新型分體式摩擦焊接球墨鑄鐵活塞及其應(yīng)用

0 引言

活塞作為內(nèi)燃機(jī)主要配附件之一，它與活塞環(huán)、氣缸套共同組成氣缸組件，將氣缸中燃料燃燒產(chǎn)生的壓力通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能做功；且隨著內(nèi)燃機(jī)高壓共軌、渦輪增壓以及缸內(nèi)直噴等技術(shù)的快速發(fā)展以及國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用，氣缸爆發(fā)壓力超過(guò)22MPa，燃?xì)鉁囟瘸?00 ℃，高溫高壓的工作環(huán)境對(duì)內(nèi)燃機(jī)提出了更為苛刻的要求，而內(nèi)燃機(jī)整體性能的提高主要依靠于關(guān)鍵零部件的提升?；钊鳛閮?nèi)燃機(jī)的心臟零件，在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程及廢氣排放方面起到至關(guān)重要的作用，為提高活塞的剛度及高溫使用性能，一般選用更高強(qiáng)度的鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋁合金，采用焊接式結(jié)構(gòu)代替整體式結(jié)構(gòu)制備活塞。利用焊接方法制造的高強(qiáng)鋼材質(zhì)的活塞，早在2012年德國(guó)漢諾威國(guó)際商用車(chē)展中，就已作為重點(diǎn)展示產(chǎn)品展出。目前市面上銷(xiāo)售的國(guó)Ⅵ活塞大多采用的是分體鍛鋼，然后通過(guò)焊接成型的方法進(jìn)行制造鋼制活塞；盡管目前鋼制活塞在大功率內(nèi)燃機(jī)上取得了較為廣泛的應(yīng)用；然而，也不得不看到，目前主流的國(guó)Ⅵ鋼質(zhì)活塞38MnVS6Ti非調(diào)質(zhì)鋼及42CrMo4調(diào)質(zhì)鋼活塞原材料成本均較高，且生產(chǎn)加工過(guò)程中，存在機(jī)械加工困難的現(xiàn)象，造成了加工成本(加工刀具的消耗)的急劇上升

，同時(shí)加工速度也得不到保證。因此，急需一種加工性能好、成本低、力學(xué)性能滿足高性能?chē)?guó)Ⅵ活塞要求的新型材料及其制備方法；球墨鑄鐵是指鐵液經(jīng)過(guò)球化處理，使石墨大部分或全部呈球狀分布的鑄鐵，經(jīng)過(guò)熱處理后的球墨鑄鐵的機(jī)械性能接近于鋼，不少鑄鋼件及鍛鋼件為球墨鑄鐵所代替

。在目前的內(nèi)燃機(jī)市場(chǎng)上，已有部分企業(yè)開(kāi)始研究生產(chǎn)新一代球磨鑄鐵活塞，但基本都采用的是整體鑄造法，一般采用熔模鑄造法生產(chǎn)

；如日本小松制作所于早些年研制成功了缸徑為125mm的S6D125型發(fā)動(dòng)機(jī)用球鐵活塞并投入實(shí)際應(yīng)用；以后又相繼開(kāi)發(fā)成功了缸徑為140mm、170mm發(fā)動(dòng)機(jī)用的球墨鑄鐵活塞，使球鐵活塞的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大；此外，日本的日野公司也正在采用球墨鑄鐵生產(chǎn)活塞，但也都采用整體鑄造法進(jìn)行生產(chǎn)。整體鑄造法生產(chǎn)球磨鑄鐵活塞，存在諸多問(wèn)題，如工藝難度及成本較高；因此，技術(shù)人員研究了新型分體式球磨鑄鐵活塞，如采用QT600-7球墨鑄鐵

作為分體式活塞制造的材料，分別制造活塞頭部、活塞裙部，然后進(jìn)行固體焊接(如摩擦焊接)形成整體活塞，既可以極大的降低材料成本，又能較大幅度的降低機(jī)械加工成本。

1 新型高性能低成本球墨鑄鐵活塞的制備過(guò)程

1.1 球墨鑄鐵型材成分的選擇

由于該新型高性能活塞采用球磨鑄鐵型材分別加工活塞頭部、活塞裙部，然后需要進(jìn)行固態(tài)法焊接，考慮到球墨鑄鐵固態(tài)焊接性能(具體在1.3章節(jié)詳細(xì)說(shuō)明)，因此，用于制備該新型高性能低成本活塞的型材可優(yōu)先選用QT600-7球墨鑄鐵

，且要求硫含量、磷含量小于0.02%，其優(yōu)先選用的化學(xué)成分如表1所示。

其型材生產(chǎn)可采用水冷金屬型離心鑄造法生產(chǎn)，這樣生產(chǎn)的球磨鑄鐵型材鑄造缺陷少、晶粒更細(xì)小、力學(xué)性能更高。

1.2 球墨鑄鐵型材的生產(chǎn)及尺寸的選擇

該球墨鑄鐵型材生產(chǎn)時(shí)，可采用中頻感應(yīng)電爐熔煉，通過(guò)多次孕育及球化處理，增加石墨球數(shù)量

，一般情況使用的孕育劑為75SiFe或硅鍶，球化劑為FeSiMg6RE2，并采用離心澆注機(jī)進(jìn)行澆注，澆注完成后空冷至室溫，形成所需的球墨鑄鐵型材；根據(jù)活塞尺寸要求，將球墨鑄鐵管型材加工為活塞頭部，即預(yù)先在活塞頭部加工出一半冷卻油道，其余面機(jī)加工余量建議3-5mm；將球墨鑄鐵棒料加工為活塞裙部，即預(yù)先在活塞裙部加工出，另外一半冷卻油道，裙部?jī)?nèi)腔按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)要求加工為成品尺寸，其余面機(jī)加工余量建議3-5mm。

評(píng)價(jià)指標(biāo)不是廣州教育的追求，廣州好教育要體現(xiàn)在民生和民心上。如今的廣州，擇校熱潮和擇校壓力已經(jīng)得到有效遏制，這從一個(gè)側(cè)面體現(xiàn)了基礎(chǔ)教育的均衡，廣大市民已經(jīng)從中受益；在副省級(jí)城市、中心城市中，廣州的特殊教育已經(jīng)向?qū)W前延伸，向職業(yè)教育延伸，建立起了相對(duì)完整的職業(yè)教育體系，實(shí)施效果好，也得到了市民認(rèn)可。顯然，當(dāng)“好教育”落到實(shí)處，“好教育”也就開(kāi)始深入人心。

相比于38MnVS6Ti非調(diào)質(zhì)鋼及42CrMo4調(diào)質(zhì)鋼材料，球墨鑄鐵材料，具有碳、硅含量高，硫、磷含量高等特點(diǎn)，采用熔化焊接難度較大；然而，摩擦焊接是一種優(yōu)良的固態(tài)連接方法，特別適用于此種材料的焊接；即摩擦焊接是利用金屬工件之間旋轉(zhuǎn)摩擦和軸向加壓，使金屬表面原子相互接近、結(jié)合、擴(kuò)散而形成共同晶體的過(guò)程；在整個(gè)焊接過(guò)程中，摩擦界面溫度一般不會(huì)超過(guò)熔點(diǎn)，故稱(chēng)摩擦焊接為固態(tài)焊接；與熔化式焊接相比，摩擦焊在焊接接頭的性能方面也具有顯著的優(yōu)勢(shì)

；第一，摩擦焊接頭不產(chǎn)生與熔化和凝固冶金有關(guān)的一些焊接缺陷和焊接脆化現(xiàn)象；第二，軸向壓力和扭矩共同作用于摩擦焊表面及其近區(qū)，產(chǎn)生了一些力學(xué)冶金效應(yīng)，如晶粒細(xì)化、組織致密及摩擦焊表面的“自清理”作用等；第三，摩擦焊焊接時(shí)間短，熱影響區(qū)窄，熱影響區(qū)組織無(wú)明顯粗化。上述三方面均有利于獲得與母材等強(qiáng)度的焊接接頭；即通過(guò)合理的摩擦焊接規(guī)范與焊接工藝，將鐵素體球墨鑄鐵活塞頭部與活塞裙部，采用摩擦焊的方法連接起來(lái)，可以獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，使焊縫獲得與基體相當(dāng)或高于基體的強(qiáng)度；從而保證活塞的使用性能，同時(shí)簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)球墨鑄鐵活塞制造工藝；采用以上焊接性能性能良好的球墨鑄鐵，即QT600-7球墨鑄鐵作為分體式活塞制造的材料，既可以大幅度的降低材料成本，同時(shí)由于鐵素體球鐵具有良好的斷屑性能、切削性能，又能較大幅度的降低機(jī)械加工成本。表2為38MnVS6Ti非調(diào)質(zhì)鋼與QT600-7球墨鑄鐵在硬度、力學(xué)性能、機(jī)械加工性能以及價(jià)格方面的具體對(duì)比情況。

1.3 球墨鑄鐵活塞頭部、裙部焊接方式的選擇及優(yōu)勢(shì)

在(徠卡DM2500M)型光學(xué)顯微鏡下，觀察活塞頭、裙半成品金相組織，球化率大于95%，石墨球徑小于0.06mm(球徑大小6-8級(jí))見(jiàn)圖1所示，鐵素體含量大于90%，見(jiàn)圖2、圖3所示；硬度150-200HBW，鑄態(tài)強(qiáng)度≥600MPa，延伸率大于7%。

1.4 球墨鑄鐵活塞摩擦焊接后熱處理過(guò)程及工藝的選擇

對(duì)不同地區(qū)板鴨的肌苷酸、各種類(lèi)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)和關(guān)鍵風(fēng)味化合物進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)表 4。取特征值大于3，得到3個(gè)主成分，PC1、PC2和PC3累計(jì)方差貢獻(xiàn)為 85.017%，能夠解釋樣本絕大部分信息。將樣品各個(gè)特征向量標(biāo)準(zhǔn)化后，取特征值大于5，不同地區(qū)板鴨的得分圖和因子載荷得分圖如圖 3所示。

對(duì)于摩擦焊接后的QT600-7球墨鑄鐵活塞，需要先經(jīng)過(guò)400℃-500℃的退火處理，消除焊接應(yīng)力，隨后可直接進(jìn)行精加工，用來(lái)做成品活塞，但是，其抗拉強(qiáng)度≥600MPa、屈服強(qiáng)度≥400MPa，即對(duì)于高強(qiáng)度國(guó)Ⅵ活塞來(lái)說(shuō)，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度偏低，無(wú)法滿足高強(qiáng)度國(guó)Ⅵ活塞力學(xué)性能要求；因此，技術(shù)人員進(jìn)一步研究了，對(duì)摩擦焊接、并去應(yīng)力退火后的QT600-7球墨鑄鐵活塞，進(jìn)一步進(jìn)行熱處理處理，可進(jìn)行淬火、回火處理，或者進(jìn)行等溫淬火處理

，以下來(lái)進(jìn)行說(shuō)明；

1.5 等溫淬火后的新型球墨鑄鐵活塞與鋼質(zhì)活塞對(duì)比

(1)利用鐵素體球墨鑄鐵如QT600-7型材分體法制造新一代高性能活塞，即使用球磨鑄鐵管材加工活塞頭部、使用球磨鑄鐵棒材加工活塞裙部，然后進(jìn)行慣性摩擦焊接得到活塞半成品，進(jìn)一步機(jī)加工及表面處理，得到新型球磨鑄鐵成品，既可以大幅度的降低材料成本，同時(shí)由于鐵素體球鐵具有良好的斷屑性能、切削性能，又能較大幅度的降低機(jī)械加工成本；

QT600-7球墨鑄鐵作為分體式活塞制造的材料，可以使活塞的材料成本、機(jī)加工成本降低，如果再增加淬火+回火或等溫淬火工序，雖然會(huì)增加少量的熱處理成本，卻可以使球墨鑄鐵強(qiáng)度進(jìn)一步提高、切削性能進(jìn)一步改善，既可以極大的降低材料成本，又能較大幅度的降低機(jī)械加工成本。表4為38MnVS6Ti非調(diào)質(zhì)鋼活塞與QT600-7等溫淬火、淬火+回火球墨鑄鐵活塞在力學(xué)性能、機(jī)械加工性能以及價(jià)格方面的具體對(duì)比情況。

優(yōu)先采用等溫淬火處理，等溫淬火后組織均勻、強(qiáng)度更高，等溫淬火熔鹽可選擇成份為60%BaCl+40%NaCl的高溫鹽浴爐中進(jìn)行奧氏體化，然后快速淬入熔鹽成份為50%NaNO

+50%KNO

的低溫鹽浴爐里進(jìn)行等溫淬火處理，具體熱處理方案可參照表3所示，等溫淬火后活塞的組織如圖4左所示；或采用920℃保溫60分鐘油淬火，450℃保溫3小時(shí)回火，淬火、回火后的組織如圖4右所示，對(duì)于活塞需注意在等溫淬火或淬火+回火結(jié)束后，再加工進(jìn)出油孔，否則會(huì)造成活塞冷卻油道中殘留雜質(zhì)，以及油道氧化問(wèn)題；

2 結(jié)論

現(xiàn)有38MnVS6Ti非調(diào)質(zhì)鋼及42CrMo4調(diào)質(zhì)鋼材料活塞摩擦焊接后，如果只進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，這將導(dǎo)致退火后焊縫熱影響區(qū)硬度較高，即焊縫熱影響區(qū)區(qū)域硬度在430-500HV1，而非焊接區(qū)域硬度在250-300HV1，進(jìn)而導(dǎo)致半精加工去除焊接飛邊、精加工飛邊區(qū)域產(chǎn)生斷續(xù)切削，造成打刀或刀具磨損較快，機(jī)加工成本進(jìn)一步升高，因此，本公司在摩擦焊接退火處理之后，進(jìn)一步增加淬火+回火，或等溫淬火工序，從而消除了焊接熱影響區(qū)(焊縫區(qū)域)與非焊縫區(qū)域的硬度差、使焊縫區(qū)與非焊接區(qū)硬度保持一致，有效降低加工生產(chǎn)成本。

平時(shí)對(duì)于這樣的面孔米多根本不會(huì)留意，可是偏偏這個(gè)時(shí)候，腦海里響起了鮑澤的話。他自嘲地笑笑，本來(lái)是為小說(shuō)收集素材的，沒(méi)成想?yún)s進(jìn)入了別人的故事里。

(2)在鐵素體球墨鑄鐵摩擦焊接退火處理之后，進(jìn)一步增加淬火+回火，或等溫淬火工序，從而可消除焊接熱影響區(qū)(焊縫區(qū)域)與非焊縫區(qū)域的硬度差、使焊縫區(qū)與非焊接區(qū)硬度保持一致，減少刀具斷續(xù)切削，有效降低加工生產(chǎn)成本；

內(nèi)部控制是有效防范公司財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)管理的重要途徑，在這方面應(yīng)該進(jìn)一步規(guī)范公司的內(nèi)部控制體系，突出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，尤其是強(qiáng)化內(nèi)部監(jiān)督體系。應(yīng)該充分發(fā)揮內(nèi)部審計(jì)的作用，綜合運(yùn)用運(yùn)用審核、觀察、監(jiān)盤(pán)、訪談、調(diào)查、函證、計(jì)算和分析程序等方法，通過(guò)內(nèi)部審計(jì)來(lái)審查、評(píng)價(jià)、改善公司的業(yè)務(wù)活動(dòng)、內(nèi)部控制和風(fēng)險(xiǎn)管理的適當(dāng)性和有效性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部控制管理中的薄弱環(huán)節(jié)以及可能出現(xiàn)的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，確保公司經(jīng)營(yíng)發(fā)展的正常穩(wěn)定。

(3)對(duì)摩擦焊接、并去應(yīng)力退火后的QT600-7球墨鑄鐵活塞，進(jìn)一步增加淬火+回火，或等溫淬火工序，雖少量增加熱處理成本，但是可以大幅提高其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，從而達(dá)到或超過(guò)現(xiàn)有38MnVS6Ti非調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能水平；

(4)由于此新型等溫淬火球磨鑄鐵的密度相對(duì)于鋼材小、導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)于鋼材要低，但力學(xué)性能與現(xiàn)有鋼質(zhì)活塞材料一致，因此，可以進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量、減少發(fā)動(dòng)機(jī)熱量散失，提高熱效率，是新一代高性能、低成本國(guó)Ⅵ活塞的最佳材料。

[1]陳壽寶，申澎運(yùn)，周家齊. 16V24Z型柴油機(jī)整體薄壁球磨鑄鐵活塞研究[J]. 機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，1982年03期.

[2]喬宇鵬 李慧敏，等.某型號(hào)鋼質(zhì)活塞加工性能差原因分析及其改善措施[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2019，(10)：97-99.

[3]宋廣勝，孟慶華. 等溫淬火球磨鑄鐵(ADI)生產(chǎn)工藝研究[J]. 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)2004年4月，第21卷第2期：14-16.

[4]李佐鋒. 等溫淬火球磨鑄鐵的熱處理及應(yīng)用[J]．農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2007年第6期：11-13.

[5]喻光遠(yuǎn)，肖恭林，陳琳，徐小輝.高強(qiáng)高韌超低溫球磨鑄鐵的研究與開(kāi)發(fā)[J]. 鑄造，2019年03期

[6]李延彪，秦小才，張亮亮，等. 碳化硅對(duì)球墨鑄鐵氣缸套影響的研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2015，(8)：38-39.

[7]曾大新，何漢軍，賴華清，等. 碳化硅對(duì)球墨鑄鐵凝固組織的影響[J]. 熱加工工藝，1998，(3)：30-31.

[8]張屹林，高占雨.鍛鋼活塞摩擦焊工藝研究[J]. 生產(chǎn)應(yīng)用.焊接，2008年第12期：43-47.

[9]李義，張屹林，崔艷兵，王波. CA6DM2鍛鋼活塞摩擦焊接工藝[J]. 機(jī)械制造文摘—焊接分冊(cè)，2014年第2期：25-28.

[10]高廣東，熊毅，任鳳章，等. 氣缸套用等溫淬火球墨鑄鐵的組織和性能[J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2015， (6)： 5-9.

[11]劉金城. 等溫淬火球鐵(ADI)的機(jī)械加工性能[J]. 現(xiàn)代鑄鐵，2006，27(1)：25-32.

[12]曾藝成，李克銳，張忠仇. 我國(guó)等溫淬火球鐵(ADI)生產(chǎn)應(yīng)用及發(fā)展前景[J]. 現(xiàn)代鑄鐵，2007，25(1)：26-32．

[13]張忠仇，李克銳，吳建基. 我國(guó)等溫淬火球鐵的現(xiàn)狀及前景[J]. 鑄造，2004，53(2)：87-92.