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作者：張毅    

  Mg-G d-Y系合金具有許多優(yōu)良的特性，密度只有Al-Si活塞合金的70%，高溫力學(xué)性能比Al-Si活塞鋁合金高，在300℃時(shí)Mg-G d-Y耐熱鎂合金的抗拉強(qiáng)度仍達(dá)到240 M Pa，在200℃時(shí)出現(xiàn)最大抗拉強(qiáng)度為341.1 M Pa，而在25～200℃時(shí)摩擦磨損率均低于傳統(tǒng)活塞用Al-Si合金。，同時(shí)具有高比強(qiáng)度和比剛度、良好的抗沖擊和抗壓縮能力、良好的鑄造性能。Mg-G d-Y系合金通過Zn的加入，可以獲得長(zhǎng)程有序的晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善其高溫抗蠕變性能。這些特性為Mg-G d-Y系鎂合金應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞提供了可行性。

    本課題采用金屬型重力鑄造工藝制備Mg-G d-Y-Z n-Z r耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，對(duì)成形過程中出現(xiàn)的一些缺陷進(jìn)行分析，通過成形工藝的改進(jìn)找出消除這些缺陷的措施。并對(duì)優(yōu)化后制備鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的本體進(jìn)行固溶時(shí)效處理，對(duì)比了鑄態(tài)及固溶時(shí)效態(tài)的組織結(jié)構(gòu)及維氏硬度。

1  試驗(yàn)方法

1.1  合金熔煉及成形

    試驗(yàn)材料（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：純Mg(99. 95%)、純Zn(99.95%)、Mg-25Y、Mg-25Gd和Mg-30Zr中間合金。首先將這些合金在干燥箱中預(yù)熱2～3 h，預(yù)熱溫度為150～200℃，然后加入到鑄鐵坩堝電阻爐中熔煉Mg-G d-Y-Zn-Z r合金。當(dāng)合金全部熔化后將熔煉溫度升高到760℃精煉10 min，然后靜置20 min，最后將爐內(nèi)合金液冷卻到740℃后，撇去表面的浮渣以備澆注。在澆注前，活塞模具預(yù)熱到150~250℃，在其表面噴涂金屬型石墨涂料。合金液在熔煉和澆注過程中通人SF6+C02混合氣體保護(hù)，尤其在澆注過程中，盡可能排除活塞模具內(nèi)空氣。

1.2合金成分、組織及性能測(cè)試

    Mg-G d-Y-Zn-Z r鎂合金活塞本體的化學(xué)成分由Perkin Elmer Plasma 400型等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)試，其結(jié)果見表1。

    對(duì)鎂合金活塞本體裙部和頂部取樣，試樣經(jīng)過535℃×16 h固溶處理和225℃×16 h時(shí)效處理。金相顯微組織采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精腐蝕，無水酒精清洗并用濾紙吸干，在XJL-30型金相顯微鏡上進(jìn)行觀察。維氏硬度采用HV-30型維氏硬度計(jì)測(cè)試，加載時(shí)間為15 s，載荷為50 N，取10個(gè)點(diǎn)測(cè)量，并求取平均值。

2  試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1  澆道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

    采用鋁合金活塞模具直接澆注Mg-G d-Y-Zn-Z r鎂合金活塞，見圖1。澆注溫度為740℃，模具預(yù)熱溫度為150 0C。由于鋁合金和鎂合金在鑄造性能上存在很大差異，如鎂合金的流動(dòng)性較差，熱裂傾向性大，充型過程中鎂合金熔體極易充型不完整，使活塞的裙部、銷孔處沒有成型，補(bǔ)縮冒口處易出現(xiàn)澆不足和冷隔缺陷。

    針對(duì)活塞模具的澆道進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，增大直澆道和橫澆道的截面積，從而增加合金液的填充的速度，減少充型時(shí)間，同時(shí)減少了澆注過程中模具自身對(duì)合金液的冷卻作用；擴(kuò)大澆道澆口杯截面積，增加澆注過程中合金液壓頭和補(bǔ)縮量，有利于合金液的充型和補(bǔ)縮。修改后活塞鑄件見圖2，可見基本解決了鎂合金熔體充型過程中較快的凝固，導(dǎo)致活塞裙部、銷孔和補(bǔ)縮冒口產(chǎn)生澆不足的問題。

2.2鑄件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

    采用修改后的模具解決了鑄件澆不足的缺陷，但是在活塞銷孔處及裙部極易出現(xiàn)冷隔缺陷，見圖2。其主要原因是合金液在充型過程中，銷孔模塊和型芯模塊將合金液分成不同股的流向，由于澆注時(shí)鎂合金液的溫度較低，前沿液流極易冷卻凝固，當(dāng)不同流向的合金液相遇時(shí)，就容易產(chǎn)生冷隔缺陷。

    對(duì)活塞本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，增大銷孔壁厚，成形后通過后續(xù)的機(jī)械加工可以減�。辉黾尤共颗艢獠郏�同時(shí)增加補(bǔ)縮冒口的排氣槽，便于活塞銷孔處及裙部的快速充型。提高模具預(yù)熱溫度至250℃，模具修改后澆注的活塞見圖3，活塞銷孔處及裙部冷隔缺陷明顯減少。

2.3排溢結(jié)構(gòu)優(yōu)化

    通過鑄件結(jié)構(gòu)和澆注工藝的優(yōu)化，有利于氣體的排出和鑄件的成形。但是在實(shí)際澆注過程中，距離澆道較遠(yuǎn)的補(bǔ)縮冒口存在澆不足的問題，其補(bǔ)縮作用大幅度降低。主要原因是澆口杯作用被距離較近的補(bǔ)縮冒口大幅削弱，同時(shí)距離較近的補(bǔ)縮冒口中產(chǎn)生的夾渣及冷隔極易被二次沖進(jìn)鑄件，這種形式的排溢系統(tǒng)不利于補(bǔ)澆。

    對(duì)排溢系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，去除距離澆道較近的補(bǔ)縮冒口，利用澆道對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮；同時(shí)增大澆道傾斜角度，增大合金液的充填速度。采用此工藝，可以節(jié)省排溢結(jié)構(gòu)中鎂合金用量，提高工藝出品率。優(yōu)化排溢結(jié)構(gòu)后活塞鑄件見圖4，發(fā)現(xiàn)可以有效地避免夾渣及冷隔等缺陷的產(chǎn)生，充分發(fā)揮澆道和補(bǔ)縮冒口的補(bǔ)縮作用，提高了鑄件的合格率。

2.4顯微組織分析

    圖5為金屬型重力鑄造Mg-G d-Y-Zn-Z r鎂合金活塞鑄態(tài)及T6態(tài)的顯微組織�？梢钥闯�，鑄態(tài)時(shí)第二相呈點(diǎn)狀或條狀分散分布于晶界處，對(duì)于活塞裙部，且凝固速度較快，第二相呈半連續(xù)的網(wǎng)狀分布于晶界；對(duì)于活塞頂部，壁厚大且處于熱節(jié)部位，經(jīng)工藝優(yōu)化后透過澆冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，第二相呈連續(xù)狀分布于晶界。這些第二相主要是Mg24( G d YZ n)s共晶化合物和長(zhǎng)周期有序結(jié)構(gòu)相Mg12 Y1 Zn1，同時(shí)可觀察到少量的黑色點(diǎn)狀物分布于晶粒內(nèi)部，這些黑色點(diǎn)狀物是Z r核�；钊�裙部的晶粒尺寸比活塞頂部的略大，且活塞頂部的第二相分布比較彌散和均勻。經(jīng)T6處理后，鑄態(tài)時(shí)存在于晶界處的共晶化合物部分固溶到基體中，長(zhǎng)周期有序結(jié)構(gòu)相增多，晶界呈不連續(xù)狀分布，晶粒的尺寸比鑄態(tài)時(shí)略大。

2.5硬度

    表2為活塞本體不同部位不同熱處理狀態(tài)的硬度( HV)值，為了方便比較，同時(shí)給出了Mg-G d-Y-Zn-Z r合金的維氏硬度值。從表2中可以看出，活塞的裙部硬度值均高于活塞頂部的硬度值。在相同的活塞部位，T6態(tài)的硬度最大，T4態(tài)的硬度最小�；钊�本體硬度值均高于相同熱處理狀態(tài)下合金的硬度。

3  結(jié)  論

    (1) Mg-G d-Y-Zn-Z r鎂合金活塞鑄造過程中，增大澆道的截面積，可以減少鎂合金熔體充型過程中過早凝固，有利于解決活塞的裙部、銷孔和補(bǔ)縮冒口產(chǎn)生澆不足的問題。增加活塞銷孔處壁厚，同時(shí)提高模具預(yù)熱溫度至250℃，有利于減少活塞銷孔處及裙部的冷隔缺陷。

    (2) Mg-G d-Y-Zn-Z r鎂合金活塞鑄造過程中，去除離澆道較近的補(bǔ)縮冒口，同時(shí)增大澆道傾斜角度，可以有效地避免冷隔及夾渣等缺陷的產(chǎn)生，充分發(fā)揮澆道和補(bǔ)縮冒口的補(bǔ)縮作用，提高鑄件的合格率。

(3)鑄態(tài)Mg-G d-Y-Zn-Z r合金活塞本體組織中第二相呈點(diǎn)狀或條狀分散分布于晶界處，經(jīng)過T6處理后部分固溶到基體中，晶界呈不連續(xù)狀分布，維氏硬度增大，均高于相同熱處理狀態(tài)下合金的硬度值。

4摘  要采用金屬型重力鑄造工藝制備了Mg-G d-Y-Zn-Z r耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，對(duì)充型和凝固過程中出現(xiàn)的各種缺陷進(jìn)行分析，通過對(duì)成形工藝的改進(jìn)消除了缺陷。結(jié)果表明，增大澆道的截面積，可以減少活塞的裙部、銷孔和補(bǔ)縮冒口產(chǎn)生的澆不足缺陷；增加活塞銷孔處壁厚，同時(shí)提高模具預(yù)熱溫度至250℃，可以減少活塞銷孔處及裙部冷隔缺陷；去除澆道附近的補(bǔ)縮冒口，可以減少夾渣及冷隔缺陷的產(chǎn)生。鑄態(tài)Mg-G d-Y-Zn-Z r合金活塞本體組織中大量的第二相分布于晶界處，經(jīng)過T6處理后部分固溶到基體中，使T6處理后活塞裙部硬度(HV)可達(dá)到158。