ZL109铝活塞固溶开裂的原因及防止措施

张均红

(武汉船舶职业技术学院实训中心,湖北武汉 430050)

我院附厂生产的铝活塞,采用金属型挤压铸造工艺,用钠盐进行变质处理,并进行了常规的固溶时效处理。在固溶冷却以及随后的时效过程中,发现2～3%的活塞产生了明显的裂纹,有的甚至出现裂缝,造成了严重的经济损失。本文分析了ZL109铝活塞固溶开裂的原因,并提出了相应的预防措施。

1 裂纹的部位与特征

从宏观看,裂纹主要部位是在铝活塞形状最复杂的底部,呈不规则的曲线。如图1所示。另外,在活塞的外壁也有少量极细的微裂纹。

图1 活塞底部裂纹

通过金相分析,发现裂纹主要是沿着粗大的针状共晶硅的方向开裂,裂缝呈氧化黑色,形状不规则,如图2～4所示。

图2 裂纹尖端(0.5%HF水溶液腐蚀)50X

图3 裂纹中部1(未腐蚀)200X

图4 裂纹中部 2(未腐蚀)200X

2 裂纹形成的原因

2.1 粗大针状共晶硅的影响

合金的力学性能在很大程度上决定于共晶硅的分布形态和细化程度。经金相分析发现,组织中裂纹周围含有较多粗大的针状共晶硅以及多角状的初晶硅,如图2～4所示。特别值得注意的是,裂纹的方向基本都是沿着粗大针状共晶硅的方向,如图3、图4所示。这些粗大的共晶硅使铸件的力学性能,特别是强度和塑性降低,大大增加了活塞在固溶冷却过程中的开裂倾向。

2.2 内应力的影响

ZL109铝活塞铸件形状复杂,厚薄不均,在铸件凝固过程以及热处理固溶过程中各部位冷却速度不一致,会产生较大的内应力,当应力超过合金材料的抗拉强度时,铸件被拉裂,形成热裂纹。从裂纹的宏观部位可见,裂纹主要是在活塞形状最复杂的底部(图1),说明活塞在固溶冷却过程中,形状复杂处集中的内应力对活塞开裂有较大的影响。

3 预防措施

由于活塞开裂的主要原因是由于粗大针状共晶硅和内应力的影响,因此预防活塞开裂的主要措施也应该从这两方面着手。

3.1 改进变质处理工艺

由于变质处理的主要作用是细化粗大的共晶硅,并使其均匀分布。因此改善变质处理工艺,提高变质效果,可以大大减少铸件组织中的粗大针状共晶硅以及块状粗晶硅的含量,使活塞的强度和塑性提高,并降低铝活塞的变形开裂倾向。经过生产实践发现,采用40%NaCl+15%KCl+45%NaF混合盐变质处理比采用单一钠盐效果要好,变质处理后硅细化较为充分,并且分布均匀,合金中粗大针状共晶硅和块状初晶硅含量较低,另外白色的α相也较为细小均匀,如图5所示。

3.2 改进铸造工艺

图5 采用(40%NaCl+15%KCl+45%NaF)混合盐变质处理后的显微组织50X

在铸造过程中,合金的化学成分应准确,杂质含量不能超标。特别是铁相,会降低硅在铝中的溶解度,使合金中产生较多粗大的针状共晶硅及块状的初晶硅,对铝合金的性能影响较大。应注意避免熔体过热以及铝液在坩埚内停留时间过长,否则铁质在高温下容易渗入铝液中,使铝液增铁。生产实践证明,一般应控制含铁量在0.7%(质量分数)以内,否则会产生较多的共晶硅和初晶硅。

为防止铝液增铁,还应严格控制炉温,使浇铸时铝液温度保持在700～720℃温度范围内。坩埚内壁应严格喷刷防护涂料,并定期更换坩埚。铸造时铝液的流动和冷却速度要均匀,以尽量减少铸造过程中残留的内应力,降低活塞冷却时的开裂倾向。

3.3 改进热处理工艺

传统的热处理工艺为(515±5)℃×(8～10)h固溶,(155±5)℃×(6～8)h时效处理,固溶冷却时的水温为60～100℃[1]。我院附属工厂生产的铝活塞采用的实际热处理工艺为(530±3)℃×(4.5～5)h固溶,(180±5)℃×4h时效处理,固溶冷却时的水温为90～100℃。所做的改变主要是提高了固溶温度,降低了固溶和时效时间,提高了固溶冷却时的水温。固溶加热温度的适当提高,使固溶体的饱和程度增大,固溶体中的强化组元接近于极限浓度,其强化效果也得到了相应的增强。与此同时,固溶和时效时间的缩短,使生产成本大大降低。对于固溶时的水温,当生产的零件形状简单时采用较低水温是合适的,但铝活塞形状复杂,内应力集中程度较大,因此通过提高固溶冷却时的水温,降低活塞在固溶冷却时的冷却速度,可以大大减轻内应力对活塞开裂的影响。经实践验证,这一措施具有十分明显的效果。另外,活塞固溶处理后应及时进行人工时效,也是预防开裂的有效措施。

4 结 论

(1)影响ZL109铝活塞开裂的主要原因是合金中粗大针状共晶硅和初晶硅的含量过高,其次是在活塞形状最为复杂的底部因铸造和热处理时产生的内应力过大。

(2)通过严格控制铸造工艺要点、采用合理的变质剂以及改善热处理工艺(主要是提高固溶冷却时的水温,及时进行人工时效),不但提高了活塞的强度和耐磨性,而且有效地防止了变形开裂,可以使活塞的开裂控制在0.5%以内,节约了成本,提高了生产效率。

1 李炯辉.金属材料金相图谱[M].机械工业出版社,2006