汽车发动机活塞复合材料的选择与加工

汽车发动机活塞复合材料的选择与加工作者王维(单位：湖北汽车工业学院)摘要汽车材料的选择是机械设计与制造工作中重要的基础环节，自始至终地影响整个设计过程。本文旨在探索制作汽车发动机活塞更好的复合材料，并说明发动机活塞材料成型的过程和未来发展的前景。主要从使用性能、工艺性能、经济性、可靠性、环境影响方面，通过全面的具体的分析，合理地确定了制作发动机活塞的相对更好的材料，最终铝基复合材料以价格便宜、容易成型以及研究结果较为成熟等特点被确定为作为制作活塞的复合材料。另外对如何提高所选材料的性能，通过查阅大量资料，给出了具体的工艺流程。同时就发动机活塞的未来发展前景方面，给出了较多的较为实际思路。最后给出如何在本国更好地发展给了几点建议。英文摘要thispaperintroducesthebasicdevelopmentoftheinternalCombustionenginepistonpositionandfoundthattheproductionoflightweightpistoncanreducefuelconsumption,reducenoise,andextendpistonlifeandreduceemissions,improvetheenvironment.Andthepistonofaninternalcombustionengineworkingconditionsandfailuremodesanalysisdeterminesthepistonmaterialyouwanttohavethecharacteristicsofthemetalmatrixcomposites.Andfromthecurrentdevelopmentstatusofthemetalmatrixcomposites,lockingthealuminummatrixcompositematerialastheinternalcombustionenginepistonandmagnesiummatrixcomposites.Andanalysisofbothperformanceandprocessingmethods.Intermsofuseofperformance,processperformance,economy,reliability,environmentalimpactofaluminummatrixcompositesandmagnesiummatrixcompositeswerecompared,andultimatelydeterminethealuminummatrixcompositesastheinternalcombustionenginepistonproductionofmaterials关键词发动机活塞；陶瓷材料；铝基复合材料1、零件的工作条件、失效方式及性能要求活塞是汽车发动机的“心脏”，用来承受气体压力，并通过活塞销让连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。活塞承受交变的机械复合和热负荷，是发动机中工作条件最为恶劣的关键零部件之一。工作条件：（1）高温条件，活塞在气缸内工作时，活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用，燃气的最高温度可达2000到2500℃，因而活塞顶的温度也很高。温度分布不均匀，有很大的热应力。（2）高压条件，高压包括两方面，一方面活塞组在工作中受周期性变化的气压力直接作用，另一方面活塞组在气缸里作高速往复运动产生很大的往复惯性力。（3）高速滑动，内燃机在工作中所产生的侧向力是比较大的，特别是在短连杆内燃机中。（4）交变的侧压力，活塞上下行程时活塞要改变压力面，侧向力方向不断变化，造成了活塞在工作时承受交变的侧向载荷。失效方式：（1）活塞磨损。在发动机工作时，活塞环槽与活塞、活塞销座孔与活塞销、活塞裙与缸壁分别都构成了摩擦。(2)机械损伤。原因有：燃烧室中有异物，气头头部撞击活塞顶。(3)活塞烧熔。活塞烧熔多发生在活塞顶部和第一、二活塞环槽处，一般以顶面的熔洞、穿孔和头部圆周处槽状缺口为主要形式。性能要求：（1）热强度高。在高温下仍有足够的机械性能，使零件不致损。（2）导热性好，吸热性差。以降低顶部及环区的温度，并减少热应力。（3）膨胀系数小。使活塞与气缸间能保持较小间隙。（4）比重小。以降低活塞组的往复惯性力，从而降低了曲轴连杆组的机械负荷和平衡配重（5）有良好的减磨性能。即与缸套材料间的摩擦系数较小，耐磨、耐蚀。（6）工艺性好，低廉。工艺性好，易于加工。低廉，适合大批量生产。2、零件材料的初步选择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、良好的热导性以及较低的热胀系数等特点得到人们的关注并开始于制造活塞。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，其燃烧室内的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。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。复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。铝基复合材料比强度和比刚度高，高温性能好，更耐疲劳和更耐磨，阻尼性能好，热胀系数低。同其他复合材料一样，它能组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要。因此，铝基复合材料是制作活塞的理想材料之一。陶瓷具有耐高温、抗氧化、耐磨、耐腐蚀、弹性模量高、抗压强度大等优点。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应用的实例，但组合式陶瓷活塞已在发动机上得到了一定的应用。陶瓷活塞可以提高发动机的工作温度，从而大大提高效率。陶瓷具有较高的高温强度和热传导性，可延长发动机的使用寿命。因此，陶瓷材料也可作为制作活塞的理想材料之一。3、零件的候选材料【至少两种，说出类型（热固性或热塑性）；基体相、增强相；增强机制】3.1铝基复合材料基体铝及其合金，增强相颗粒，增强机制为颗粒增强机制，类型为热固性材料，机理为颗粒阻碍基体位错运动强化不均匀变形引起位错增殖强化。铝基复合材料比强度和比刚度高，高温性能好更耐疲劳和更耐磨阻尼性能好，热膨胀系数低。按照增强体的不同,铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高,尺寸稳定性好等一系列优异性能,但价格昂贵，目前主要用于航天领域,作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件等。目前铝基复合材料增强颗粒材料有SiC、AL2O3、BN等。3.2陶瓷材料陶瓷是用于汽车发动机上的新材料，具有质量轻、耐磨、绝热性好、高温强度大等优点。陶瓷材料是多相多晶体材料，结构中同时存在着晶体相、玻璃相合气相（气孔）。各组成相的结构、数量、形态、大小和分布均对陶瓷性能有显著影响。人们经过多年努力，已探索出若干韧化陶瓷的途径包括纤维增韧、晶须增韧、变相增韧、颗粒增韧、纳米复合陶瓷增韧、自增韧陶瓷等。活塞陶瓷化的主要优点有：(1)可实现部分或全部绝热，从而取消冷却系统并且回收废气能量降低油耗；(2)降低高强化柴油机活塞的温度，特别是环槽的温度；(3)改善排放。活塞的陶瓷化大致有两种方式；一种是采用陶瓷镶块，材料有钛酸铝和氧化锆以及反应烧结氮化硅等；另一种方法是采用陶瓷涂层,常用材料为氧化锆。据报道日本已开发出陶瓷涂层和双层陶瓷结构活塞,美国福特公司等还试验过全陶瓷活塞,取消了活塞环与陶瓷气缸套配对在无润滑条件下工作。由于陶瓷的脆性,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,还需要做许多工作。国内一些高校和研究单位也在开展这方面的研究工作。据介绍,东南大学推出的陶瓷纤维增强复合材料铝活塞已在汽车发动机、大马力柴油机上得到应用,可使活塞使用寿命提高3倍到5倍,并提高发动机功率,减少燃油消耗和废气排放。与普通铝合金相比,高温抗拉强度提高20%到40%,线膨胀数降低20%。4、候选材料成形或加工方法的选择4.1铝基复合材料（1）粉末冶金法粉末冶金法是最早用来制造铝基复合材料的方法,是一种比较成熟的工艺方法。采用粉末冶金法时,首先将颗粒增强物和铝合金粉末用机械手段均匀混合,进行冷压实,然后加热除气,在液相线与固相线之间进行真空热压烧结,得到复合材料的坯料,在将坯料进行挤压、轧制、锻造、拉拔等二次加工就可制成所要的型材零件。该法中铝合金粉末和增强物混合均匀是整个工艺的关键,因此应使二者的粒度相差不要太大,如对SiC/Al的粒度比为1:0.7时比1:0.3更容易混合均匀。粉末冶金法的优点是可将增强物颗粒和铝合金粉按任意比例混合,而且混合均匀性好,不会出现偏析和偏聚,制备的复合材料机械性能较高。但粉末冶金法制造工艺及装备复杂,生产成本高。（2）高能-高速固结工艺这种工艺是在短时间内使陶瓷颗粒和铝合金粉末的混合物受到高脉冲电流的放电作用后,迅速提高能量,并在较小外力作用下,使之固结成复合材料的工艺。高能量高速度脉冲有利于将冷模中的导电粉体快速加热到指定温度,从而控制相变和组织粗化,这是常规粉末冶金工艺无法实现的。高能-高速固结工艺可使复合材料的相对密度达95%以上。（3）压力浸渗工艺压力浸渗工艺是先将增强体制成预制件,再将预制件放入模具后,以惰性气体或机械装置为压力媒体将铝液压入预制件的间隙,凝固后即形成复合材料。这种工艺简单,但预制件中的气体不易在凝固前排出而造成气孔与疏松,同时预制件也易产生变形和偏移。因此在此基础上提出了真空压力浸渗工艺,即将预制件放入位于承压容器中的模具内,抽出预制件内的气体后,将熔融铝液由通道压入模具内,使之浸渗预制件。此工艺需要专用设备,但制品质量高,同时增强体含量可以很高。（4）反应自生成法反应自生成法分为固态自生成法和液态自生成法,这两种方法的共同点是在基体中通过反应生成增强相来增强金属基体。固相反应自生成法是将预期构成增强相的两种组分均匀混合,加热到基体熔点以上温度,当达到反应温度时,两元素发生放热反应,温度迅速升高,在基体溶液中生成弥散颗粒增强物。液相反应自生法是在基体熔体中加入能反应生成预期增强颗粒的元素或化合物,在一定温度下发生反应,生成细小、弥散、稳定的颗粒增强物,形成自生增强铝基复合材料。由于增强颗粒是在基体中反应自生的,因此,增强物与基体金属界面干净,结合良好,增强物性质稳定。增强颗粒大小、数量与工艺过程、反应元素的加入量有密切关系。利用此种工艺可以制备自生增强物为TiC、TiB2、AlN、TiN等多种铝基复合材料。（5）液态金属搅拌铸造法液态金属搅拌铸造法的基本原理是将颗粒增强物直接加入到熔融的铝合金中,通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在基体熔体中,复合成颗粒增强铝基复合材料。复合好的熔体可浇铸成锭坯、铸件等使用。这种工艺简单、生产效率高、制造成本低廉。复合好的铸锭经重熔后,可精密压成各种型材、管材、棒材等。它是目前最成熟、最具竞争力、也是工业化规模生产铝基复合材料的最主要的方法。但是,液态金属搅拌铸造法中增强颗粒与金属液体的浸润性差,不易进入金属或在金属中容易团聚和聚集,同时强烈的搅拌容易造成金属液体的氧化和大量吸气。必须采取措施来改善颗粒与金属溶液的浸润复合,防止金属的氧化和吸气。可以在金属熔体中添加合金元素、对增强颗粒表面进行处理等措施来提高润湿性。采用真空、惰性气体保护等措施来防护复合过程中的气体的吸入和金属熔体的氧化。现在有人用高能超声法来制备铝基复合材料,可以同时解决润湿性和气体吸入的问题。（6）半固态搅拌复合铸造半固态搅拌复合铸造法制备金属基复合材料在上个世纪80年代就开始应用,主要是针对搅拌铸造法的缺点提出的。其原理是搅拌在半固态熔体中进行,即金属熔体的搅拌温度控制在液相线与固相线之间。在搅拌过程中,将增强物颗粒加入半固态铝合金熔体,通过熔体中的