，流动性随之提高，虽然铸造性能获得改善，但组 织中出现针状或片状的共晶Ｓｉ，甚至出现粗大的多角 形块状或板状初晶Ｓｉ，严重地割裂了烈基体；在ｓｉ 相的尖端和棱角处引起应力集中，容易沿晶粒边界处 或板状Ｓｉ本身开裂而形成裂纹，使合金变脆，力学 性能特别是伸长率显著降低，切削加工性能也变 差【卜３】。硅的收缩率很小，合金的线收缩率也随之 降低，热裂倾向相应减少；硅的结晶潜热大，直至 ２０％Ｓｉ处，流动陛仍比共晶成分的合金高，含１６％ ～１８％Ｓｉ处有流动性峰值。随硅量增加，铝硅二元 合金的磨损量、腐蚀量、线膨胀系数、密度、电导率 均直线下降。
形技术及性能要求相同，如果活塞大小和结构不同， 其热处理规范也不尽相同。武汉汽车配件厂对共晶铝 硅合金铸造活塞的热处理工艺是：Ｔ５一次时效代替 传统的固溶化二次处理（Ｔ６、１７），理想的Ｔ５工艺 为２００～２１０℃保温８～１２ ｈ。上饶汽运旅行服务公司 ＺＬｌ０８活塞固溶处理：５３５±５℃保温８～１２ ｈ，时效 处理：１９５±５℃保温８ ｈ空冷。山东活塞厂采用的
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铸
造
ＦＯＩ小ＩＤＲＹ
ＶｏＩ．５４ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２００５
国内外铝硅活塞合金的研究及应用述评
王杰芳，谢敬佩，刘忠侠，李继文，翁永刚，王明星 （郑州大学物理工程学院教育部材料物理重点实验室，河南郑州４５００５２）
摘要：综述了铝硅活塞合金的发展及研究现状。评述了铝硅活塞合金的种类，化学成分，晶粒细化，变质处理，合 金化和热处理工艺等优化手段。指出了存在的问题及发展趋势。 关键词：铝硅活塞合金；种类；变质处理；晶粒细化 中图分类号：１、Ｇ１４６．２＋１ 文献标识码：Ａ文章编号：１００１—４９７７（２００５）０ｌ—００２４—０４