高硅活塞合金热膨胀性能与化学成分的关系

上半月出版

Ｃａｓｔｉｎｇ?Ｆｏｒｇｉｎｇ?ｗｅｌ嘶９８金属铸锻焊技术

高硅活塞合金热膨胀性能与化学成分的关系

李华基，陈俊桃，胡慧芳

（重庆大学材料科学与工程学院，重庆４０００３０）

摘

要：运用正交试验设计探讨了Ａ１．２４％Ｓｉ活塞合金热膨胀性能与其主要添加元素Ｃｕ、Ｍｇ、№之间的关系．并

通过建立拟合曲线和二次拟合方程确定了最佳的Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ含量的取值范围。结果表明：Ｍｇ和Ｍｎ对合金热膨胀性能影响显著，而Ｃｕ的影响较弱，可以忽略不计，且当Ｍｇ、Ｍｎ两种元素在给定的取值范围内进行取值时，能够获得２５～３００℃温度范围内热膨胀系数为１８．７１７ｘ１０七℃４的合金。

关键词：活塞合金；热膨胀系数；添加元素

中图分类号：ＴＧｌ４６．２

文献标识码：Ａ

ｏｎ

文章编号：１００１．３８１４（２０１０）０９．００４５．０２

Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆ，ＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｐｏｓｉｔｏｎＴｈｅｒｍａｌＥｘｐａｎｓｉｏｎｏｆＨｉｇｈ

ＳｉｌｉｃｏｎＰｉｓｔｏｎＡｌｌｏｙ

ＬＩ

Ｈｕａｊｉ，ＣＨＥＮＪｕｎｔａｏ，ＨＵＨｕｉｆａｎｇ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００３０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆＣｕ，Ｍｇａｎｄ

Ｍｎ

ｏｎ

ｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｏｆＡｌ－２４％Ｓｉｐｉｓｔｏｎａｌｌｏｙｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ

ｃｕｒｖｅｓ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｂｅｓｔｖａｌｕｅｒａｎｇｅｓｏｆＣｕ，ＭｇａｎｄＭｎｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｆｉｔｃｅｄ

Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔ

ａｎｄ

ｑｕａｄｒａｔｉｃｆｉｔｔｉｎｇｅｑｕａｔｉｏｎｓ．

ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆＭｇａｎｄＭｎ

ｏｆ

ｏｎ

ｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆＣｕｉｓｗｅａｋ，ｅｖｅｎ

ａ

ｎｅｇｌｉｇｉｂｌｅ．Ｗｈｅｎ

１８．７１７ｘ

ｔｈｅ

ａｔ

ｃｏｎａｎｔＭｇａｎｄＭｎｖａｒｙｉｎ

ｇｉｖｅｎｖａｌｕｅｒａｎｇｅ，ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅａｎｏｙｉｓ

１０－６℃’１２５～３００℃．

ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ａｄｄｅｄｅｌｅｍｅｎｔｓ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｉｓｔｏｎａｌｌｏｙ；ｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎ

活塞是发动机的“心脏”。在高速、高压、高温、润滑不良的条件下工作，因而对活塞材料的耐磨性、热膨胀性、高温强度等要求非常高【¨。变质处理后的过共晶铝硅合金因其具有较低的热膨胀系数而成为人们舶研究热点，并且取得了很好的成果。但是，很多学者［２－５］对高硅活塞合金的研究目前仅着眼于对通过怎样的变质处理或者外在手段来获得较低热膨胀系数。而少有对合金成分含量的变化对热膨胀性能影响的研究。为此，本文通过正交试验法探讨Ａ１－２４％Ｓｉ中主要添加元素Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ对合金热膨胀性的影响。从而得出各元素成分含量与合金热膨胀系数间的定量关系。

本实验是在变质剂都一定的前提下探讨Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ三种主要添加元素含量变化对合金热膨胀性能的影响，因此，根据实际情况采用四因素三水平的正交设计，使用Ｌ９（３４）的正交表［ａｌ，如表ｌ所示。

表１

Ｔａｂ．１

Ｆａｃｔｏｒｌｅｖｅｌｔａｂｌｅｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ

正交试验因素水平表（质量分数。％）

ｔｅｓｔ（ｗｔ％）

Ｂ（Ｍｇ）

Ｏ．３０．７５１．２

水平

１２３

Ａ（Ｃｕ）

Ｏ．５１．５２．５

Ｃ（空列）（１）（２）（３）

Ｄ（Ｍｎ）

Ｏ．２Ｏ．４Ｏ．６

１．２实验过程

实验用原材料分别为９９．７０ｗｔ％铝锭。１一结晶硅，９９．９５ｗｔ％镁锭，９９．９ｗｔ％锌锭，Ａ１．５０％Ｃｕ、

１实验方法及过程

１．１实验方案的制定‘

灿．１０％Ｍｎ和Ａ１一Ｔｉ５一Ｂ１中间合金。变质剂为Ａ１．３．５％Ｐ。Ａ１．１０％Ｉ也和Ａｌ－８％Ｓｒ，各原材料均按熔体总重的百分数加入。

在ＳＧ２．５．１２型电阻坩埚炉中采用特定的熔炼

收穑日期：２００９－１２—１４

作者简介：李华基（１９４５一），男，广东南海人，教授；

电话：０２３－６５１１１２１２；Ｅ—ｍａｉｌ：ｉｉｈｕａｊｉ＠ｅｔａ．ｃｑ．∞

通讯作者：陈俊桃（１９８６－－），硕士研究生；电话：１３７５２９１０９８１；

Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｊｕｎｔａ０１９８６＠１２６．ｃｏｍ

工艺进行熔炼，采用Ｐ、ＲＥ、Ｓｒ进行复合变质，变质前后均需用Ｃ２ｃ１６精炼１０－－一１５ｍｉｎ，静置扒渣，然后将熔炼好的合金液浇入预热好的金属型模具中。浇注温度为８２０℃，从而得到Ａｌ－２４％Ｓｉ合金试样。

《热加工工艺》２０１０年第３９卷第０９期

金属铸锻焊技术｜Ｃａｓｔｉｎｇ?Ｆｏｒｇｉｎｇ?Ｗｅｌｄｉｎｇ

对浇注试样进行Ｔ６热处理。工艺为：①固溶处理，（５０５＋－－５）。ｃＪＪｎ热４ｈ，水冷；②时效处理，（１７５±５）℃加热８ｈ，空冷。

截取浇注试样的一部分。按照ＧＢ／Ｔ４３３９．１９９９加工成热膨胀试验专用试样，在ＮＥＴＺＳＣＨＤ几４０２Ｃ型试验机上进行热膨胀试验，升温速度为３℃／ｍｉｎ，医力Ｆ为２０

ｍＮｏ

２０１０年５月

和‰对热膨胀系数的影响最为显著，其微小的变

化就会引起热膨胀系数的急剧变化，而ｔｏｏｌ对热膨胀系数影响最弱。其图线变化趋势十分缓慢，因此在实验和生产过程中为保证合金具有较低的热膨胀系数．需要控制好Ｍｇ和Ｍｎ的含量。由于Ｍｇ在熔炼的过程中很容易烧损．因此在配料计算时需要加上Ｍｇ的烧损量，且烧损率的选择应趋向于较大者，并且在熔炼的过程中，针对Ｍｇ烧损很严重的情况，还应随时补加入Ｍｇ。

２．２建立拟合方程进行分析

根据图１曲线建立如下的二次拟合方程：

２实验结果及分析

２．１实验结果极差分析

按照上述计划进行实验，将各个实验结果记录如表２所示。

裹２

Ｔａｂ．２

ａｏ（１ｘ１０缶℃。１）＝１８．８７—０．１９ｔｏＱ舯．０５９＆，‰

正交试验极差分析表

Ｒａｎｇｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔ

丑

（０．５≤∞０Ｉ≤２．５）（１）

试验号

ｌｏ≯３’∥５’扩，８０矿ＩⅡ

ｎｌ

Ａ

ＣＤ

（Ｃｕ）

ｌｌ１２２２３３３５７．９１６４５６．１４２５６．２９８８１８．７９２１８．７１４１８．７６６０．２５８

（Ｍｇ）

１２３ｌ２３ｌ２３５８．１５７７５５．４１６７５５．７８３８１９．３８６１８．４７２１８．５９５０．９１４

（空列）

ｌ２３２３１３ｌ２

（Ｍｎ）

ｌ２３３ｌ２２３

ｌ

２５～３００＂Ｃ热膨胀系数

ａ／（ｘ１０‘℃。１１

１９．７８８２１８．３７７３１８．７５０９１９．６３６５１８．５６１５．１７．９４５０１８．７３３０１８．４７９９１９．０８７９

ｎ《ｌｘｌ０石℃Ｊ）＝２０．５７５５－４．７３０９ｔｏ魄＋２．５６８２ｔ０２ｒ噍

（０．３≤ｎｈ≤１．２）（０．２≤∞№≤０．６）

（２）（３）

ｎ№（１ｘｌＯ石℃Ｊ）＝２１．３２９５－１４．４０２５∞ｕ，＋１７．４０６３∞ｋ

由（１）式可知，当∞血在其取值范围内变化时，其热膨胀系数变化非常缓慢。且其最低值为１８．７１７ｘ１０石℃～．满足活塞在使用时对热膨胀系数的要求．因此可以认为Ｏ）Ｃｕ在其取值范围内任意取值均有效。再根据（２）和（３）式，计算当热膨胀系数为１８．７１７ｘ

５７．４７３６５５．０５５３５６．８６５３１９．１４６１８．３５２１８．９５５０．７９４

Ｉ／３Ⅱ／３ＩＩＩ／３极差

ｌＯ巧℃。时‰和‰的取值范围，见表３。

表３‰、‰和‰的取值范围（％）

Ｔａｂ．３

Ｔｈｅｖａｌｕｅｒａｎｇｅｏｆ∞崦０．５７～１．２０

Ｏ）ｃａ，矗ｋ

ａｎｄ

ｍ一％）

‰

从表２可以看出，Ｍｇ和Ｍｎ元素对合金热膨胀性能的影响最大．而Ｃｕ对其影响较弱。为了更明显地看出各添加元素含量的变化对热膨胀性能影响的情况，根据上述数据作出曲线图，如图ｌ所示。

２．３验证试验

０．５～２．５

‰

Ｏ．２７～Ｏ．５６

２５～３００℃热膨胀系数

口／（ｘｌＯ‘℃‘１）

１８．７１７

为了验证上述分析结果的准确性，选择５种不同于上述正交试验的合金成分进行试验，采用相同

ｐｏｏｎ２

Ｉ＾

的熔炼工艺。试验结果如表４所示。

表４验证试验结果

Ｔａｂ．４

Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｖａｌｉｄａｔｉｎｇｔｅｓｔ

岜ｆ

ｐ

’

试验号

１’２０３０矿５’

‰（％）

０．７（％）

１．Ｏ１．５１．９２．２

‰（％）

Ｏ．４Ｏ．４Ｏ．７Ｏ．８１．Ｏ

‰（％）

Ｏ＿３Ｏ．２０．２０．４Ｏ．５

２５～３００＂Ｃ热膨胀系数

ａ／（ｘ１０‘℃。１１

１９．４１２４１９．６５８７１９．２３２４１８．３３２５１８．２１１６

２

×

∑廿

元素含量（、Ⅳｔ％）

图ｌ

Ｆｉｇ．１

添加元素对热膨胀性能（∞的影响

ｏｎ

在４。、５。试验中Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ含量均在表３给出的取值范围内取值．其热膨胀系数均小于１８．７１７ｘ１０ｒ６℃～．且各种元素的作用规律基本保持不变。ｌ号试

Ｅｆｆｅｃｔｏｆａｄｄｅｄｅｌｅｍｅｎｔｓ

ｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎ

可以看出，热膨胀系数随着‰、‰、‰的增加都是先减小后增大，但从图线的陡峭程度上看，‰

验的岷，３号试验的‰，以及２号试（下转第５０页）

Ｈｏｔ

Ｗｏｒｋｉｎｇ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

２０１

０，Ｖ０１．３９，Ｎｏ．０９

金属铸锻焊技术Ｃａｓｔｉｎｇ?Ｆｏｒｇｉｎｇ?Ｗｅｌｄｉｎｇ

成颗粒状：当电流密度为３３．９６ｍＡ／ｍｍ２时共晶Ｓｉ有很多呈现颗粒状，组织比原始试样相比更加分散，但Ｓｉ相间距、线长度又开始变大了；当电流密度为５６．６５ｍＡ／ｍｍ２时，有部分共晶Ｓｉ呈颗粒状部分仍呈较短的针片状．Ｓｉ相间距、线长度与上个电流密度时的相比又变大了些：当电流密度为８４．９４ｍＡ／ｍｍ２时共晶Ｓｉ

２０１０年５月

电流密度为１６．９７ｍＡ／ｍｍ２时其晶粒直径最小，Ｓｉ相间距最小，故此时的共晶合金获得最佳的力学性能，即有最大的抗拉强度和硬度。４

结论

（１）交流电场能够细化晶粒，使单位面积上的

呈颗粒状及较短的针片状，组织分布变的更加分散。Ｓ湘

间距、线长度较上一电流密度时的相比变大了。

当电流密度较小时，起伏效应起主导作用，导致共晶Ｓｉ相间距变小．由较长的针片状变成细长的针片状，组织分布比原始试样的密。当电流密度增大到３３．９６ｍＡ／ｍｍ２时，由于电流密度过大产生大量的焦耳热，此时焦耳热对共晶合金的组织变化起了主导作用。焦耳效应会引起凝固组织的粗化，电流密度越大，则焦耳效应越强，凝固组织粗化的程度越大。３．３力学性能结果分析

在本次试验中力学性能试验为两方面测试．抗拉强度和硬度。由图３的抗拉强度与电流密度的关系可以得出当电流密度为１６．９７ｍＡ／ｍｍ２时，抗拉强度达到最大值１２０．７ＭＰａ．并且施加交流电场的试样的抗拉强度较未施加交流电场的原始试样的抗拉强度大。

图４是硬度与电流密度的关系曲线图。可以得出当电流密度为５．６６、１６．９７和８４．９４ｍＡ／ｍｍ２时．硬度比原始试样的大，最大值出现在电流密度为１６．９７ｍＡ／ｍｍ２时，最大硬度值是９２．３ＨＲＢ。而电流密度为

３３．９６ｍＡ／ｍｍ２和５６．６５

晶粒个数增多，减小晶粒的直径。当电流密为１６．９７ｍＡ／ｍｍ２时，效果最明显。

（２）交流电场使Ａ１．Ｓｉ共晶合金表现为亚共晶的生长方式，抑制了ｓｉ相的长大，共晶Ｓｉ由较长的针片状演化成细小的针片状及较少的颗粒状。

（３）交流电场使Ａ１．Ｓｉ共晶合金的Ｓｉ相间距变小，线长度变短。

（４）通入一定数值的电流能够提高Ａ１．Ｓｉ共晶合金的力学性能，当通入的电流密度为１６．９８ｎｌＡ／ｍｍ２时，能得到最佳的抗拉强度和硬度。参考文献：

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ＭｉｓｒａＡＫ．Ａｎｏｖｅｌｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｌｌｏｙｓ：ｕｎｄｅｒ

ｔｈｅ

ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ

ｏｆ

ａｐｐｌｉｅｄ

ｏｆ

ｍｅｔａｌｓａｎｄ

ｍＡ／ｌ＂ｎＩｌ＂１２时硬度较原始试样

ｐｏｔｅｎｔｉａｌ川．Ｍｅｔａｌｌ．

日

的硬度小了很多。相差近５０％。

组织的变化决定性能变化，通入交流电场后，由于起伏效应使晶粒尺寸减小，Ｓｉ相间距发生改变。因而使通电后共晶合金的力学性能发生改变。由于（上接第４６页）

［７】

Ｔｒａｎｓ．，１９８５，（１６Ａ）：１３５４—１３５５．

ＦｌｅｍｉｎｇｓＭ

Ｃ．树枝状晶刃智ｌ二金属组成物。制造方法．

［８１

本特许公报【Ｊ】．平５－３３２９０，１９９３，（１０）：４９－６０．

ＷａｒｎｅｒＪＣ。ＶｅｒｈｏｅｖｅｎＪＤ．Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆ

ｅｕｔｃｃｔｉｃ

ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ｍｅｔ．Ｔｒａｎｓ．，１９７５．１：ｉ０．１５．田

值，所得各金热膨胀系数明显大于１８．７１７×１０吧！。

３

验的‰和ｎ，№均不在表３给出的取值范围内取

结论

（１）Ａ１．２４％Ｓｉ合金的热膨胀性能与其化学成分之间关系密切．三种元素Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ在给定的取

参考文献：

ｎ１

囝吲

萎萋三’篙嚣篓鬻嚣≯成分的

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值范围内取值．可得到热膨胀系数低于１８．７１７ｘ℃。１的合金。

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（２）Ｍｇ和Ｍｎ对合金热膨胀性能具有显著影响，其微小的变化就会引起热膨胀系数的急剧变动，因此在试验和生产中需要严格的对Ｍｇ和Ｍｎ的含量进行控制。

高温性能研究川．特种铸造及有色合金，２００８，（４）：３１４－３１５．田

Ｈｏｔ

Ｗｏｒｋｉｎｇ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

２０１０，Ｖ０１．３９，Ｎｏ．０９