铝合金活塞合金材料的发展现状

铝合金活塞合金材料的发展现状

张虎

苏州江南航天机电工业有限公司   江苏省苏州市   215000

摘要：目前汽车用发动机中占主导地位的是往复式活塞内燃机，由于立法和环境对汽车工业的压力，越来越多的人要求生产低排放的轻型节能汽车，为了开发这些节能汽车，轻型高性能活塞必不可少。铝合金有着密度低、耐磨性好、生产效率高以及强度高等优点，在工业上已经是非常常见的一种合金，在汽车活塞领域中应用相当广泛。

关键词：铝合金；汽车活塞；轻量化

在汽车工业领域，材料轻量化已经成为了主要的发展课题，轻量化是解决油耗、排放和车辆大型化之间矛盾的重要方法，减轻重量并节省能源是现代工业化先进动力技术的目标。要达到轻量化目标，一般做法是用密度更小并且强度还不变甚至更好的材料来代替以降低零部件重量。铸造铝合金因其具有良好强度和力学性能等优点在汽车活塞的应用中具有明显的优势。其中的Al-Si系多元合金还具有密度低、耐磨性好、生产效率高以及铸造缺陷少等优点，在工业领域很受欢迎。其中铸造 Al-Si-Cu-Ni-Mg系合金的可铸性和机械加工性能都很优异，还可以通过热处理来提高合金的性能，常用来生产活塞。

1、铝合金活塞研究的重点

过去对Al-Si-Cu-Ni-Mg系铝合金研究工作集中在改性机理或改变热处理工艺，以提高拉伸强度和延性，对活塞材料的各方面性能进行改善，因此企业非常关注活塞材料的性能，采取各种方法来进行合金性能的提高和改善[1]。

2、铝合金活塞研究的重点

活塞的基本结构由四部分构成，分别是活塞头部、顶部、销座和裙部。活塞的顶部三种形状分别为：凸顶、平顶和凹顶，其中平顶活塞生产工艺比较简单，且散热性能优异好，是大部分汽车选择应用的形状。活塞销座位于活塞头部和裙部的中间位置，主要作用是将燃烧产生热能转化为动能并通过活塞曲轴连杆传递给外部做功。活塞在浇铸时还会置入铸铁镶圈和可溶性盐芯，铸铁镶圈主要是增强活塞的耐磨性能和密封性能，可溶性盐芯可水冲溶解，形成内冷却油腔。目前往复式活塞内燃机是汽车用发动机的主要结构形式，由于世界对环境保护和节能的需求，生产低排放的轻型节能汽车尤为重要，轻型高性能活塞材料应具备以下性能要求：

密度小：活塞在发动机内部不停做往复运动，其运动度可以达到11~16m/s，在运动过程总活塞的运动呈周期性变化，这种运动由于活塞的质量产生较大的惯性力，随着活塞质量增加，惯性力的大小也在增加，惯性力的增加导致对外做功的比例逐渐减小，所以需要活塞材料的选择密度小，越有利于提高发动机的有效功。

热膨胀系数小：活塞材料的选择中热膨胀系数也是一个重要参数，活塞材料的热膨胀系数过大可能会产生活塞 “咬缸”和“拉缸”现象，降低活塞材料的使用寿命，并且在运行过程中产生噪音。为了发动机在运行过程中有一个安全和稳定的工作环境，减少噪音和增加使用寿命，则需要活塞材料热膨胀系数尽可能小。

耐磨性能好：活塞的环槽区需要具有良好的耐磨性能，在运动过程中，活塞与缸体之间需要一定的密封接触，并且活塞往复运动的速度很快，且承受着缸壁造成的侧压力和冲击力，导致运行过程中活塞在与缸套之间存在很大的摩擦力，因此活塞的材料需要具有良好的耐磨性能。

良好的耐热性能和热传导性能：活塞在工作过程中始终承受燃烧的高温高压环境，活塞会直接与这些温度高达2000℃气体接触，活塞自身顶部的温度也会达到300~400℃，同时需要多余温度快速导出，所以活塞材料的能够正常工作，则要求活塞材料具有良好的良好的耐热性能和热传导性能。

良好的力学性能：活塞在运行过程中，活塞的顶部、环槽区和销座等位置会直收到冲击力，材料的力学性能不够会导致材料发生变形和开裂，所以优异的力学性能是活塞材料所必须具备的，而进一步提高活塞材料的力学性能则需要优化结构或提升材料性能等措施来改善。

良好的机械加工性能：活塞是精密零件，浇铸完成后还需要进行一系列的机械加工才能形成一个完整的活塞零件，此时就要求活塞材料便于加制造。

根据上述要求活塞材料的发展经历了铸铁、铝合金、钢材料、铝基复合材料、陶瓷材料等。铸铁材料是最早被应用于合金的材料，主要应用于才有发动机的活塞，其具有良好的强度、耐磨性、价格便宜等优点，但是导热性较差、质量大，使用范围受到一定限制。铸钢活塞材料的机械性能和耐磨性能较好，但也因为铸钢密度较大、加工较费事且成本贵，在国内应用较少，但在国外市场有着广泛的应用市场。陶瓷材料是一种在活塞方面用的新型材料，其最大的优点是轻质，具有良好的高温强度、绝热性、耐磨性等，但由于脆性、制造加工技术复杂和高成本等方面的制约，目前仍无法大规模的应用在内燃机上。20世纪70年代以后，SiC颗粒、Al2O3短纤维增强的铝基复合材料受到了汽车工业领域的关注，主要用于活塞局部或整体的增强。但是其制备工艺较复杂，制备工艺还不够成熟而且存在颗粒脱落划伤缸筒活塞表面导致功率下降等问题。铝合金的密度低、耐磨性好、生产效率高以及铸造缺陷少，在发动机活塞制造方面应用较广。从目前情况来看，铝合金在活塞材料中占主导地位。

人们首次用铝作为活塞材料要追溯到1903年，当时工艺并不完整，技术也不完善，未在活塞领域获得大量应用。直到20世纪30年代初，新开发了铝铜系合金“Y合金”(Al-4Cu-1.5Mg-2.0Ni)，并成功应用到汽车发动机上，之后铝合金活塞开始流行起来，大范围的被使用。20世纪30年代中，德国KS公司研发Al-14Si-4.5Cu-1.5Ni-0.7Mg合金，也就是牌号为KS245的活塞合金。这种牌号的活塞生产较简便，用普通的压力铸造就能获取，这种合金有着密度小、强度高、热膨胀系数小和尺寸稳定性好等诸多优点。20世纪30年代中期，德国KS公司又研制出了过共晶Al-Si合金，牌号为KS280，这种合金材料的热膨胀系数比之前的KS245合金要小。20世纪30年代末，美国Alcoa公司申请了共晶Al-Si合金的专利，由于该共晶Al-Si合金具有良好强度和力学性能等优点，在活塞材料方面独占鳌头，到目前活塞材料用的最多的还是共晶Al-Si合金。Al-Si活塞合金经历了亚共晶、共晶、过共晶的发展历程，随着Si含量的增加，合金更加易于铸造，但组织中也更加容易形成较多较大的初晶硅和共晶硅，使力学性能下降。

我国在活塞制造和活塞材料的研究起步较晚，我国在解放初期使用的活塞合金是ZL110，是沿用了苏联的Al-Cu系合金AJI10B，此牌号合金被大力推广，但是由于此类合金高温稳定性不好，容易使活塞发生“咬缸”“拉缸”现象，所以停止使用。20世纪70年代初，全国活塞行业都在推广Al-Si系活塞合金材料，慢慢就代替了Al-Cu系合金。1971年，我国采用磷变质剂对Al-Si合金进行变质处理，成功研制了具有共晶组织的Al-Si系活塞材料，即ZL108和ZL109合金，成功应用于发动机活塞上，并沿用至今。在90年代，我国部分活塞厂开始在活塞外表进行镀锡处理，提高活塞的使用寿命。目前，共晶型Al-Si合金活塞已在国内外内燃机大量应用，比如德国KS公司的 KS1275，日本的AC8A，山东滨州活塞的BH135等等。

3、结论

铸造铝硅合金具有良好的铸造性能和机械加工性能，随着轻量铸造铝合金零件性能需求的增加，轻量铸造铝硅合金对活塞的发展具有重要的意义。

参考文献：

[1]张振威,朱宇瑾,蒋锐,等.某型内燃机铝合金活塞的金相检验[J].金属热处理. 2021,46(11)：258-261.