发动机活塞用耐热稀土镁合金的开发研究

摘要

Mg-Gd-Y系镁合金具有高比强度和比刚度、高温力学性能优异、良好的抗冲击和抗压缩能力,密度只有传统Al-Si活塞铝合金的70％,而高温力学性能比传统的Al-Si活塞合金高,这些研究结果为Mg-Gd-Y系镁合金展开了令人兴奋的发展前景,为Mg-Gd-Y系稀土镁合金应用于汽车发动机活塞具有一定的可行性和前瞻性。
　　 本文研究了Mg-11Y-5Gd-2Zn-0.5Zr(WGZ115)和Mg-10Gd-3Y-0.5Zr(GW103)两种铸态耐热稀土镁合金的组织结构、流动性、热裂倾向性、高温冲击性能及摩擦磨损性能,并与常用活塞用AC8A、AC9B铝合金作了对比;针对铝合金和镁合金在铸造性能上存在很大的差异,对摩托车发动机铝合金活塞模具进行修改,研究镁合金活塞缩松缩孔分布、冷隔和浇不足等缺陷产生区域,找出消除这些缺陷的措施,优化活塞金属型重力铸造工艺参数和模具结构,包括模具预热温度、浇注温度、浇口位置和方式、补缩冒口位置和方式等,并将WGZ115镁合金活塞在济南轻骑发动机有限公司ACD-22kW测功室进行发动机台架试验。
　　 研究表明,采用金属型单螺旋流动试样模具,在模具预热温度为150℃,浇注温度为740℃条件下,AC8A铝合金流动性试样平均长度为1275mm,GW103镁合金流动性试样平均长度为565mm,WGZ115镁合金流动性试样平均长度为674mm,AC8A铝合金的流动性高于WGZ115和GW103镁合金的流动性。
　　 研究表明,采用金属型约束热裂棒模具,在模具预热温度为150℃,浇注温度为740℃条件下,GW103镁合金和WGZ115镁合金热裂倾向性远远大于AC8A铝合金,即在铸造过程中,GW103镁合金和WGZ115镁合金更易产生热裂。
　　 研究表明,在相同冲击温度下,AC8A铝合金冲击功最低,GW103镁合金冲击功最高。T6态GW103镁合金在20-250℃范围内,冲击功略微增加;在250-350℃范围内,冲击功迅速增加,冲击值变化达到0.37J/℃。T6态WGZ115镁合金在20-150℃范围内,冲击功略微增加,其冲击功与AC8A铝合金的冲击功接近;在150-350℃范围内,冲击功逐步增加,冲击值变化约0.12J/℃。T6态AC8A铝合金冲击功在20-350℃范围内冲击值略微增加,且数值较低。
　　 研究表明,对磨副为钢球时,WGZ115、GW103、AC8A和AC9B合金磨损质量随着载荷的增加而增大,T6态AC8A铝合金的磨损量最大,T6态WGZ115镁合金的磨损量最小,说明T6态WGZ115镁合金耐磨性最好。磨痕表面呈现磨粒磨损为主要磨损机制,沿着磨痕方向有大量的变形和犁沟。对磨副为铸铁时,WGZ115、GW103、AC8A和AC9B合金磨损质量随着载荷的增加而增大,在载荷为3N时,T6态ACSA铝合金和T6态WGZ115镁合金的磨损质量差别不大;随着载荷和摩擦温度的增加,T6态AC9B铝合金的磨损量迅速增大;常温下T6态GW103镁合金磨损量最大。
　　 研究表明,针对铝合金和镁合金在铸造性能上存在很大的差异,对摩托车发动机铝合金活塞模具进行修改如下:1)增加浇铸系统中直浇道和横浇道的截面积,同时减少了在浇铸过程中模具本身对金属液的吸热和冷却作用;2)扩大浇口杯截面积,增加浇铸过程中金属液压头和补缩量:3)加大补缩冒口的体积,增加凝固过程中补缩量;4)活塞销孔加厚;5)加大活塞裙部排气槽,便于活塞裙部充型完整,活塞裙部易出现冷隔对应的外模上加排气槽;6)直浇道和侧边补缩冒口合并,增加金属液的快速成型,增大直浇道的斜度。采用修改后的模具,GW103镁合金在熔体浇铸温度为760℃,模具预热温度为250℃条件下浇铸的铸件成型最佳。
　　 研究表明,按照12111H21D30摩托车发动机活塞测试标准,在ACD-22kW测功室进行发动机台架试验,WGZ115镁合金与AC8A铝合金之间的屈服强度、耐磨性、高温冲击性能等差异,将影响镁合金活塞台架试验结果。