ZL108铸造铝合金：揭秘磷变质处理与T6热处理如何塑造顶级活塞材料

发布时间：2026-01-20 分类：新闻浏览量：171

作为活塞专用铸造铝合金的杰出代表，ZL108（ZAlSi12Cu2Mg1） 以其优异的高温强度、低热膨胀系数和卓越的耐磨耐热性而著称。该合金是典型的过共晶铝硅合金，通过复杂的合金化设计和严格的热处理，专为承受发动机缸内剧烈交变热载荷与机械载荷的活塞部件而优化，在高温动力性能与耐久性之间实现了精密平衡。

ZL108 对应的国家牌号是 ZAlSi12Cu2Mg1。

国标牌号：按照GB/T 1173，其牌号为ZAlSi12Cu2Mg1。名称直接体现了其核心合金体系：硅（Si）、铜（Cu）、镁（Mg）。
行业/企业代号：ZL108 是该材料在发动机设计与制造领域通用的代号。
典型状态：几乎总是以T6状态（固溶处理+完全人工时效） 使用，以获取最佳的综合性能，特别是高温性能。

ZL108铝合金成分表

元素	含量范围（wt%）	功能作用
硅(Si)	11.0-13.0	过共晶含量。提供低热膨胀性、高耐磨性，但初生硅相需通过磷（P）变质细化。
铜(Cu)	1.0-2.0	主要高温强化元素。形成耐热Al₂Cu相，显著提升高温强度和硬度。
镁(Mg)	0.4-1.0	关键强化元素。形成Mg₂Si相，与Cu共同提供室温及高温强度。
锰(Mn)	0.3-0.9	提高耐热性，形成耐热相，并减轻铁（Fe）的有害影响。
镍(Ni)	0.3-0.9	重要耐热元素。形成稳定的耐热相，提升高温蠕变抗力。
钛(Ti)	≤0.20	晶粒细化剂。
铝(Al)	余量	基体材料。

ZL108物理与力学性能参数表（金属型铸造，T6态典型值）

性能指标	数值范围	核心优势解读
密度	2.68-2.70 g/cm³	--
室温抗拉强度 (Rm)	250-280 MPa	高强度水平，满足活塞结构承载需求。
高温抗拉强度 (250°C)	≥ 120 MPa	核心优势，在高温下保持足够强度，防止活塞顶部开裂或变形。
延伸率 (A)	≤ 1.0%	塑性较差，是其高强化、过共晶组织的固有特点。
布氏硬度 (HB)	100-130	高硬度，确保优秀的耐磨性。
线膨胀系数 (20-200°C)	18.5-20.0 ×10⁻⁶/℃	核心优势，低于大多数铝合金，与缸套匹配更好，利于控制配缸间隙。
体积稳定性	优	经T6处理后，长期使用下尺寸变化极小。

性能强化路径与技术关键
ZL108的性能实现依赖于一套精密且环环相扣的工艺组合：

合金成分精密控制：Si、Cu、Mg、Ni的含量需精确匹配，形成最优的耐热相组合。必须严格控制磷（P）变质处理，以细化过共晶组织中的初生硅相，这是获得良好机械性能和切削性的前提。
专属热处理制度（T6）：
- 固溶处理：通常在505±5°C进行，使可溶强化相充分溶解。
- 人工时效：采用较高温度（如200-220°C）进行长时间时效，以形成稳定的强化相，特别优化其高温性能和组织稳定性。
先进铸造工艺：采用金属型重力铸造或低压铸造，以获得致密、均匀的铸态组织。良好的铸造工艺是后续热处理和性能表现的基础。

对应的国际牌号
作为经典的活塞合金，它在各国标准中均有对应：

中国国标：ZAlSi12Cu2Mg1 (GB/T 1173)
美国标准：A332.0 (ASTM，非常接近)
欧盟标准：EN AC-48000 (EN 1706)
日本标准：AC9A 或 AC9B (JIS)

ZL108在铸造行业的应用
其应用高度专业化，几乎全部集中于内燃机核心热端部件：

活塞（绝对主流应用）
- 柴油发动机活塞：中重型卡车、工程机械、船用柴油机的活塞（利用其卓越的高温强度和耐磨性）。
- 高性能汽油发动机活塞：大排量、高增压、高功率密度汽油机的活塞。
- 改装与赛车活塞：对耐热性和强度有极端要求的场合。
其他耐热耐磨部件
- 发动机转子：某些特殊发动机的旋转部件。
- 压缩机活塞：高压空气压缩机。
- 刹车卡钳活塞（在少数高性能要求下）。

ZL108铝合金常见问题解答

Q1：ZL108最大的技术难点是什么？

铸造与变质处理。由于其过共晶成分，熔体中会析出粗大的初生硅晶体，严重割裂基体，导致性能剧降和加工困难。必须通过精准的磷（P）变质处理（如加入Cu-P中间合金）来细化初生硅，这是ZL108生产中的核心技术门槛。

Q2：为什么ZL108的延伸率这么低？

这是其获得高强度、高硬度、低膨胀系数所付出的必然代价。过共晶硅相和大量耐热金属间化合物（含Cu、Mg、Ni）虽然提供了所需的高温性能，但也显著降低了材料的塑性和韧性。

Q3：ZL108活塞需要进行哪些表面处理？

为进一步提升性能，ZL108活塞常进行组合式表面处理：
- 阳极氧化：在活塞顶部环槽或燃烧室表面形成硬质氧化铝膜，提高耐热、耐磨和抗烧蚀能力。
- 石墨涂层：在活塞裙部喷涂固体润滑剂，改善磨合性和减摩性能。
- 电镀：如镀锡，利于初期磨合。

Q4：ZL108与普通活塞材料（如ZL109或共晶型合金）相比有何不同？

ZL108（过共晶）：Si含量更高（11-13%），热膨胀系数最低，耐磨性最好，但铸造和加工难度最大，成本最高。适用于热负荷最严峻的场合。
ZL109（共晶/亚共晶）及类似合金：Si含量稍低（8-11%），铸造性能更好，加工性更优，综合力学性能（尤其是韧性）更好，是应用最广泛的活塞材料。热膨胀系数和耐磨性略逊于ZL108。

Q5：加工ZL108时有何特殊要求？