汽车发动机活塞材质的选取及发展趋势

汽车发动机活塞材质的选取及发展趋势活塞被称为发动机的心脏。它是发动机中最重要的零件之一。其功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转。在发动机工作时，活塞直接与瞬时温度2200摄氏度的高温气体接触，其顶部温度达300℃~400℃，且温度分布不均匀；在做功行程时活塞顶部承受着很大的气体压力，汽油机达4MPa~5MPa，柴油机高达8MP~9MPa，甚至更高；此外，活塞在气缸内往复运动线速度可达11m／s~16m／s；在这种恶劣的条件下工作。活塞承受着高温、高压的热负荷和机械负荷。因此活塞作为汽车发动机中传递能量的一个非常重要的构件，对其材料具有特殊的要求：密度小、质量轻、热传导性好、热膨胀系数小；并具有足够的高温强度、耐磨和耐蚀性能、尺寸稳定性好。另外还应具有容易制造、成本低廉的特点。伴随着汽车发动机的不断发展与进步，人们对活塞材料的研究与应用也取得了长足的发展。铝合金活塞材料的发展应用概况世界上最早的汽车发动机活塞是铸铁的。1911年，铝合金材料以其质轻、良好热传导性以及较低的热膨胀系数等特点的得到人们的关注并开始用于制造活塞。1920年一种Al-Cu-Ni-Mg系合金正式成功地应用于汽车发动机活塞，从而证明了铸造铝合金作者简介：1、AI-Cu-Ni-Mg系合金该系合金于1920年开始就在英国得到应用。其典型合金代号有LMl4(英)、SAE39(美)、AC5A(日)。该类合金的优点是良好的高温强度、导热性、延伸率及耐磨性；但因其线膨胀系数和密度较大，铸造性能差且含有较多贵重金属价格较贵而被淘汰。2、AI-Cu-Si系合金这类合金的优点是：由于含有一定量的硅，铸造性能较好，切削加工性能也有所改善；在常温和高温下均有较好的机械、物理性能。在70年代之前，该类合金曾是前苏联等国应用最广泛的一种材料，我国的解放牌CAl0A、CAl0B、CAl0C型汽车活塞也采用此合金。其典型合金代号有SAE300(美)、A110B(俄)、AC2A(日)。该类合金的缺点是：线膨胀系数较大，因含有较多的Cu，所以体积稳定性不好，会产生永久性“长大”现象引起活塞“咬缸”，所以国内现已停止使用这类材料。3、AI-Si合金由于Al-Si合金线胀系数小、比重小，耐磨性好，铸造性能好等一系列优点而成为应用于现代发动机活塞制造最广泛的材料。这类合金按含Si量的高低可分为共(亚)晶型和过共晶型两大类。4、共晶(亚共晶)型Al-Si合金国内外轻、中型汽车汽、柴油发动机以及轿车发动机活塞大多采用了共晶(亚共晶)型Al-Si合金。具有代表性的共晶(亚共晶)型AI-Si合金活塞材料的牌号及化学成分见表1。该类合金含Si量一般在8．5％-13％，为了提高合金的室温及高温性能在其中加入了Cu、Mg、Mn、Ni等合金元素进行多元合金化。表2所列为共晶(亚共晶)型Al-Si合金活塞材料常温和高温性能。合金中的Cu可提高合金的常温及高温强度，改善合金切削加工性能及表面光洁度；但Cu量过多会使合金密度增大，热裂倾向增大，耐蚀性降低，铸造性能变坏，同时还使合金成本增加。因而作为活塞用的A1-Si合金应在保证其强度的前提下尽可能降低含铜量。Mg也是A1-Si合金中提高合金强度的重要元素，特别是与Cu配合使用时可进一步提高合金耐热性。但Mg加入量过多时易在晶界上形成脆性相，反而降低了合金强度。另外Mg还可能造成铸件夹渣，所以Mg的加入量一般控制在0．4％-1．5％。国内厂家多控制在0.7％-1.0％之间。Mn可以提高合金的热稳定性、高温持久强度和硬度，同时还可以减少杂质元素对铁的危害。但加入过多的Mn会形成粗大脆性化合物，反而降低合金强度。Mn的加入量多控制在1％以下。国外资料认为。Ni可以提高合金的高温强度及合金热稳定性。如含有Ni的ZLl09比不合Ni的ZLl08体积稳定性好。这对活塞这种零件来说是非常有意义的。但近年来的一些试验研究又表明：加Ni对合金的高温性能并无显著提高国内外汽车发动机活塞材料的发展及应用由于铝硅合金中Si含量超过6％-8％时，组织中便会出现粗针状共晶硅组织，使合金的机械性能降低。因此，共晶(亚共晶)型A1-Si合金需进行变质处理。共晶硅常用的变质元素有Na、Sr、P、Sb、Ba、RE等，其中国内应用较多的是Na盐变质，效果良好。但Na盐变质有效时间较短。同时还会腐蚀坩埚给生产带来不便。Sr有较强的变质作用和足够长的变质有效期，但Sr较贵且变质时会增加合金吸气，故目前还不能取代Na。目前，对于共晶型Al-Si合金来说(如ZLl09)更多地采用了磷变质剂以代替Na变质，且磷变质效果优于Na盐变质而被国内众多活塞制造厂推广使用。现在在汽车发动机上应用最广泛的Al-Si．活塞材料为ZLl09G(Mahlel24、AC8A)，国外著名发动机制造厂(如Cummins、Renault等)和国内玉柴、锡柴等发动机制造厂均采用该材料制造的活塞。过共晶型Al-Si合金随着发动机对功率、扭矩、噪声、排放的要求越来越高，共晶(亚共晶)型Al-Si合金已难以达到使用性能要求。因此，人们把目光投向另一种更为理想的活塞材料——过共晶型A1-Si合金。这类合金含Si量高达17％~26％，而随着Si含量的增加，合金的线胀系数减小，耐磨性和体积稳定性相应提高，且合金密度也随之减小，用其制造发动机活塞，可在设计上缩小气缸筒内壁与活塞之间的间隙，从而提高发动机效率．因此受到世界各国研究者的重视[3]。国外对过共晶型Al-Si合金的研究应用较早，使用范围已从摩托车活塞扩大到载货汽车的活塞上。国内近些年也对该类活塞材料进行了大量的研究，但实际应用的还较少。国内外具有代表性的过共晶Al-Si合金牌号及化学成分见表3。表4为过共晶型Al，-Si合金活塞材料常温和高温性能对比。过共晶型活塞合金按Si的含量分为三组：I组Si为17％-19％，II组Si为20％-23％，III组Si为24％-26％。I、II组工艺性较好，在实际生产中应用较多；第1II组由于Si含量高，结晶范围大，铸造工艺性能很差，初晶Si的变质困难。为保证合金满足活塞性能要求。也在其中加入Cu、Mg、Mn、Ni、Ti、RE等等．所起作用与共晶型合金中基本相同。尽管过共晶型Al-Si合金用做汽车发动机活塞材料的优越性已被国内外的实践所证明，国内开发的Al-23%Si(AC9A)活塞材料性能指标为δb(25℃)260MPa，δb(300℃)150MPa，HB=110-125，a≤18×10-6℃。但是，目前过共晶Al-Si合金在工业上应用过程中面临着两大问题：(1)初晶硅的细化；(2)切削性能的改善。过共晶型活塞材料如何对合金进行变质处理细化初晶硅，目前公开报道的变质方法有如下方案：1)单元变质剂：赤P或P-Cu．合金；2)二元变质剂：①P-Cu+RE；②P-Cu+S；③P-Cu+Ba；④P2S6+Na-Cl；3)多元变质剂：①赤P+KCl+K2TiF6；②(NaPO3)6+KCl+Na2SiF6；③NaPO3+V2O5+A12O3+SrCl；④赤P+KCl+K2TiF6+RE。上述变质方法各有利弊，仍需要进一步研究。而过共晶Al-Si合金存在的另一问题是：Si含量超过20％时合金的切削加工性能较差。加工刀具极易磨损，此问题至今尚未很好地解决。因此，该类合金除特殊需要如高速摩托、赛车活塞外很少使用。国内外其它铝合金活塞材料的研究新型铝合金活塞材料的研究及应用美国航空航天局(NASA)马歇尔空间飞行中心(MSFC)两位美籍华人科学家发明了一种名为MS-FC-388高强度铝合金，用于制造EvinrudeE-TECTM外置发动机活塞，取得了十分令人满意效果与经济效益。其特点是：发动机的噪声大幅度下降，排放的污染显著减少，燃料效率大为提高，使用寿命显著延长，比普通的常规活塞铝合金的强度高1．5倍，生产材料成本比常规合金的低2．21美元／Kg，在260℃～370℃仍有令人惊奇的强度。该新型铝合金不但满足汽车工业低排放污染物的要求，而且能满足航天器在高温下有很强的耐腐蚀性的要求。此外，国外许多发动机制造商采用锻造铝合金2618(LD7)用于制造各种高级轿车及赛车发动机活塞。图4所示为应用于Ford发动机上的锻造活塞，图5为Chrysler汽车发动机锻铝活塞。国内外汽车发动机活塞材料的发展及应用铝基复合材料的研究及应用在满足内燃机轻量小型化、可靠性和耐久性的情况下，发动机向着高速、大功率、大压缩比的方向发展，其燃烧室内温度和压力变得更高，以往使用的铝合金已达到或接近使用极限。为此，铝基复合材料活塞的开发近年来受到了高度重视[4]。美、日及欧洲工业发达国家在这方面已取得了重要进展，并在车用柴油机上迅速得到了推广。1）碳化硅颗粒增强铸铝活塞粒度为5μm-10μm，含量为5％-7％的SiC陶瓷颗粒，经过特殊处理后用流变铸造法加入到ZLl09中然后挤压铸造成型，可用于活塞的整体或局部增强。该材料的热导率及热膨胀系数各为0．32w／(m·℃1和18×10-6／℃。国内研制的碳化硅颗粒局部增强铝合金活塞经上海50型拖拉机田间试验证明，第一道环槽导热得到了较大改善，燃烧喉口得到加强，耐磨性比镶奥氏体铸铁圈的活塞要好，活塞质量也得到了加强。2）氧化铝、硅酸铝和硼酸铝短纤增强铝合金活塞(CFR)该材料采用陶瓷纤维氧化铝或硅酸铝、硼酸铝短纤维增强基体材料(一般为共晶性或亚共晶性Al—Si合金)的活塞(CFR活塞)，与基体铝合金相比，在300℃时的抗拉强度极限提高20％以上，热膨胀系数降低15％，导热率降低25％，而密度基本不变，耐磨性能优异，热稳定性好、具有更好的高温综合性能[6]。采用挤压铸造工艺生产的局部增强复合材料活塞．界面结合牢固可靠，成品率高，工艺宽容好，特别适合于经增压、强化的工作条件苛刻的柴油发动机。目前，硼酸铝单晶纤维团粒化坯体，强化活塞第一道环槽和顶部的二冲程汽油机用铝基复合材料活塞，已经在舷外机和摩托雪橇上得到了应用。国外日本丰田ART公司以年产CFR活塞达百万只[7]；国内东南大学材料学院与跃进集团及南京金陵汽车配件厂合作的NJ433发动机采用增强基体材料的活塞，通过了1000小时台架试验；与玉柴机器公司、德国马勒(南京)公司合作的YC6112发动机活塞顶部燃烧室周边增强，现已通过一系列试验及技术鉴定并达到批量化生产，迄今已经生产复合材料活塞毛坯20万件。形成年产数千万元的复合材料活塞产业，使陶瓷纤维增强铝基复合材料在我国的汽车发动机行业进入了工业应用阶段。3）国内外其它活塞材料的研究应用随着大马力汽车发动机快速发展，尤其是重型柴油发动机涡轮增压、中冷技术的应用以及大缸径高压缩比、低排放要求的不断提高。传统铝合金活塞材料已无法满足其使用要求，因而国内外众多活塞材料研究机构和制造商推出了许多新型活塞材料。钢顶铝裙材料与铸铝相比，铸钢的机械强度高、耐磨性能好，但加工麻烦，密度大，成本高，对缸套的磨损严重。因此很少全部用铸钢做活塞，而是在一些强化程度高的柴油机上用铸造合金钢(如40CrMo、4Crl0Si2Mo)做活塞头部，用铸铝做活塞裙部，从而构成了所谓的钢顶铝裙的组合式活塞。该结构的活塞已经在超长冲程的L-GB／GBE系列的低速发动机上得到了应用。法国Renault公司制造的重型商用车用420马力DCill发动机也采用了这种结构的活塞。图6所示为德国Mahel活塞有限公司制造的重型商用车用钢顶铝裙的组合式活塞。陶瓷材料陶瓷是各种氧化物、氮化物、碳化物等无机非金属材料的通称。全陶瓷活塞目前还无成功的应用实例，但组合式陶瓷活塞已在特种发动机上得到了一定的应用。五十铃汽车公司所研制的绝热发动机已运行了3500h。据介绍，它的活塞是采用Si3N4活塞头部，用一钢卡环与铸铁裙部连接，头部与裙部之间设置空气隙，并安装一隔热衬垫。这种设计的活塞隔热效果较佳，头部最高温度为700℃，裙部却只有100℃～200℃。但由于陶瓷的性能特点、复杂的制造技术和高成本，要使陶瓷活塞大规模地应用于内燃机，还需要做许多研究工作。树脂基复合材料树脂基复合材料作为一种新型的