重力鑄造及低壓鑄造活塞顯微組織與性能對比

■ 王劍，王云峰，董傳成，孫淑霞

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發動機活塞設計時一般優先考慮材質較輕、性能良好的鋁合金，隨著發動機功率密度不斷提高，鋁合金活塞材料需要具有更優異的力學性能才能滿足發動機的排放要求。我公司研發了一種創新型的活塞低壓鑄造成形方法。低壓鑄造是鋁合金液在澆注完成后的特定時間內，利用低壓設備對活塞承受熱力載荷最大的頂面施加一定時間及強度的低壓壓力的成形方法，相比傳統重力鑄造，工藝更加復雜且成本較高。本試驗通過對比驗證，研究重力鑄造及低壓鑄造活塞顯微組織和性能對比，找出兩者的區別，希望對低壓鑄造在活塞生產行業的推廣能起到一定作用。

1. 顯微組織對比驗證

利用重力鑄造及低壓鑄造兩種成形方法試產JT53A活塞各20只，分別使用重力鑄造、澆注溫度800℃、串水；低壓鑄造、加壓0.4MPa、澆注溫度800℃、串水冷卻兩種工藝方法進行試產。沿活塞頂部中心處避開冒口截取試樣，試樣面積不小于2cm2,用0.5%的氫氟酸水溶液侵蝕10s，用PM3型金相顯微鏡對活塞顯微組織進行對比檢驗，如圖1、圖2所示。

圖1中顯示微觀縮松尺寸較大且比較集中，但數量較少。圖2中顯示微觀縮松極少，且尺寸也小。但重力鑄造及低壓鑄造兩種成形方法生產的活塞金相組織等級基本無變化。

通過以上比較可知：重力鑄造及低壓鑄造都會出現縮松，采用低壓鑄造可顯著改善顯微縮松狀況，降低顯微縮松數量；金相組織等級基本無變化。

2. 活塞機械強度對比驗證

對重力鑄造及低壓鑄造活塞試產的40只活塞，從活塞銷孔至頂面之間截取試樣，按GB228進行試樣制備并對試樣進行編號，在常溫及300℃時對重力鑄造及低壓鑄造活塞分4組、各10只。高溫抗拉強度試驗溫度加熱至300℃，保溫0.5h后測定，利用CMT4204型電子材料試驗機進行抗拉強度測試，結果見表1、表2。

圖1 重力鑄造（100×）

圖2 低壓鑄造（100×）

從表1、表2可以看出，JT53A活塞重力鑄造常溫抗拉強度平均值為244.7 MPa，300℃抗拉強度平均值為124.8 MPa；JT53A活塞低壓鑄造常溫抗拉強度平均值為248.9MPa，300℃抗拉強度平均值為133.3MPa。使用低壓鑄造成形方法生產的活塞常溫抗拉強度稍高于重力鑄造成形方法生產的活塞，300℃時的抗拉強度提高約7%。

表1 JT53A活塞重力鑄造及低壓鑄造常溫抗拉強度對比

表2 JT53A活塞重力鑄造和低壓鑄造300℃抗拉強度對比

3. 結語

（1）與重力鑄造相比，低壓鑄造活塞顯微組織更加致密，顯微縮松較少，出現顯微縮松傾向更小，可保證活塞的性能穩定性；在相同鑄造工藝下，二者的金相等級沒有差別。

（2）使用低壓鑄造活塞，常溫抗拉強度比重力鑄造活塞略有提高， 300℃抗拉強度比重力鑄造活塞提高7%左右，增加了活塞的耐熱負荷能力。

（3）低壓鑄造相比重力鑄造成本及工藝難度略有增加，應根據活塞性能要求、成本等多方面考慮選擇合適的鑄造工藝。