提高铸造活塞裙强度的方法.pdf

《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND FORGING No．4 July 2013 提高铸造活塞裙强度的方法 王斌 郑Y--~,l (1．武汉理工大学能动学院，湖北430063；2．武汉理工大学工程训练中心，湖北430063) 摘要：文章从新型铸造方法、热加工工艺和新的铸造材料等方面入手研究提高活塞裙强度的方法。 关键词：活塞裙；强度；材料；工艺 中图分类号：TG249．2 文献标识码：A The Method of Improving the Strength of Casting Piston Skirt Wang Bin，Zheng Weigang Abstract：This paper researches the method to improve the strength of piston skirt in aspects of new casting meth— od．hot working technology and new casting materia1． Key words：piston skia；strength；material；technology． 实现活塞裙高强度的手段有很多，文章从铸 造技术、热处理工艺及铸造材料等方面人手，对提 高铸造活塞裙强度的合适途径进行探讨。 1提高活塞裙强度的方法 1．1采用新型铸造技术 活塞的铸造方法有：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Al—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Ft本等 发达国家)。 熔模铸造是一种先进的铸造工艺方法，是少 切削无切削加工工艺的重要组成部分。无论是民 用工业还是国防工业都广泛地应用熔模铸造方法 来生产精密铸件，铸件的尺寸精度和表面光洁度 都较高。应用这一方法可以铸造各种合金(特别 是难于机加工的耐热合金)和形状复杂的铸件。 低压铸造凭借经济性好、生产率高、充型能力 强和可控性高等很多优点而被广泛用于活塞铸造 领域。挤压铸造是使液态或半固态金属在高压下 充型和凝固的精确成形铸造技术，最近几年有较 快的发展，产品品种不断地增多…。挤压铸造经 时效处理能达到较高的力学性能，强度和刚度明 显提高。表l为各类挤压铸造合金的典型力学性 能比较。 收稿日期：20l2一l2一l3 作者简介：王斌(199O一)男，研究方向为轮机工程、热加工工艺。 郑卫刚(1967一)男，技师，主要研究方向为机电技术。 表1各类挤压铸造合金的典型力学性能比较 Table 1 Comparison of the typical mechanical properties of various squeeze casting alloy 类别 牌号 R ／MPa A(％) Al—Si—My系铸造合金 ZL1O1 252 15．0 A1．Si—cu系铸造合金 ZL105 358 11．3 A1 cu系铸造合金 ZL2O1 485 16．7 A1一Mg—Si—Cu系变形合金 2B5O 380 13．0 图1 固溶热处理温度对常温力学性能的影响 Figure 1 The influence of solution heat treatment temperature on the mechanical properties at room temperature 1．2热处理强化 现代活塞一般都为钢顶铝裙，就是为了减小 往复惯性力，从而减少曲轴的负荷。而铝合金的 强度和硬度较低，为了能起到合适的支撑和导向 作用必须对铝合金实施热处理以达到薄臂强背的 目的。热处理强化主要分为传统工艺和现代工 艺，传统工艺主要是增加其对位错运动的抗力，强 化机制主要有弥散强化、固溶强化、沉淀强化、细 晶强化、形变强化等。常采用的手段为淬火、退 火、固溶热处理等。下图为固溶热处理温度对常 温力学性能的影响 J。 现代工艺主要为微弧氧化技术，铝合金经表 面微弧氧化热处理以后，硬度和强度明显增强，在 合金体表面覆盖了抗蚀、耐磨的氧化物陶瓷薄膜， 43 No．4 July 2013 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND FORGING 获得广泛应用 。微弧氧化又称微等离子体氧 化，是通过电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、 钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高 压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜 层。铝合金微弧氧化生成以A1 0 为主的陶瓷 膜，且与基体紧密结合，故其硬度和耐磨性比基体 合金显著提高 。由于微弧氧化膜具有比基体 合金更高的硬度和弹性模量，且与基体冶金结合， 对基体合金拉伸性能的影响较小。有研究发现， 微弧氧化膜可以显著提高LY12铝合金的抗弯曲 能力。 1．3采用新的铸造材料 传统铝合金活塞已达到或接近使用极限，为 此寻求新型材料成为解决现有技术不足的最佳途 径。随着材料工业的不断发展，更多新型的材料 应用到铸造活塞裙上，例如铝基复合材料、陶瓷材 料、碳材料、耐热镁合金材料、镁基复合材料等。 铝基复合材料凭借质量轻、密度小、可塑性好、比 强度高比刚度高、耐高温、耐疲劳等优点广泛应用 于铸造活塞裙领域 。大量研究表明，SiC增强 相的铝基复合材料具有较高的强度，随着SiC体 积分数的增加，强度和刚度增加，但塑性降低。其 他增强相的加入使材料有其他的特殊性能，这样 不同的金属基体以及增强相的组合使复合材料具 有各种优异的性能。表2是不同的铝基复合材料 的力学性能 J。 颗粒增强铝基复合材料比较廉价，适合在工 业上应用，是21世纪最有发展前途的先进材料 之一。从理论上分析，颗粒越小，复合材料的弥散 强化作用越好，复合材料的性能越佳。但是，如果 粒径太小，将导致材料在制备时由于铝合金溶液 的粘度大，使得颗粒在液态铝合金中不易分散开 来，造成复合材料整体不均匀，而且界面反应也不 易控制。颗粒太大，将会由于颗粒自重产生沉降 或上浮，造成严重的铸造偏析，影响铝基复合材料 的力学性能。所以，应选择大小合适、密度相当的 颗粒，才能使其发挥良好的弥散增强效果，颗粒尺 寸通常选取5 pum～20 m 。活塞裙常用铝基 复合材料见表3。 2活塞裙强度要求 活塞裙主要起导向作用，并承受一定侧压力， 为减小磨损，裙与缸套间必须有良好润滑。当活 塞上下运动方向发生改变时，侧压力方向也将随 之改变，引起活塞左右晃动并敲击气缸壁，产生冲 44 表2不同的铝基复合材料的力学-性能 Table 2 The mechanical properties of different aluminum matrix composites 增强相含量 拉伸强度 弹性模量 增强相 (vo1％) ／MPa ／GPa A12 O3／A1-1．5Mg 2O 230 97 SiC／Al_4Cu 15 472 93 SiCP／ZL1O1 20 375 102 表3活塞裙常用铝基复合材料 Table 3 The common aluminum matrix composites used for piston skirt 基体材料 增强相 增强相含量(vo1％) 研制单位 Al 2219 _riC 15～2O Martin Al 6061 Al203 10～20 Dural Al 2124 siC 10～2O DWA 击振动和噪声。活塞与缸套的间隙越大，冲击振 动越严重。 活塞裙必须具有足够长度以承受侧压，使裙 部比压不致过大。比压计算公式： Kmax=箍 式中 P ——活塞对缸壁最大侧压力，单位为 N； D——气缸直径，单位为cm； ——裙部长度，单位为cm。 其中，P 可由动力计算求得。在发动机初 步设计时，亦可按以下经验公式作估算： PH =2．7pl。FP。 式中P ——平均有效压力，单位为N／cm ； F ——活塞面积，单位为cm ； ——R 。 表4列出了各种材料活塞裙比压允许值。 表4裙部比压许用值 Table 4 Specific pressure allowable value for skirt 材料类型 K…／N·cm一 铝合金活塞 50～loo 铸铁活塞 20～50 高速强载活塞 100～150 3 总结 高强度的活塞裙不仅可以有效的减小活塞的 往复惯性力，而且可以有效的降低柴油机曲轴的 机械负荷，减少柴油机的维护工作量。寻求合适 的提高活塞裙强度的途径，可以降低活塞裙的制 造难度以及制造成本。 (下转第50页) No．4 July 2013 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND F0RGING 表4超宽砧拔长35A电机转子的实用拔长程序 Table 4 Actual stretching processes for 35A motor rotor stretched by ultra·wide anvil 趟数 翻转 压下前直径／ram 压下后直径／ram l 0。 1 150 750 2 90。 l 31O 790 3 90。 980 640 4 90。 960 620 4结论 4．1有效压实锻造法的临界条件为：(1)在变形 过程中，使锻件内部任意一点的最大压应变≥ 0．6；(2)在主变形过程中，应保证锻件心部温度 ≥1 050℃，或表面温度大于850℃。该临界条件 可转化为工艺参数。 4．2根据有效压实锻造法的工艺准则，本文给出 了最常用的上下平砧拔长、FM法拔长和超宽砧 拔长三种应用实例。其它锻造过程的应用以及锻 造工艺手册的编制等，将在后续的论文中详细讨 论。 参考文献 [1]任猛，王祖唐，刘庄．有效压实锻造法．中国发明专利第 10650号． [2] 任猛．大型钢锭内部孔洞性缺陷锻合过程的数值模拟和实 验研究．清华大学博士论文，1987． [3] 任猛，金锡钢，王祖唐．拔长锻造时的展宽值计算．锻压技 术，1989(2)：8． [4] 任猛，等．极限锻造成形的原理及工艺应用．大型铸锻件， 1991(1—2)：13． [5] 任猛，董金雷，王中安．优化锻造工艺手册．亚洲重工集团有 限公司技术文件，2000． 编辑李韦萤 (上接第46页) 在调质处理前增加正火工序是必要的，目的 是使合金元素均匀化并充分固溶。淬火采用水淬 油冷的冷却方式，目的是在过冷奥氏体分解最快 的温度范围内具有较强的冷却能力，而接近马氏 体点时具有缓和的冷却能力。这样可以使组织尽 量奥氏体化，以获得更多的马氏体组织，而马氏体 经高温回火后，可得到均匀的回火索氏体组织，其 强度、塑性和韧性能够得到最好的配合，即获得较 高的综合力学性能。 50 5结论 (1)冶炼时化学成分配比合理，为提高锻件 的综合力学性能打下了坚实的基础。 (2)采用上平下V型砧锻造，保证了锻件内 部压实压透，从而得到较好的内部质量。 (3)热处理时采用正火+调质处理和水淬油 冷的冷却方式，是获得良好综合力学性能的有力 保证。 编辑杜青泉