铝活塞针状气孔缺陷分析及改进措施

丁贵才

摘 要：文章主要针对柴油机铝活塞气孔存在的缺陷问题进行分析，并且依据实际情况提出了一些相应的改进措施，以保证铝活塞的质量，降低废品率，提高资源的综合利用率。

关键词：铝活塞；针状气孔；缺席及改进措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.040

文章主要以某厂所生产的铝活塞为例进行分析。大功率柴油机在制造中对铸件的要求较为严格，工作人员经研究发现，铝活塞废品率较高的主要原因是销孔位置出现针状气孔，存在较大缺陷，导致整体设备不能正常使用，整体资源利用效率较低。

1 铝活塞概述

铝活塞在制造中主要是以铝合金为基础材料，其中包括：0.8～1.4%的富砷混合稀土元素及Sn、Pb、Zn、Cr、Ti微量金属元素。在熔炼工作中，稀土元素和合金元素相互作用，就可以形成多种稀土化合物，并且所形成的合金组织匀称，线膨胀系数小，强度大，稳定性都较好，可加工性较强，抗拉强度大于等于275N/mm2，硬度为：HBS95-135。通常来说，铝活塞的工作环境为：高压、高温、高速，在工作中铝活塞都是和高压气体直接进行接触，温度可以达到2500℃，并且散热条件较差，所以活塞顶端所承受的气体压力较大，此时活塞就会产生冲击力，还会受到侧面压力。活塞在气缸中的运行速度为8-12m/s，并且速度在不断变化，由于所产生的惯性较大，就会导致活塞在运行中出现很大的加载荷，进一步对活塞的使用寿命造成较大影响。在我国汽车制造加工行业中，铝活塞已发展成为轻质高强度的新材料，且占据着重要地位，因此，只有不断强化其制造工艺，加强对各种问题的优化处理，才能从根本上提高铝活塞质量，降低废品率，提高资源利用效率，保证铝活塞制造企业良好的经济效益。通常将高负荷活塞的销孔设计成微内锥型或正应力曲面型（异型销孔），销孔尺寸精度达IT4级，轮廓精度为0.003mm。

2 铝活塞制造工艺

某工厂铝活塞主要制作流程为：先对铝合金进行熔炼，该环节主要包括：除气处理、除渣处理、变质处理等，然后在对其进行低压浇铸。

3 铝活塞针状气孔分析

3.1 针状气孔的影响

在铝活塞应用中，针状气孔一定程度上减少了铸件的截面积，并且会产生局部应力，最终导致金属的整体强度降低，缩短了铝活塞的使用寿命。

3.2 铝活塞针状气孔的成因分析

经过工作人员的研究分析，铝活塞针状气孔形成的主要原因为：

（1）低压坩埚中的铝液存在气体；（2）金属在浇筑中，活塞的凝固顺序是从上而下，并且在凝固过程中会产生一定的气体汇集于销孔位置，如果不能及时其减少排放，最终会在此处形成气孔。

通常来说，铝合金中存在的主要气体为氢气，大约占据总量的85%，氢气主要是铝液和水产生的化学反应后所形成的产物，化学式为：在高温条件下，Al+3/2H2o=1/2（OH）3（y-晶体）+3H（溶于铝液）。铝合金在大气中进行熔炼，会产生一定的氧化物，使得铝液中的含气量骤增。如果铝合金熔炼时间越长且温度较高，那么铝液对气体的需求量就越大。

在研究中，铝液中如果有气体，就说明只具备了针孔形成的条件，对于是否形成针孔或者形成针孔的大小主要取决于铸件在浇筑中的凝固作用以及凝固中铝液的外部压力。如果铸件凝固速度越快，那么铝液的外部压力越大，就说明形成针状气孔的可能越小。在低压铸造中由于外部压力较大，相对冷却速度较快，可以有效减少气孔的产生，需要注意是，如果气体不能顺利排出，那么就十分有可能在出现气孔，因此，在实际应用中工作人员可以采用涂料层蓄气进行排气，主要是由于涂料层和金属型相比具有良好的孔隙度，所以具有一定蓄气和通气能力。

经过分析发现，铝活塞制造过程中销孔出现针状气孔的主要原因是：

（1）铝合金的熔炼时间较长，并且熔炼温度较高，铝液中氧化物杂质较多；（2）三元变质过程中极易吸收水蒸气，导致在三元进行处理的时候铝液中气体含量较大；（3）浇筑工作中，空气中的水涨气和铝液以及氧化杂质容易出现化学反应，进而导致铝液中气体含量增加；（4）浇筑工作中，充型速率较快，导致铝液的整体凝固时间减少，一些气体不能及时排除，从而出现针状气孔；（5）浇筑工作中，在模具处理中涂料层的使用较少，不能及时吸收铝液凝固时所产生的气体，从而导致销孔位置出现针状气孔。

4 铝活塞针状气孔的改造措施

在实际工作开展中，针对上述问题所提出的改造措施为：

（1）在零部件制造过程中，在储气罐中加入适当量的干燥剂。更换周期为每月更换一次，在空壓机运行前，应该及时将其中的水排放干净。（2）工作人员应该及时对铝合金的熔炼时间以及熔炼温度进行控制，保证各项工作可以在较短时间内完成，同时需要注意的是除气工作前，应该及时将铝液中存在的氧化物杂物去除干净，保证铝液的整洁性。（3）工作人员可以采用四录化碳对气体进行排放，并且对此种方式进行多次利用，还可以及时去除杂质。（4）在变质工作开展以前，工作人员应该及时将变质剂进行干燥处理，就可以同时达到除气除杂的目的。（5）在浇筑工作中，工作人员应该及时在销孔处喷涂涂料层，主要工作原理是通过对涂料层的利用，让涂料层吸收铸件凝固中所出现的气体。

5 总结

综上所述，铝活塞对于我国制造行业的持续发展具有重要意义。销孔位置的针状气孔是较为常见问题，对铝活塞的质量具有直接影响，在铝活塞制造只有从实际情况出发，针对不同情况采取不同措施，才能更好的对针状气孔进行有效处理，提高铝活塞质量。

参考文献：

[1]邬智立.发动机铝合金活塞铸件缺陷分析及铸造工艺改进[J].铸造，2018（01）：45-48.

[2]刘洋，侯佳新，张志壮.A356铝合金低压铸造轮毂轮辐缺陷分析及改进措施[J].铸造技术，2017（12）：2940-2943.

[3]李鹏.LC9铝合金扭力臂下接头锻件的缺陷分析及改进[J].热加工工艺，2018（09）.

[4]苏平，陈运涛，陈雕璞等.柴油机铝合金活塞铸造工艺数值模拟研究[J].精密成形工程，2016（02）：59-63.

[5]郑许，唐露华，何克准等.7075铝合金预拉伸板材缺陷分析及预防措施[J].热加工工艺，2017（05）：248-250.