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金属型铸造活塞铝合金中铁的作用研究

日期:2019-01-27 02:32

  特种铸造及有色合金980312特种铸造及有色合金 SPEC IA LLOYS 1998年 o.31998 科技期刊 金属型铸造活塞铝合金中铁的作用研究 中国兵器工业第52研究所宁波分所谭锁奎 摘要研究了不同含铁量对金属型铸造铝合金活塞的金相组织、室温、高温性能以及体积稳定性的作用,发现随铁含量增加,金相组织中针、片状铁相增多,针增粗、增长,室温和高温力学性能按不同的规律变化,而体积 稳定性几乎不变。 关键词:铁含量活塞金属型铸造 Study AluminumAlloy Piston PermanentMold Tan SuokuiRen Quanbao (Ningbo Branch No.52 Research Institute MilitaryIndustry P.R.C) ABSTRACTThis paper studies ironcontent microstructure,room temperature, high temperature properties shapestability. ironcontent increases, neddle flakeiron phase increases thickens,properties hightemperature changes differentway, shapestability almostinvariant. Key Words:Iron Content, Piston, Permanent Mold 铁在铸造铝合金中一直被认为是一种主要的有害杂质,有关的国家标准、专业标准均对其作了明确的限制, B1173-86规定我国铝硅合金活塞的铁含量小于0.7%。各企业对其控制更为严格,一般要求小于0.5% ,甚至更低。这 主要是由于随铁含量增加,在金相组织中会形成本身硬度很高的针状、片状脆性铁相,它的存在割裂了铝合金基 体,降低合金的力学性能,尤其是韧度 [1,2] ,并且使零件机加工难度增加,刀具磨损严重,尺寸稳定性差。但 是,低品质铝合金锭中铁含量本身就高,随铝合金料的回用,生产中工具、预置件的使用等使合金增铁在所难 免,因此研究铁含量对铝合金活塞组织、性能等的影响就势在必行,以期确定合理铁含量范围,指导生产。铝合 金活塞的正常工作温度在200~350 之间,活塞在这么高的温度下运动、疲劳直到报废,因此对其高温性能的研 究较室温性能更具意义。国外铸造发达国家对铁含量的限制普遍松于国内,而且将高温性能作为考察活塞质量的 主要参数,在铁含量对活塞组织、性能的影响方面也作了大量工作。据报道,铁含量显著地提高了316 时活塞的 抗拉强度 [3,4] ,且认为一定的铁含量对共晶型的铝硅合金抗蠕变性能有好处 [1,3,5] 。而国内对活塞大多只检 测常温性能,很少或不检测高温性能,就铁含量对铝合金活塞组织、性能的影响也缺乏系统的研究,铁含量对活 塞重要性能指标——体积稳定性的影响还未见报道。那么究竟铁在铝合金活塞中起什么作用?对其金相组织、室 温、高温性能以及体积稳定性有什么影响?应控制在什么范围之内才合理?本文通过对磷变质处理金属型铸造共晶型 铝硅合金活塞中铁的作用的研究,为合理控制铁含量提供了理论依据。 1试验方法 ZL109合金用工频炉熔化,电阻炉保温,磷变质处理,氟里昂-氮气混合气体精炼除气,浇注温度700~730 ,模具温度200~250 处理,拉力试样取自活塞本体,对不同铁含量试样进行组织观察、性能测试、断口分析和体积稳定性测试。高温抗拉强度在高温拉力试验机上进行,试样在300 in后高温加载测定。体积稳定性测试是将待测活塞放在250 的烘箱内,保温4h后冷却至室温,测量其头部垂直与平行 销孔两方向上在加热前后的尺寸变化量。表1为不同铁含量试样的化学成分。 表1不同铁含量试样的化学成分(质量分数) Table composition differentiron content sam ples 含量/%1.04 12.20 1.08 0.96 0.35 0.51 0.79 0.97 1.20 含量 2试验结果与分析 图1是不同铁含量铝合金活塞的金相组织,从图中可看出:白色基体为α(A l),灰色块状为初晶硅,灰色棒状为 l+Si)共晶体,灰色细针状相为铁相,灰色汉字状相为汉字形铁相,随铁含量增加,组织中铁相由单一file:///E/qk/tzzzjyshj/980312.htm 1/4页)2010-3-23 9:37:26 万方数据 特种铸造及有色合金980312 0.35%Feb. 0.79% Fec. 0.97% Fe 图1不同铁含量试样的金相组织100 Fig.1Microstructure differentiron content samples 100 汉字形铁相向汉字形铁相加针状铁相、针状铁相过渡,0.35% Fe样中铁相基本以汉字状形式存在,0.51% Fe样中有少 量细小铁针出现,而0.79% Fe,0.97% Fe样中基本以针状铁相为主,且针在不断变长,变粗。图2为将试样经混合酸腐 蚀后的铁相组织,其中黑色相为铁相。从图中可看出:当铁含量在0.30% ~1.20% 变化时,其铁相从形态到数量均在 发生变化。0.35% Fe,0.51% Fe样铁相均以网状和汉字状为主,铁相较小,0.35% Fe样只有网状和汉字状铁相,0.51% Fe 样开始有针状相出现,但铁针细小,0.51% Fe的网状、汉 a.0.35% Fe 0.51%Fe 0.79%Fe file:///E/qk/tzzzjyshj/980312.htm 2/4页)2010-3-23 9:37:26 万方数据 特种铸造及有色合金980312 0.97%Fee. 1.20% Fe 图2不同铁含量试样的铁相组织200 Fig.2Iron shapes microstructure differentiron content sapmles200 字状铁相明显多于0.35% Fe样,且铁相变大;0.79% Fe,0.97% Fe和1.20% Fe样的铁相均以针状铁相为主,且随铁含量增 加,其针状铁相明显增多、变长;0.97% Fe和1.20% Fe样的针状铁相其针长已超过国标4级,1.20% Fe样其针状铁相在 6级以上,并且发现铁相相互交错。图3为不同铁含量拉力试样的断口照片,图4为随炉浇注的•φ30 口形貌,从图中可看出:随铁含量增加,断口趋于平面化,且断口中亮点增大、增多,有粗晶粒出现,试样由弹塑性断裂向脆性断裂转变,其断裂机制也由韧窝断裂向解理、准解理断裂转变。在试验中还发现,同样的铁含量 试样,测试其室温、高温拉力试验后试样的断口不同,高温测试后试样断面凹凸不平,断裂时撕裂程度大,而室 温测试后其断面则较平坦,且随铁含量增高,该现象愈明显,两者的差别也愈大,呈现出不同的断裂机制。表2为 不同铁含量试样的力学性能,从表中可看出,除1.20% Fe样外,随铁含量增加,室温抗拉强度下降,但降低不多, 布氏硬度随铁含 图3拉力试样断后的宏观照片断口3.5 Fig.3Macroitructure after tension test section3.5 量增加略有增加,室温伸长率则随铁含量增加降低很多,0.35% Fe样伸长率为2.6% ,而0.79% Fe样之后试样的伸长率 为零或断在标外;高温抗拉强度随铁含量增加而增加,其伸长率则下降,但其幅度较室温时已大为 file:///E/qk/tzzzjyshj/980312.htm 3/4页)2010-3-23 9:37:26 万方数据 特种铸造及有色合金980312 0.59% Fe0.70% Fe0.79% Fe 图4φ30 试样断口形貌2Fig.4Section drawing φ30mm samples2 表2不同铁含量试样的力学性能 Table 2Properties differentiron conemt samples 铁含量/% 0.35 0.51 0.79 0.97 1.20 室温强度/M Pa 300,286 295,292 287,298 262,282 265,248 室温伸长率/% 2.4,2.6 1.9,1.7 高温强度/MPa 152,158 166,152 180,175 178,197 175,171 高温伸长率/% 2.6,3.0 2.4,1.9 1.5,1.6 1.5,2.3 0.5,1.5 室温硬度(H 115116 117 125 125 改善,这主要是由于针状铁相本身硬而脆,且它的针、片是穿晶存在的,这样就造成了合金在结晶和以后的受载 变形过程中铁相周边的应力集中,甚至产生微裂纹源。室温时高铁含量试样发生脆性断裂,塑性变形很小或没 有,断口平滑,且在断口处明显可见铁相的存在。在一定范围内,因铁相的大小、长短相近,造成的应力集中状 况也类似,其抗拉强度下降,但不明显;而高温时由于基体本身强度随温度升高下降很多,而此时以网状、汉字 形或细小针状存在的铁相,它本身在上述温度范围内基本不变,是稳定的化合物相,正是它的存在提高了高温下 试样的抗拉强度,高温、常温试样断口的差异也恰是这种现象的具体反映。高温时,基体相在高温下先屈服、变 形,然后铁相与其它热强相断裂,而室温时在铁相周围,尤其是粗大针状铁相周边已存在微裂纹源或裂纹源,在 受力情况下微裂纹源、裂纹源扩大伸展,铁相先断裂,基体后屈服断裂;高温时的伸长率要较同铁量室温时为 高。当然铁含量高,铁针长、粗大,裂纹源和微裂纹源也就多,因此强度、韧性下降也快。硬度试验属低应变状 态加载,且试样受压,针、片状铁相在此条件下起支撑基体骨架的硬质点作用,因此随铁含量增加,硬度值略有 增加。表3为不同铁含量活塞的体积稳定性,从表中可看出,随铁含量增加,其体积稳定性基本不变,这主要是由 于铁相对温度的响应性小,而基体的热膨胀系数决定其体积稳定性的大小。 表3不同铁含量活塞体积稳定性 Table 3Shape steady propertics differentiron contant piston 铁含量/% 0.35 0.51 0.79 0.97 1.20 体积稳定性/% 0.013 0.010 0.013 0.011 0.012 综上所述,对金属型铸造铝合金活塞,由于冷却速度高,针状铁相一般细小,加之会与合金元素形成分散的 点、网、块、棒状等热稳定性高的热强相,因此在针状铁相不超过国家标准的条件下,以高温性能来确定铁含量 的范围是合理的,对铁含量的限制可适当放宽,对含铁较高的材料,生产中应加快冷却速度,适当加入合金元素 形成化合物热强相,减少、抵消其有害作用。 *谭锁奎,男,34岁,高级工程师,浙江宁波(315041) 1杨留拴.铁元素对铝硅系活塞合金机械性能的影响.铸造技术,1986(2):59~612Crepeau Al-SiCasting Alloys: CriticalReview. AFS Transaction, 1995,103:361~366 3Bada HeatTreatment TensileProperties Aluminum-11.5Silicon-5 Nickel Casting Alloy. Modern Casting, 1966,6:104~115 4Conture AluminumCasting Alloys——A Literature Survey. AFS International Cast Metal Journal, 1981,6 (4):9~17 5Timorinaga. Influence DieCasting Alloy Al-Si-CuSystem. Japan Inst. Metals Transaction, 1965,6(2):72 ~77 收稿日期:1997-12-28 (编辑: 4/4页)2010-3-23 9:37:26 万方数据

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