铝活塞镶耐磨圈铸造缺陷分析

金属铸锻焊技术Ｃａｓｔｉｎｇ・Ｆｏｒｇｉｎｇ・Ｗｅｌｄｉｎｇ上半月出版据统计，铝活塞失效的主要形式为第一道环槽的过度磨损，致使两侧间隙变大而最终导致活塞的报废［１］。

因此，对活塞使用寿命起决定作用的是活塞第一、二道环槽的耐磨性能。

为提高其耐磨性，镶耐磨圈是解决这一问题的有效途径。

铝活塞采用镶奥氏体铸铁耐磨圈技术强化后，环槽寿命可提高３～１０倍，因此这种结构为高负荷铝活塞广泛应用。

耐磨圈与活塞材料的结合主要依靠互相扩散形成由合金扩散层和浸渍层组成的Ａｌ－Ｆｅ结合区，它们共同组成镶圈渗铝层，粘结强度为６０～８０ＭＰａ，其显微结构如图１所示。

然而与渗铝层有关的铸造缺陷会直接引起结合区粘结强度下降，并导致该结构失效。

铝合金活塞镶耐磨圈技术是１９４１年由英国威尔沃西公司最早发明的阿尔芬（ＡＩ－Ｆｉｎ）法后才得以实现，其工艺过程是：将耐磨圈喷丸、清洗、去污并烘干等预处理后，放入一定温度和成分的铝合金液中进行渗铝，经渗铝处理的铸铁环能被铝合金基体良好浸润，并获得结合良好的铸铁／铝合金界面，渗铝层厚度为０．２～０．３ｍｍ；然后取出放入活塞铸型中浇铸成型，获得镶铸耐磨圈的活塞毛坯。

１铝活塞镶耐磨圈的生产工艺控制收稿日期：２００７－１２－２７作者简介：张屹林（１９７２－），男，山东滨州人，高级工程师，学士，主要从事活塞制造工艺、模具及铝合金材料的研究与开发；电话：０５４３－３２８８９２６；Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｙｌ－ｚｑｈ＠１２６．ｃｏｍＡｌ－Ｓｉ合金ＡｌＦｅＳｉ扩散层耐磨圈浸渍层图１耐磨圈渗铝层结构Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｌｕｍｉｎｉｚｉｎｇｌａｙｅｒｏｎｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇｒｉｎｇ铝活塞镶耐磨圈铸造缺陷分析张屹林，杨景飞（山东滨州渤海活塞股份有限公司技术部，山东滨州２５６６０２）摘要：总结分析了铝活塞镶耐磨圈常见的铸造缺陷，并针对不同的缺陷形式提出了相应的解决措施。

渗铝粘结层是耐磨圈在高温铝液中通过原子的扩散反应形成的冶金结合，并且为通过铸造方法所获得，产生缺陷的几率较大。

在铸造形成渗铝层过程中，主要会出现氧化物缺陷、渗铝不充分、粘结层开裂三种形式的铸造缺陷。

采用将耐磨圈从活塞上破坏剥离后观察和取样进行金相微观分析的方法，对渗铝层上的缺陷形式及其形成原因进行了分析和研究，并从生产工艺角度出发，分别给出了不同的解决方法。

关键词：铝活塞；耐磨圈；缺陷中图分类号：ＴＧ２９２文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－３８１４（２００８）１３－０１１３－０３ＣａｓｔｉｎｇＤｅｆｅｃｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＷｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇＲｉｎｇＩｎｌａｉｄｉｎＡｌｕｍｉｎｕｍＡｌｌｏｙＰｉｓｔｏｎＺＨＡＮＧＹｉｌｉｎ，ＹＡＮＧＪｉｎｇｆｅｉ（ＴｅｃｈｎｉｑｕｅＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＳｈａｎｄｏｎｇＢｉｎｚｈｏｕＢｏｈａｉＰｉｓｔｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｉｎｚｈｏｕ２５６６０２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｃａｓｔｉｎｇ－ｄｅｆｅｃｔｓｏｆｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇｒｉｎｇｉｎｌａｉｄｉｎａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｐｉｓｔｏｎｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｕｍｍｅｄｕｐ，ａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｆｅｃｔｆｏｒｍｓｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅａｌｕｍｉｎｉｚｉｎｇｌａｙｅｒｏｆｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇｒｉｎｇｗａｓｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃｌｉｎｋｔｈｒｏｕｇｈａｔｏｍｄｉｆｆｕｓｉｎｇａｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｌｕｍｉｎｕｍｌｉｑｕｉｄ，ａｎｄｗａｓｇａｉｎｅｄｂｙｃａｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｓｏｔｈｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆｃａｕｓｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｗａｓｍｏｒｅｇｒｅａｔｌｙ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｃａｓｔｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇａｌｕｍｉｎｉｚｉｎｇｌａｙｅｒｂｙｃａｓｔｉｎｇ：ｏｘｉｄｅｄｅｆｅｃｔｓ，ｗａｎｔｉｎｇａｌｕｍｉｎｉｚｉｎｇａｎｄｃｒａｃｋｓｉｎｔｈｅｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｌａｙｅｒ．Ｐｅｅｌｉｎｇｏｆｆｔｈｅｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇｒｉｎｇｆｒｏｍｐｉｓｔｏｎａｎｄｔａｋｉｎｇａｓａｍｐｌｅｆｏｒｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｄｅｆｅｃｔｆｏｒｍａｎｄｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅｎｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｃｈｉｅｆｌｙｆｒｏｍｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｇｌｅｗｅｒｅｇｉｖｅｎｏｕｔ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍｐｉｓｔｏｎ；ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇｒｉｎｇ；ｄｅｆｅｃｔ金属铸锻焊技术Ｃａｓｔｉｎｇ・Ｆｏｒｇｉｎｇ・Ｗｅｌｄｉｎｇ２００８年７月耐磨圈与铝活塞材料的粘结质量一般通过超声波探伤来进行检测，我公司要求单侧粘结面积缺陷率小于７％，单个缺陷小于５％，两侧粘结面积缺陷重叠度小于１％。

为保证耐磨圈与铝活塞材料能够得到良好的粘结质量，必须对铝活塞镶耐磨圈的铸造工艺过程进行严格控制。

我公司一般从以下几个方面进行工艺控制：（１）渗铝液的成分合格，铁含量控制在２．５％以下，镁含量控制在０．１％以下，其他可不做严格控制，并确保铝液的清洁程度。

（２）对耐磨圈进行有效的表面处理，确保耐磨圈表面无油、无锈、无污染。

并通过机加工与抛丸清理工艺的结合获得理想的表面形貌———粗糙并不均匀、不规则的表面更有利于镶圈渗铝时的良好浸润。

要求耐磨圈表面的微观形貌如图２所示。

（３）耐磨圈在渗铝液中的渗铝时间和温度必须得到可靠保证，同时还必须通过人工或机械方式进行有效的震荡和搅动，以加快扩散层的形成。

（４）在将耐磨圈放置进铸型前，甩掉镶圈表面多余渗铝液的操作必须要轻柔且彻底；镶圈从渗铝液中取出到在铸型中被活塞合金淹没的时间不应超过３０ｓ。

（５）活塞铸型倾转方式、角度以及浇注系统设计要合理，后续机加工工艺不得破坏渗铝层。

２常见缺陷及解决措施２．１在浸渍层上的氧化物缺陷由于高温铝液极容易被空气中的氧所氧化，耐磨圈渗铝后出浴时会在其表面形成致密的氧化膜，另外耐磨圈从渗铝浴中取出到在铸型中被活塞合金淹没的时间内也不可避免会在其表面产生氧化膜，这些氧化物在浇注过程中如不能被高温的活塞合金冲刷走，便在耐磨圈与活塞材料之间形成氧化皮冷隔缺陷，如图３所示。

为了防止产生此类缺陷，铝合金在浇注过程中要保证有足够的压头和尽可能较快的浇注速度；另外铸型温度要控制在２５０～３５０℃为宜，以防止铝液在铸型中温降幅度过大，冲刷耐磨圈时不能将其表面的氧化物熔融带走。

铝合金熔炼时要除尽坩锅内、浇勺内、铝液面的氧化渣和熔剂渣。

浇注时铸型倾转２５°～３０°，以利于铝液冲刷耐磨圈，待铝液完全覆盖耐磨圈后再复位。

同时，耐磨圈自渗铝浴中取出在空气中暴露的时间过长，耐磨圈表面氧化膜厚度增加，温度降低太多，也是造成此类缺陷的一个重要因素。

铸型浇注系统设计要保证适当的充型速度，铝液充型速度快，可以保证铝液有较高的冲刷耐磨圈的能量，冲刷效果好。

但充型速度过快，铸型中在耐磨圈的最低点位置，铝液与耐磨圈接触的瞬间，空气不能顺利的逸出，会被铝液捕获压紧在耐磨圈表面，形成扁平状气泡缺陷，如图４所示。

２．２耐磨圈表面渗铝不充分耐磨圈放入渗铝液中后，在其表面两侧的一定深度内，存在两种不同的浓度梯度：①镶圈表面及内部存在铝原子浓度梯度；②接触镶圈的铝液与远离镶圈的铝液内存在Ｆｅ及Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃ等原子的浓度梯度。

在这两种浓度梯度的作用下促成的扩散反应，使镶圈与活塞铝基体之间形成了由合金扩散层和浸渍层组成的Ａｌ－Ｆｅ结合区，它们共同组成镶圈渗铝层［２］。

当扩散反应无法进行或进行不充分时，便形成了耐磨圈表面渗铝不充分的图２耐磨圈表面微观形貌Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｍｉｃｒｏ－ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇｒｉｎｇ图３耐磨圈渗铝层氧化物缺陷Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｏｘｉｄｅｄｅｆｅｃｔｓｉｎａｌｕｍｉｎｉｚｉｎｇｌａｙｅｒｏｎｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇｒｉｎｇ图４耐磨圈附近的气泡缺陷Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｂｕｂｂｌｅｄｅｆｅｃｔｓｎｅａｒｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇｒｉｎｇ铸造缺陷，其缺陷形式如图５所示。

将耐磨圈从活塞上破坏剥离下来后观察，在耐磨圈表面可看到明显的连贯的黑色铸铁基体金属或断续的混杂黑色铸铁基体金属的银白色结合层。

造成耐磨圈表面不渗铝的主要原因是耐磨圈表面在用户渗铝前检查、运送、贮存、转移、使用等过程中发生的二次污染所造成。

尽管耐磨圈在制造、抛丸清理、检验、包装等供方生产过程中做到较好的防护，但在用户处不经意的触摸造成的汗渍、油渍和存储不当造成的表面锈蚀、污损，以及使用现场的污浊环境都会使耐磨圈出现渗铝不充分的缺陷。

其次，耐磨圈表面的微观形貌也是影响其渗铝层均匀完整形成的一个重要但容易被忽视的因素。

耐磨圈在渗铝液中充分的震荡和转动可以加速扩散反应的进行，并部分消除其表面受污染带来的影响。

同时，还可使得在耐磨圈表面、尖角和沟槽处粘附滞留的气泡迅速脱离和逸出，否则在高温下耐磨圈表面迅速与气泡中的氧气反应发生氧化，从而影响扩散反应的进行。

一般采用人工手持式的震荡耐磨圈方式往往更容易受到工人经验、不同人的差异等主观因素的制约而出现探伤质量波动现象，现代化的活塞铸造工厂大部分已使用高压气动震荡器来实现这一过程。

２．３耐磨圈扩散层开裂耐磨圈表面的扩散层是由冶金方法形成的分子结合，其组织是一种金属间化合物，主要由一系列稳态的及亚稳态的ＡｌＦｅＳｉ金属间化合物组成，常见相有β－Ａｌ５ＦｅＳｉ、Ｆｅ３（Ｓｉ０．９Ａｌ０．１）、Ｆｅ３（Ａｌ０．９Ｓｉ０．１）、γ－Ａｌ３ＦｅＳｉ等［３］。

扩散层厚度在合理的工艺控制下应保持在２５～７５μｍ，其特性为硬度高、非常脆，显微硬度一般在５００～６５０ＨＶ，粘结抗拉强度一般为６０～８０ＭＰａ，剪切强度３０～５０ＭＰａ。

扩散层的厚度与渗铝层的结合强度成反比，当渗铝层受到外部机械力、热应力超过其负荷时就会发生开裂，见图６。

活塞机械加工首先要粗加工掉包容耐磨圈定位台阶的突台部分（包括活塞铝基体和耐磨圈铸铁），常规工艺采用一定的吃刀量沿活塞轴向按一定速度进给。

由于铝合金与铸铁的塑性不同，变形量大小有差异，刀具在切削过程中就会产生变形应力。

刀具一次吃刀量大、纵向进给速度快、换刀频次过长等原因都会引起机械加工应力过大，超过渗铝层强度极限便会产生开裂，严重时整个活塞头部在耐磨圈处沿圆周方向脱离下来。