發動機活塞缸套的材料及加工工藝研究（一）
F-DIESEL工程機械動力部件 2016/4/7 17:38:52
目前，由于石油資源緊缺和環境污染，提高汽車發動機燃油效率、減少尾氣排放已顯得日益重要。車用燃油發動機的兩大組件為活塞(主要是活塞與活塞環)和缸套，它們對材質的要求各有差異。活塞要求其所用材料具備高硬度、高耐磨性、耐高溫、抗高溫磨蝕以及穩定的熱膨脹系數等特性；缸套則要求其材料具有耐高溫、耐磨、耐壓以及質輕等性能。發動機性能的改善，勢必對活塞和缸套在選材及加工方面提出更高的要求。目前，活塞和缸套的材料以鋁合金為主，活塞環則以鑄鐵材料為主；在加工工藝方面主要通過鑄造和表面處理來加工活塞組件和缸套。
1、發動機活塞組件材料
1.1、活塞材料
隨著發動機向高速度、低能耗方向發展，采用優異的活塞材料尤為重要。目前，車用發動機活塞材料以鋁合金為主，其他還有鑄鐵、鑄鋼、陶瓷、碳材料等。
鋁合金的突出優點是密度小，可降低活塞質量及往復運動的慣性，因此鋁合金活塞常應用于中、小缸徑的中、高速發動機上。與鑄鐵活塞相比，鋁合金活塞導熱性好，工作表面溫度低，頂部的積炭也較少。目前鋁合金活塞材料大致分為4 類：Al-Cu-Ni-Mg 系、Al-Cu-Si 系、共晶型Al-Si-Cu-Mg 系及過共晶型Al-Si-Cu-Mg 系。前2 類材料由于存在線膨脹系數大、密度大、體積不穩定等缺點已被淘汰。過共晶型鋁硅合金含硅量高達17%~26%，密度小，線膨脹系數低，抗磨性及體積穩定性較高，是較理想的活塞材料，但必須添加Na 或P 進行變質處理才能得到過共晶型組織，以消除材料中存在的粗大塊狀初晶硅和長針狀共晶硅組織，并解決由此引起的基體嚴重割裂、力學性能惡化、切削加工性能差的問題。然而該過程會降低活塞的熱導率，需通過適當的熱處理加以改善。通過進一步添加合金元素可強化鋁硅合金或改善其加工性能。一些合金元素對Al-Si 合金性能的影響列于表1。
表1 合金元素對Al-Si 合金性能的影響
Table1 Impacts of alloy elements on properties of Al-Si alloys
|
Alloy elements
|
Function of alloy elements
|
|
Cu
|
Improving the strength and the heat-resistance of the alloy
|
|
Mg
|
Improving the high temperature strength,hardness and stabilization of the alloy
|
|
Mn
|
Improving the high temperature strength and stability of the alloy
|
|
Ni
|
Fining Si crystal, reducing expansion coefficient and improving wear-resistance ability
|
|
Re
|
Fining Si crystal, reducing expansion coefficient, improving wear-resistance ability
|
|
Bi
|
Improving machining property,fining Si crystal
|
|
Ti、Cr
|
Improving properties of the alloy
|
鋁合金活塞由于本身所固有的熱強度不高、線膨脹系數相對較大，在柴油發動機上的使用受到限制。因此在大負荷的柴油發動機上，通常采用熱強度和耐磨性較高而線膨脹系數較小的鑄鐵活塞。鑄鐵材料的金屬基體以珠光體為宜，其中所含的石墨為片狀、點狀或球狀。發動機活塞用鑄鐵還應具有晶粒度的穩定性、抗熱裂以及抗腐蝕−疲勞損傷的性能。試驗表明：具有細小彌散的金屬基體和石墨的鑄鐵，尤其是含有Cr、Ni、Mo、V、Cu 等合金元素的合金鑄鐵，具有較好的綜合性能，其中球墨鑄鐵活塞強度最高。陶瓷是用于汽車發動機上的新材料，具有質量輕、耐磨、絕熱性好、高溫強度高等優點。全陶瓷活塞目前還無成功的應用實例，但組合式陶瓷活塞已在特種發動機上得到一定的應用。活塞的陶瓷化大致有2 種方式，一種是采用陶瓷鑲塊，所用陶瓷材料有鈦酸鋁、氧化鋯和氮化硅等；另一種是采用陶瓷涂層，常用材料為氧化鋯。鑄鋼活塞機械強度高，耐熱性、耐蝕性及耐磨性均優于鋁合金和鑄鐵，具有較高的高彈性模量，穩定的高溫性能和較低的線膨脹系數，但缺點是密度大、成本高，對缸套的磨損嚴重。為減輕活塞質量，通常將鋼制活塞的結構設計得十分復雜，活塞體斷面很薄，以使整個活塞的質量比目前鑲嵌耐熱奧氏體鑄鐵環槽的鋁合金活塞減輕約30%。
1.2 活塞環材料
活塞環是具有彈性的開口環，分為氣環和油環或者是第一道環和第二道環。活塞環材料應具備良好的耐磨性、耐熱性、耐蝕性、強韌性、導熱性、適當的彈性以及與汽缸材料的磨合性等。目前國內外應用較普遍的活塞環材料主要有鑄鐵類、鋼類、金屬陶瓷等。
鑄鐵具有良好的耐磨性，成本低廉，被廣泛用于活塞環的制造。活塞環材料以灰鑄鐵為主，通常加入一些合金元素如Cr、Cu、Mn 等，使其硬度達到HRB98~107，其中135 系列柴油機活塞環材料成分如表2所列。活塞環的金相組織應以細片狀或索氏體的珠光體為基體，使其有足夠的機械強度。石墨本身為潤滑材料，能吸附潤滑油，減少摩擦磨損；并且石墨應分布均勻，呈直線狀、螺旋薄片狀或團絮狀，以利于潤滑。
表2 135 系列柴油機活塞環材料成分
Table2 Component of the piston ring of 135 series diesel
engine(atomic fration, %)
|
Element
|
Component
|
Element
|
Component
|
|
Graphite carbon
|
3.1−3.5
|
Compound carbon
|
0.65~0.90
|
|
Si
|
1.6−2.1
|
Mn
|
0.6−1.0
|
|
Cr
|
0.2−0.4
|
Cu
|
0.5−0.7
|
|
P
|
0.3−0.7
|
S
|
＜0.1
|
活塞環還可采用球墨鑄鐵，珠光體球墨鑄鐵具有接近鋼的力學性能，其中高硅鐵素體球墨鑄鐵由于高的含硅量，與鐵素體結合能形成一個很硬而耐腐蝕的組織，其基體雖以鐵素體為主，但其耐磨性不亞于優質灰鑄鐵，且熱穩定性比普通灰鑄鐵好。
對于高速和特別強化的發動機，由于要求較高的彈力和抗沖擊性能，一般采用鋼制活塞環，且在滑動表面鍍鉻(配氮化缸套)或經氮化處理(配鍍鉻缸套)以改善滑動性能。制造活塞環的鋼材有高碳鋼、錳鋼、氮化鋼等。但這種活塞環成本較其他種類高，而且很難達到發動機輕量化的要求。
用粉末冶金工藝制造的金屬陶瓷活塞環具有許多獨特的優點，如具有多孔性，保持潤滑油的能力強，通過孔隙度的調整及硬質點的配合可以得到彈性模量低而硬度高和耐磨性好的材料，可使潤滑劑(如MoS2、石墨等)浸入孔隙內。 (中國工程機械動力部件網)
[來源：粉末冶金材料科學與工程2009年8月，作者：陳剛 賀躍輝 沈培智，如有知識產權爭議，請聯系微信X37329588]。
獲得更多最新產品知識庫知識及行業資訊，請掃描微信二維碼，關注微信，關注中國工程機械動力部件網！
