■趙春芝，孫淑霞，王秀金

活塞鑄造工藝對鑲圈黏結的影響淺析

■趙春芝，孫淑霞，王秀金

摘要：在鋁合金活塞中鑲嵌耐磨鑲圈是強化活塞環(huán)槽常用方法之一，但這給活塞鑄造工藝設計和生產(chǎn)過程增加了很多控制要求。按活塞鑄造工藝流程，從工藝設計和過程控制的角度，詳細分析了活塞鑄造各個環(huán)節(jié)對鑲圈黏結質量造成的影響。

在內(nèi)燃機中，活塞是工作強度最大、環(huán)境最惡劣的部件之一，不但要承受來自頂部高溫、高壓及交變載荷的沖擊，還要承受因高速往復運動而產(chǎn)生超過其自重幾百倍的慣性力。在鋁合金活塞中鑲嵌的耐磨鑲圈（見圖1）具有耐高溫、耐磨損的特點，可有效克服活塞第一、第二環(huán)槽區(qū)域由于高溫而使鋁合金硬度大幅下降，導致鋁環(huán)槽極易磨損而縮短使用壽命的缺陷。

因此，鑲圈活塞被廣泛應用于高性能、大功率的柴油發(fā)動機中。目前，很多活塞生產(chǎn)廠家均已掌握并推廣了該項技術。但近年來，隨著活塞鑄造機械化程度的提高，活塞鑲圈超聲波檢測缺陷率居高一直是制約生產(chǎn)的一個重要因素，如何提高鑲圈與鋁合金基體的結合強度是鑲圈活塞制造技術上的一個難題。本文從生產(chǎn)實踐角度就影響鑲圈黏結強度的主要因素進行分析研究。

1. 耐磨鑲圈表面加工質量的影響

耐磨鑲圈上的鋁滲透層的厚度與鑲圈表面加工質量有關，特別是表面粗糙度。通過用不同表面粗糙度的鑲圈在不同滲鋁溫度、相同滲鋁時間情況下做滲鋁試驗，檢測滲透層的厚度（見圖2）。從試驗結果看，鑲圈表面粗糙度數(shù)值越低，滲透層就越薄，滲鋁質量也就越好。

表面粗糙度值低，鋁合金液黏附在鑲圈表面就越薄越均勻，因此鑲圈表面粗糙度值通常控制在3.2μm以下。

2. 耐磨鑲圈表面清潔度的影響

鑲圈表面的清潔程度直接影響到滲鋁的質量。鑲圈表面上的銹斑、油漬或灰塵，都會在鑲圈表面形成隔膜，使鑲圈出現(xiàn)局部未滲等缺陷，影響鋁滲透層的成膜率。因此，鑲圈被鑄入鋁活塞前要進行凈化處理，不能再徒手拿取，并要進行密封包裝和干燥儲存等防銹措施；同時工藝規(guī)定了凈化處理到鑄入活塞的時間間隔不得過長，否則要重新進行凈化處理。

3. 滲鋁溫度對鑲圈滲鋁質量的影響

從相關鐵鋁二元相圖上可見，在低溫時，鐵在鋁中的溶解度是較低的。滲鋁溫度低于670℃，對于共晶鋁合金來說已難以形成有效的擴散層。即使將滲鋁溫度升至690℃，仍然有相當一部分鑲圈未滲上鋁液，或肉眼看滲鋁良好但經(jīng)超聲波檢測仍顯示缺陷，因此滲鋁溫度不能偏低。

滲鋁溫度高不僅利于鋁原子向鑲圈表層擴散，形成足夠厚度的滲透層；另外，滲鋁溫度高，鑲圈鑄入過程中，鑲圈表面殘存的滲鋁液易于被沖刷走，過渡層就會比較薄，這對鑲圈的結合強度是有利的。反之，如果滲鋁溫度過高也會對鑲圈滲鋁產(chǎn)生不利影響，研究證明滲鋁溫度超過760℃，不僅會加劇鋁液表面的氧化，更重要的是在滲透層中硬而脆的鐵鋁化合相會增加，反而影響鑲圈的結合強度。實踐證明，滲鋁溫度控制在715～745℃時，滲鋁效果最佳。

4. 滲鋁時間對鑲圈滲鋁質量的影響

鑲圈滲鋁時間的長短也會影響滲鋁質量。在一定滲鋁溫度下，滲透層的厚度與滲鋁時間呈正線性關系，但當滲鋁時間超過一定時限后，滲透層厚度增加速度便趨于緩和。滲鋁時間過短，就形不成完整的滲透層或滲透層太薄，會影響結合強度。相反，滲鋁時間過長，鑲圈中的鐵原子會擴散到滲鋁液中，使?jié)B鋁液中的含鐵量增加，反而影響鑲圈的滲鋁質量，且滲透層中硬而脆的鐵鋁化合相會增加，也將影響鑲圈的結合強度。因此，滲鋁時間一般控制在2～3.5min。

5. 鑲圈活塞鑄造工藝對鑲圈結合質量的影響

眾所周知，手工鑄造工藝是活塞頂部朝下成形，機械鑄造工藝是活塞頂部朝上成形（見圖3）。通過研究發(fā)現(xiàn)，由于機制和手工鑄件在結構上的差異和鑲圈固定方式的不同（見圖4），造成活塞鑄造工藝因素對鑲圈結合存在很大的影響，并直接導致了鑲圈結合強度的差異及鑲圈缺陷形式的不同。

圖11. 活塞本體　2. 氣環(huán)耐磨圈　3. 油環(huán)耐磨圈4. 鑲鋼片　5. 銷孔

圖2

圖3

圖4　鑲圈固定方式

（1）鑲圈支架對鑲圈結合強度的影響鑲圈在機制模具內(nèi)的狀態(tài)與手工模具不同。工藝設計人員在設計模具時，為保證鑲圈同軸度要求，δ1、δ2的設計尺寸很小，由于“零”間隙的存在，在保證了鑲圈同軸度的同

時，也對鑲圈的結合帶來不利影響。生產(chǎn)中模具溫度較低，一般在250～400℃，而鑲圈鑲入模具時的溫度在660～720℃。由于鑲圈與模具間存在較大的溫度差，鑲圈與支架之間在較短時間內(nèi)就會發(fā)生劇烈熱交換，以達到溫度平衡。這樣，鑲圈與支架接觸部位的局部溫度會迅速降低，形成一個低溫區(qū)域。而鑲圈的黏結強度對鑄入溫度是極為敏感的，溫度越低，黏結強度越低。我們的試驗數(shù)據(jù)也證明了這一判斷，通過對鑲圈無損檢測廢品的剖切分析，發(fā)現(xiàn)鑲圈在與支架接觸的部位會出現(xiàn)一個顏色和亮度與其他部位截然不同的弧狀暗影區(qū)（見圖5），而這恰恰是鑲圈無損檢測缺陷區(qū)域，且所占比例比較大。

（2）鑲圈鑄入方式對鑲圈結合強度的影響由于機制和手工活塞模具結構上的差異，以及鑲圈鑄入方式不同，也會直接導致鑲圈結合強度的差異和鑲圈缺陷形式的不同。我們通過試驗剖析，發(fā)現(xiàn)機制和手工產(chǎn)品鑲圈各種廢品形式所占比例有很大差別（見附表）。

為什會出現(xiàn)上述這種差別呢？由圖5比較看，手工模具：活塞頂面向下，鑲圈位于模具下端。在澆注過程中，鑲圈始終受到高溫鋁液的沖刷，并且該部位處于熱節(jié)處，鋁液溫度高，鑲圈表面殘存的滲鋁液和氧化物會在澆注過程中被沖刷或重熔，在高溫鋁液沖刷下脫離鑲圈表面。而機制模具則不然，由于活塞頂面向上，鑲圈位于模具的上端。在澆注過程中，只有在澆注后期鑲圈才會受到相對較高溫度鋁液的沖刷，而此時鑲圈溫度已大大降低。雖然該部位也處于熱節(jié)處，但鋁液在上升過程中因熱量散失而溫度已經(jīng)降低，并且鋁液表面形成的氧化物，會在鋁液上升過程中黏附在鑲圈上，致使鑲圈表面黏附更多夾雜物和氧化物（見圖6），這樣極不利于鑲圈與鋁合金基體的黏結，因此機制活塞鑲圈無損檢測的缺陷部位往往出現(xiàn)在活塞裙部方向。

6. 固溶處理對鑲圈結合質量的影響

我們知道，機制和手工模具鑲圈鑄入的固定方式截然不同。手工模具采用“凹環(huán)槽”鑲入方式，鑲圈與鋁合金基體黏結的4個接觸面均被鋁所包容。而機制模具采用的是“凸環(huán)岸”鑲入方式，在支架位置，鑲圈與鋁合金基體黏結的4個接觸面中，最重要兩個側面外緣在支撐點位置均處于“裸露”狀態(tài)（為保證鑲圈同軸度，δ1、δ2的設計尺寸較小）。正因為如此，由于鑲圈和鋁合金基體兩種材料膨脹系數(shù)不同，在固溶-淬火處理時，活塞毛坯驟然降溫，在鑲圈“裸露”部位的外緣會產(chǎn)生“縮裂”，如果“縮裂”達到一定深度，又不能完全被加工切除，就會影響到鑲圈的結合質量。通過試驗剖切分析發(fā)現(xiàn)，鑲圈與支架接觸的位置有一片暗褐色區(qū)域，這恰恰是鑲圈無損檢測缺陷所在位置。

7. 結語

綜上所述，鑲圈活塞鑄造過程的各個工序，無論是對手工還是對機制活塞鑲圈結合都會產(chǎn)生不同程度的影響，只有對先期工藝設計和生產(chǎn)中的過程控制進行深入研究，采取必要有效的技術措施，才會減弱或消除這些不利因素對鑲圈結合質量的影響。

圖5

圖6

手工、機制鑲圈缺陷形式比較分析（產(chǎn)品型號：6113XX-X）　（%）

20150420

作者簡介：趙春芝、孫淑霞、王秀金，山東濱州渤?；钊煞萦邢薰尽?/p>