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活塞是往复活塞式制冷压缩机的关键零件,对系统的运行性能、振动和噪声等有着重要的影响。ZL108合金具有密度小、比强度高、热膨胀率低和热传导率高等优点,但是未变质合金共晶硅呈粗大片状形式分布于α-Al相基体中,对合金性能产生不利影响。本文采用拉伸性能测试、定量金相分析、X射线衍射、扫描电镜和能谱分析等手段研究了稀土Er对ZL108合金共晶硅的变质作用和机理,同时采用ProCAST软件对铝活塞金属型重力铸造成形过程进行了数值模拟,预测并实验验证了活塞铸件缩松缺陷情况。稀土Er主要通过杂质诱发孪晶机制对共晶硅产生明显的变质作用,具有良好的变质长效性和重熔性。除极少量固溶于α-Al相外,稀土Er主要以A13Er金属间化合物形式析出。当稀土Er加入量超过0.6%时,部分稀土Er以点状AlSiEr相和针状AlSiCuEr相存在,针状AlSiCuEr相对合金基体产生切割作用,对合金性能产生不利影响。当稀土Er含量为最佳加入量0.6%时,共晶硅得到完全变质,由粗大片状转变为珊瑚状结构,其平均长度和长宽比分别为5.84um和3.89,较未变质共晶硅分别减小了73.81%和62.99%,同时α-Al相二次枝晶臂间距为22.0umm,较未变质合金减小了32.31%。稀土铝合金铸态抗拉强度和断后伸长率分别为220.2MPa口2.53%,较未变质合金分别提高了22.20%和39.01%,其拉伸断裂形式由脆性断裂向脆性和韧性断裂的混合断裂模式转变。在515℃×5h固溶+205℃×8h时效热处理过程中,表面能态较高的珊瑚状共晶硅球粒化效果良好,合金性能得到进一步提高。采用垂直缝隙式浇注系统的铝活塞铸件金属型重力铸造过程中,铝液流动平稳,从下向上逐渐充型。在浇注温度为740℃和模具预热温度为250℃时,数值模拟获得的铸件凝固时间为114.1s,活塞部分凝固时间为66.0s。当铸件最低温度达到400℃、开模时间达到227s,铸件最大应力出现在直浇道底端拐角处,为100.2MPa,同时活塞上部应力较大,为85.9MPa。模拟预测活塞销座上部和顶面背部加强肋两端存在缩松缺陷,模拟结果与实验结果相符合。同时,活塞宏观组织评定等级为3级,达到相关标准的要求。通过稀土Er变质前后铝活塞微观组织的对比分析,可以看出稀土Er不仅能对共晶硅产生明显的变质作用,而且能使杂质Fe元素的主要存在形式由粗大鱼骨状AlFeMnSi相转变为细小点状复杂多元化合物相,降低了Fe元素的有害作用,提高了合金性能和铝活塞质量。