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this paper introduces the basic development of the internal

Combustion engine piston position and found that the production of light weight pisto n can reduce fuel consumption, reduce noise, and extend piston life and reduce emissi ons, improve the environment. And the piston of an internal combustion engine worki ng conditions and failure modes analysis determines the piston material you want to h ave the characteristics of the metal matrix composites. And from the current developm ent status of the metal matrix composites, locking the aluminum matrix composite ma terial as the internal combustion engine piston and magnesium matrix composites. An d analysis of both performance and processing methods. In terms of use of performa nce, process performance, economy, reliability, environmental impact of aluminum m atrix composites and magnesium matrix composites were compared, and ultimately de termine the aluminum matrix composites as the internal combustion engine piston pro duction of materials

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