耐磨镶圈与铝活塞基体粘结强度问题研究.pdf

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1、许呖彭明诚卢正欣王爱娟王海生：耐磨镶圈与铝活塞基体粘结强度问题研究19耐磨镶圈与铝活塞基体粘结强度问题研究TheR髑earchOfBonmngStrengthBetweenAnti—WearIIllaid砌ngandAIumin哪PistonMatrix畅彭明诚卢正欣王爱娟王海生(西安理工大学)[摘要]高镍铜奥氏体铸铁空心型材，在垂直连续铸造工艺条件下，全断面呈现D+E型石墨形态，用其制作铝合金活塞中镶铸的耐磨镶圈，与同样材料的离心铸管所制作的镶圈相比，因晶界密度增加而提高了铝原子扩散通量，促使形成高铝低硅的强韧相仅一舢。SiFe：，抑制了高硅低铝的脆性相Fe，(

2、Si。舢，)的出现，化合物层厚度增加4—5倍，降低了界面应力梯度；同时因石墨裸露面积减少而改善了铝液浸润状况，扩大了有效粘结面积。其综合效果是将镶圈与铝活塞基体的粘结强度提高了30—57％。[关键词]连续铸造耐磨镶圈铸铁型材铝活塞Keywordb：ContinuouscastingAnti—wearinlaidringCastironprofileAluminumpiston铝活塞中耐磨镶圈与基体的粘结分离，是影响活塞可靠性和寿命长短的重要指标之一Il】，但以往旨在提高粘结强度的研究，鲜有着眼于镶圈的铸态组织本身产生的影响，亦即对铸铁在铝液中浸渍浇铸镶嵌时的粘结响

3、应行为注意不够，具体地说，一是石墨形态对有效粘结面积的影响。二是共晶团晶界密度对铝原子扩散通量从而对化合反应物性能的影响。前者从容积性质上决定了总粘结强度，后者从单位面积强度性质上决定了总粘结强度，这两点恰是问题的本质所在，理应给予最强烈的关注。生产实践得不到先进理论的指导，有些厂家用离心铸管作为镶圈胚材，其镶圈／铝合金基体间的粘接强度远远低于行业标准【，I。而用连续铸造奥氏体铸铁空心型材制作镶铸构件，使之与铝合金熔液粘结，与传统铸件相比，其铸铁／．铝合金双金属复合构件表现出了优异的金相组织和界面强度。本文对其增强机理作一介绍和分析。1铸铁／铝合金镶铸构件制作工艺

4、1．1铸铁空心型材连铸及试样制作铸铁空心型材连续铸造是将水平连铸、低压铸造和晶体生长直拉法的特点融合一体，垂直安装结晶器于保温炉上，让结晶器和重力在三维方向上约束熔体，并使之冷凝成形，再利用熔体液柱从外向内单向凝固的时间差．在专用的垂直上引连续拉拔机构牵引下，实现空心型材的连续制备。连铸型材时．铁水经过保温炉中的一个U型通道．最后进入水冷结晶器中凝固成形。重质的铁水在U型通道中与轻质的气体、浮渣和其它杂质上下分离，只有纯净的铁水才能进人结晶器，故型材内不会出现气孔、砂眼、夹渣等缺陷。铁水在结晶器内的凝固从内套内壁开始，由外而内进行，液柱心部的铁水持续不断地补充着管

5、壳冷凝所引致的体积收缩，因而不会存在组织缩松缺陷。由此而知，连铸空心型材从成形原理上就杜绝了传统铸造的诸多缺陷。这是其具有高致密特征的根本原因。本实验的应用对象为大功率柴油发动机铝活塞镶铸镶圈，考虑到镶嵌件在缸体工作温度下与铝合金基体的热膨胀必须尽量接近，故选择了镍铜奥氏体灰铁材料，化学成分为：l元素CSiMnPSNiCuCrTiI含量％3．0．3．22．0—2．2～O．6≤0．1≤0．05～14～6～O．5O．1用中频熔化炉化铁，配置合格成分的铁水．浇注温度1450cC，在垂直连铸设备上拉制，拉拔速度内燃机与配件2013年第2期700mmin。管坯外径138mm

6、，内径102mm。连铸工艺的冷却速度为离心铸造的4—5倍，故铸态组织的石墨形态为D+E型(图1)，其共晶团体积极小，单位面积内的数量为约为4000个／mmz以上(图2)，是国家标准中灰铸铁共晶团最高级1040个／mm2(图3)的4—5倍。从管坯上切割加工出各种标准试棒．分别测试其机械物理性能，其数据及与行业标准的比较结果如表1所列。图1连铸灰铁管材的石墨形态图2连铸灰铁管材的共晶团数量图3国标中一级共晶团组织表1抗拉强度抗弯强度弹性线性膨胀项目硬度HB系数MPa模量E×101℃实测结果18l一20l444—49897一10l136一15019．7一19．8行业标准

7、≥170≥388≥96．5130—190≥18对比t6—18％t14—28％t10％可见连铸管材的弹性模量和硬度均符合行业标准，抗拉抗弯强度大幅度提高，在热膨胀仪上测出其0—200℃温区内的线膨胀系数为19．7×10吖℃，比离心铸造管坯试样的结果(17～18×lO吖℃)高出10％，与铝合金基体的受热膨胀系数(21～22×101℃)更加接近。1．2镶铸工艺在成都银河动力公司将连铸管坯车削成镶圈，在其铝活塞浇铸车间按正常工艺进行浸渍和浇注作业。传统的离心铸造管坯所作镶圈作为对比，同步进行作业。铝合金浸渍液成分：I元素FeSiMnNiCuMgAll含量％46．8lO．8

8、7O．22