新型绿色节能技术在活塞工业中的应用

【摘要】将电磁脉冲技术应用在Al-25%Si-1.7%Mg合金（新型活塞材料）的热处理过程中，一方面能够降低Al-25%Si-1.7%Mg合金热处理过程中的能耗，从而降低生产成本，减少废气排放；另一方面，电磁脉冲技术可优化Al-25%Si-1.7%Mg合金的组织，提高其力学性能，使其在工业中得到更广泛的使用。

【关键词】Al-25%Si-1.7%Mg合金；电磁脉冲；时效

1.引言

近年来，人们对发动机功率、噪声、排放的要求越来越高，过共晶A1-Si合金由于良好的气密性、成型性、热传导能力、较低的热膨胀系数以及良好的耐磨性，使其在发动机活塞中得到了广泛的应用。用其制造发动机活塞，可以大大提高发动机效率和活塞的使用寿命。尽管过共晶Al-Si合金在活塞工业领域一定程度上得到了应用，但是其研究与发展仍存在着很大问题。一方面，初晶硅呈粗大的多角形块状或板条状生长，严重的割裂了基体，降低了其抗拉强度和疲劳强度；另一方面，过共晶Al-Si合金的传统热处理方法时间长，能源消耗较大，不能及时的投产，延长了生产周期，很难发挥材料的最佳功能。

电磁脉冲处理技术对于环境无任何污染，是一种新型绿色技术。近年来，许多国内外学者将电磁脉冲手段应用到材料领域，并取得了一定的成果，成为改善材料组织节能减排的新方法。正是这些背景产生了研究开发本项目的欲望。本项目将电磁脉冲处理技术应用于Al-25%Si-1.7%Mg合金（用于工业活塞的典型过共晶Al-Si合金）的热处理过程当中，以减少热处理能耗和改善其组织缺陷，提高力学性能，这样达到了降低经济成本、缩短生产周期以及优化组织的目的。

2.实验方法

图1为实验装置示意图，主要由脉冲发生器、电阻加热炉和控温仪等组成。将事先制备好的Al-25%Si-1.7%Mg合金试样（Φ20mm×40mm）进行固溶处理（540℃，6小时），在此基础上进行时效。首先将试样用石棉网包好，放入自制的磁脉冲发生装置内，线圈（铜导线）外部缠有绝缘材料。线圈两端各留出50cm的直线部分。剥去顶端的绝缘材料，露出铜导线，然后用连接脉冲发生器的铁夹夹在铜导线上，用于施加电脉冲。保温1小时后，启动EPM-C型脉冲发生器，电脉冲通过线圈转化为磁脉冲，对线圈中的试样产生作用，施加磁脉冲90S后继续时效。本研究所使用的脉冲处理参数为充放电电压600V，频率20Hz。不需加脉冲的试样则放在炉内按照既定方案进行时效处理。

试样经切割、抛光后进行金相观察，经5%HF水溶液侵蚀后用蔡司显微镜进行观察、照相，用显微硬度计对试样进行硬度测试。在整个实验过程中要注意：（1）线圈两端作为脉冲电极，通过炉门伸出炉外，为保证炉内温度恒定，需要在炉门周围塞紧保温棉保温；观察炉体上方温度计示数变化，及时做出调整，以减小实验误差。（2）两电极由于没有绝缘层，在施加脉冲时一定要注意两极间保持一定距离，以免两极接触时发生短路，出现危险。

3.实验结果

实验发现，经磁脉冲处理后的Al-25%Si-1.7%Mg合金的时效组织的组成及其形貌都发生了显著变化。由图2（a）可见，未加磁脉冲的Al-25%Si-1.7%Mg合金的时效组织初生硅相较粗大，呈五花瓣状或长片状，尖角比较明显，硅在基体中分布不均匀。由于时效过程中加入了脉冲磁场，虽然（b）、（c）两个试样的保温时间都相对较短，但是从照片上可以看出，其组织却要优于试样（a）的时效组织。从照片（c）可以看出，初生硅相的五花瓣尺寸明显变小，花瓣的尖角比（a）中要钝，硅片大多呈不规则的点状或块状，均匀的分布于基体各处，可以起到对基体的强化作用。（b）图中初生硅的五花瓣形状已经变的更加不完整，花瓣尖角更为圆润，应力集中大幅度降低，初生硅片的尺寸较之（d）、（c）也大大减小。（b）、（c）两个试样的显微组织均优于不加脉冲保温时间较长的（a）试样，并且保温时间越长，效果越明显。但是（d）图中试样由于保温时间太短，初生硅的五花瓣形状却没发生太大变化。

由图3可以看到，相对于未经过脉冲处理的Al-25%Si-1.7%Mg合金（图a），图（b）、（c）、（d）中的共晶硅均有不同程度的细化，并且在基体当中的分布更加均匀；而同样经过脉冲处理的Al-25%Si-1.7%Mg合金，保温时间越长，组织中的共晶硅分布越均匀。

由表1可以看出，硬度的最大值出现在经过脉冲处理的2号试样。传统的时效热处理工艺，加热温度为170℃，保温时间为4h时，硬度达到最大值。而在Al-25%Si-1.7%Mg合金的时效过程中加入脉冲电磁场，在3小时附近就出现了硬度的最大值。这是由于脉冲电磁场增大了Mg2Si的扩散激活能，使其均匀分布在基体上，提高了基体的硬度。分析得出，脉冲电磁场的加入能使硬度峰值提前出现。

4.机理探讨

时效过程实质上是第二相（Mg2Si）从过饱和固溶体中沉淀的过程，是通过形核和长大方式进行的。这种扩散型相变并不能立即形成稳定的β（Mg2Si）相，而是按一定的时效序列进行转变。其时效序列概括如下：α过G.P.区β″相β＇相β相。传统热处理的Al-25%Si-1.7%Mg合金的最佳时效时间为4-6小时；而经过磁脉冲处理的Al-25%Si-1.7%Mg合金，最佳保温时间为3-2小时。

脉冲电磁场瞬间产生的巨大能量，足以把粗大的五花瓣状初生硅打碎，而这些能量也能加快被打碎初生硅的扩散速度，使它们均匀的分布在基体当中，增大了基体强度。脉冲电磁场产生的巨大能量还能够提高强化相Mg2Si原子的扩散激活能，加快其在基体当中的析出速度，使其即使在保温时间相对较短的情况下，也得到充分的扩散。所以脉冲电磁场的加入，不仅细化了组织，还提高了硬度。

传统热处理的Al-25%Si-1.7%Mg合金的最佳时效时间为4-6小时；而经过电磁脉冲处理的合金，最佳保温时间为3-2小时。

5.实验结论

（1）利用脉冲磁场对未做变质处理的Al-25%Si-1.7%Mg合金进行热处理是可行的。其表现在于，脉冲磁场可以改变初生硅相粗大、发达的五花瓣形貌，使花瓣的尖角钝化、圆润，使共晶硅更加弥散的分布在基体当中，提高其使用性能。

（2）在不同的时效温度下，利用脉冲磁场能加快Al-25%Si-1.7%Mg合金时效硬度峰值的出现时间。

（3）利用脉冲磁场可以缩短Al-25%Si-1.7%Mg合金的时效保温时间。170℃保温3小时～2小时均可获得与170℃未加脉冲处理相当甚至更优的组织。

（4）将电磁脉冲处理技术应用于Al-25%　Si-1.7%Mg合金的热处理过程当中，能够减小该合金的热处理能耗。

6.效益预测

（1）节能减排效果显著

本项目主要实现降低Al-25%Si-1.7%Mg合金热处理过程中的能耗。若常规时效处理，需要在170℃保温4小时左右，若加入电脉冲，保温2小时即可达到理想效果。工业生产中进行时效热处理，则每吨该合金可节约一半电能，节能效果明显；同样的，也可减少气体排放约一半左右，达到减排的目的。

（2）提高性能，扩大应用

电脉冲可改变Al-25%Si-1.7%Mg合金中初生硅的形貌并且使共晶硅在基体当中的分布更加均匀、细化，达到优化其组织的目的，从而提高Al-25%Si-1.7%Mg合金的力学性能，使该合金拥有更为广阔的市场应用前景；企业每生产一吨Al-25%Si-1.7%Mg合金，比普通热处理节约成本一半左右，提高企业的竞争力的同时也扩大了该合金的应用范围。

（3）优化热处理工艺

通过本项目的研究，可以制定出电脉冲作用下Al-25%Si-1.7%Mg合金的新型热处理工艺，同时将对其它铝合金新型热处理工艺的编制具有很大的推动作用。

7.结束语

电磁脉冲处理技术对于环境无任何污染，是一种新型绿色技术。将其应用于Al-25%Si-1.7%Mg合金的热处理过程当中，能够减少能耗，改善组织，应进一步推广该技术在其他领域的应用。

参考文献

[1]李德成，沈桂荣，李玉胜.高强度铸造铝合金ZL107A的时效过程[J].铸造技术，1998（4）：39-41.

[2]廖恒成.过共晶Al-Si合金组织细化与力学性能的研究[D].东南大学博士学位论文，2000.

作者简介：于丹（1981―），女，辽宁营口人，硕士，南通工贸技师学院讲师。