发动机活塞缸套的材料及加工工艺研究（一）
F-DIESEL工程机械动力部件 2016/4/7 17:38:52
目前，由于石油资源紧缺和环境污染，提高汽车发动机燃油效率、减少尾气排放已显得日益重要。车用燃油发动机的两大组件为活塞(主要是活塞与活塞环)和缸套，它们对材质的要求各有差异。活塞要求其所用材料具备高硬度、高耐磨性、耐高温、抗高温磨蚀以及稳定的热膨胀系数等特性；缸套则要求其材料具有耐高温、耐磨、耐压以及质轻等性能。发动机性能的改善，势必对活塞和缸套在选材及加工方面提出更高的要求。目前，活塞和缸套的材料以铝合金为主，活塞环则以铸铁材料为主；在加工工艺方面主要通过铸造和表面处理来加工活塞组件和缸套。
1、发动机活塞组件材料
1.1、活塞材料
随着发动机向高速度、低能耗方向发展，采用优异的活塞材料尤为重要。目前，车用发动机活塞材料以铝合金为主，其他还有铸铁、铸钢、陶瓷、碳材料等。
铝合金的突出优点是密度小，可降低活塞质量及往复运动的惯性，因此铝合金活塞常应用于中、小缸径的中、高速发动机上。与铸铁活塞相比，铝合金活塞导热性好，工作表面温度低，顶部的积炭也较少。目前铝合金活塞材料大致分为4 类：Al-Cu-Ni-Mg 系、Al-Cu-Si 系、共晶型Al-Si-Cu-Mg 系及过共晶型Al-Si-Cu-Mg 系。前2 类材料由于存在线膨胀系数大、密度大、体积不稳定等缺点已被淘汰。过共晶型铝硅合金含硅量高达17%~26%，密度小，线膨胀系数低，抗磨性及体积稳定性较高，是较理想的活塞材料，但必须添加Na 或P 进行变质处理才能得到过共晶型组织，以消除材料中存在的粗大块状初晶硅和长针状共晶硅组织，并解决由此引起的基体严重割裂、力学性能恶化、切削加工性能差的问题。然而该过程会降低活塞的热导率，需通过适当的热处理加以改善。通过进一步添加合金元素可强化铝硅合金或改善其加工性能。一些合金元素对Al-Si 合金性能的影响列于表1。
表1 合金元素对Al-Si 合金性能的影响
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
|
铝合金活塞由于本身所固有的热强度不高、线膨胀系数相对较大，在柴油发动机上的使用受到限制。因此在大负荷的柴油发动机上，通常采用热强度和耐磨性较高而线膨胀系数较小的铸铁活塞。铸铁材料的金属基体以珠光体为宜，其中所含的石墨为片状、点状或球状。发动机活塞用铸铁还应具有晶粒度的稳定性、抗热裂以及抗腐蚀−疲劳损伤的性能。试验表明：具有细小弥散的金属基体和石墨的铸铁，尤其是含有Cr、Ni、Mo、V、Cu 等合金元素的合金铸铁，具有较好的综合性能，其中球墨铸铁活塞强度最高。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、高温强度高等优点。全陶瓷活塞目前还无成功的应用实例，但组合式陶瓷活塞已在特种发动机上得到一定的应用。活塞的陶瓷化大致有2 种方式，一种是采用陶瓷镶块，所用陶瓷材料有钛酸铝、氧化锆和氮化硅等；另一种是采用陶瓷涂层，常用材料为氧化锆。铸钢活塞机械强度高，耐热性、耐蚀性及耐磨性均优于铝合金和铸铁，具有较高的高弹性模量，稳定的高温性能和较低的线膨胀系数，但缺点是密度大、成本高，对缸套的磨损严重。为减轻活塞质量，通常将钢制活塞的结构设计得十分复杂，活塞体断面很薄，以使整个活塞的质量比目前镶嵌耐热奥氏体铸铁环槽的铝合金活塞减轻约30%。
1.2 活塞环材料
活塞环是具有弹性的开口环，分为气环和油环或者是第一道环和第二道环。活塞环材料应具备良好的耐磨性、耐热性、耐蚀性、强韧性、导热性、适当的弹性以及与汽缸材料的磨合性等。目前国内外应用较普遍的活塞环材料主要有铸铁类、钢类、金属陶瓷等。
铸铁具有良好的耐磨性，成本低廉，被广泛用于活塞环的制造。活塞环材料以灰铸铁为主，通常加入一些合金元素如Cr、Cu、Mn 等，使其硬度达到HRB98~107，其中135 系列柴油机活塞环材料成分如表2所列。活塞环的金相组织应以细片状或索氏体的珠光体为基体，使其有足够的机械强度。石墨本身为润滑材料，能吸附润滑油，减少摩擦磨损；并且石墨应分布均匀，呈直线状、螺旋薄片状或团絮状，以利于润滑。
表2 135 系列柴油机活塞环材料成分
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
|
活塞环还可采用球墨铸铁，珠光体球墨铸铁具有接近钢的力学性能，其中高硅铁素体球墨铸铁由于高的含硅量，与铁素体结合能形成一个很硬而耐腐蚀的组织，其基体虽以铁素体为主，但其耐磨性不亚于优质灰铸铁，且热稳定性比普通灰铸铁好。
对于高速和特别强化的发动机，由于要求较高的弹力和抗冲击性能，一般采用钢制活塞环，且在滑动表面镀铬(配氮化缸套)或经氮化处理(配镀铬缸套)以改善滑动性能。制造活塞环的钢材有高碳钢、锰钢、氮化钢等。但这种活塞环成本较其他种类高，而且很难达到发动机轻量化的要求。
用粉末冶金工艺制造的金属陶瓷活塞环具有许多独特的优点，如具有多孔性，保持润滑油的能力强，通过孔隙度的调整及硬质点的配合可以得到弹性模量低而硬度高和耐磨性好的材料，可使润滑剂(如MoS2、石墨等)浸入孔隙内。 (中国工程机械动力部件网)
[来源：粉末冶金材料科学与工程2009年8月，作者：陈刚 贺跃辉 沈培智，如有知识产权争议，请联系微信X37329588]。
获得更多最新产品知识库知识及行业资讯，请扫描微信二维码，关注微信，关注中国工程机械动力部件网！
