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