发动机活塞缸套的材料及加工工艺研究（二）
F-DIESEL工程机械动力部件 2016/5/6 15:11:34
2、发动机缸套材料
缸套分为干式和湿式两种。至于某些不需要
缸套的整体式发动机，其缸筒除要有良好的耐磨性外，还要耐压，并要求内表面不存在任何铸造缺陷。目前，制备发动机缸套用的材料以铝合金为主，还有铸铁及陶瓷等。
铝合金作为发动机缸套和缸体材料，应满足发动机的3 个重要性能指标：质轻、导热性好、
缸套与缸体的热膨胀率相同。现在广泛应用的铝合金为silfer合金即铝硅过共晶合金，它添加了大量铁和镁元素，能生成硬质相，如初生硅晶体，极大地提高了材料的耐磨性。
铸铁的耐高温性能优越，可提高燃油效率。目前缸套用铸铁材料主要为灰铸铁、高磷铸铁、硼铸铁、钒钛铸铁、磷铜钛多元素铸铁、铌铸铁以及蠕铁等，但采用铸铁缸套的发动机耗油量大，限制了其发展。
陶瓷
缸套具有导热性低、耐高温、耐腐蚀、耐磨、抗氧化等一系列优点。日本五十铃汽车公司开发的绝热陶瓷发动机的缸套采用陶瓷材料。德国Opel 公司用陶瓷材料制造了四缸涡流燃烧室柴油机的零件，其中包括缸套。
3、发动机活塞组件加工工艺
3.1、活塞加工工艺
3.1.1、铸造工艺
目前，活塞材料主要是铝合金，而铝合金活塞应用最多的铸造工艺是挤压铸造，还有锻造和金属型铸造，它们各有其优缺点。
1) 金属型铸造加工简单，生产成本较低，但容易产生缩孔、缩松等铸造缺陷，导致活塞力学性能较低，难以满足使用要求。
2) 锻造活塞常温力学性能高，高温耐热疲劳性好、塑性好，能满足大功率发动机的要求。但锻造活塞加工量大，生产成本高，仅适用于某些要求较高的大型活塞或高速活塞。
3) 挤压铸造为介于上述两者之间的铝活塞成形技术，是将液态金属在高压下充型和凝固的精确成形铸造技术，又称为液态模锻。在挤压铸造中，铝液注入型腔时的加压主要是为了消除铸件的缺陷。从图1 可看出挤压铸造的显微组织明显比金属模的细密，其原因一方面是由于在压力下，铸件的凝固速度加快。另一方面在压力作用下α 树枝晶破碎，导致枝晶间距明显缩短并细化，从而使活塞力学性能显著提高。与传统金属模重力铸造活塞毛坯相比，金属型铸造没有浇冒口，原材料和能源消耗都大大降低，实现了精确铸造，并减少了缩松、缩孔等铸造缺陷。
3.1.2、表面强化处理工艺
活塞在工作时容易造成活塞环槽磨损、顶部燃烧室烧毁、活塞裙部擦伤磨损，通过表面处理可降低活塞摩擦因数，或提高活塞表面硬度、强度、耐高温性，从而提高活塞的使用寿命。活塞表面强化方式主要有：
图1 金属型铸造(a)和挤压铸造(b)活塞显微组织
Fig.1 Piston’s structure pictures of metal mold foundry (a) and extrusion foundry (b)
1) 镀铬。这是最常见的一种提高材料抗磨损性能的方法。铬镀层具有高的硬度和耐磨性，活塞环槽侧面镀铬后，能明显减少环槽的磨损。在温度和载荷中等的发动机上，通过镀铬处理，活塞环槽磨损量减少33%～60%。
2) 镀锡。活塞表面镀锡可以改善配副摩擦件之间的初期磨损性能，降低配副间的摩擦因数，从而达到减低活塞表面磨损量的目的。活塞镀锡一般采用化学镀的工艺，此工艺特别适用于像活塞这种形状复杂的零件表面电镀处理。
3) 微弧氧化。通过微弧氧化把基体金属直接烧结成氧化物陶瓷膜，使材料硬度和表面耐磨性都大大提高。微弧氧化膜既具有陶瓷膜的高性能，又保持了阳极氧化膜与基体的结合力。
4) 激光处理。首先在铝活塞表面涂敷含有镍、铬等合金元素的预涂敷材料，然后进行激光热处理，使铝活塞环槽表面形成一层硬度高、耐磨性好的合金层。
5) 等离子喷涂。它适用于活塞顶部，材料为Al2O3、ZrO2 等陶瓷。这些材料本身能承受很高的温度而不会发生氧化和软化，并具有低导热系数。通过等离子喷涂能有效提高活塞顶部的耐热性，防止顶部烧损及产生裂纹。
3.2、活塞环加工工艺
3.2.1、铸造工艺
发动机活塞环加工主要采用球墨铸铁活塞环的铸造工艺，该工艺可分为以下4 种：
1) 双片椭圆铸造工艺。此工艺是德国格茨公司于1965 年开发出来的，其突出优点是内外圆和端面的加工余量不大，双片毛坯产生的心部缩松在切片时被切去，得到没有缩松缺陷的单片毛坯。椭圆毛坯直接进行内外圆仿形加工，环的压力曲线分布合理，热稳定性和使用可靠性高，适用于大批量生产，工艺简单，生产成本低，是目前最先进的铸造工艺。
2) 四片椭圆短筒体铸造工艺。格茨公司于1996年开始在双片铸造工艺基础上成功开发此工艺，它采用三工位自动或半自动造型机造型。与双片楕圆铸造工艺相比，四片铸造的生产效率更高，而且可以节省型砂和减少清理工作量。
3) 椭圆短筒体铸造。这是日本NPR 公司开发的铸造技术，每个型砂箱可布置10~30 个短筒体环模，生产效率很高。
4) 单体椭圆铸造。适合于小缸径摩托车环和微型车环的制备，其造型生产率高，不需要切片，可以直接磨削加工。
3.2.2、表面强化处理工艺
1) 表面电镀Cr。表面镀Cr 可使活塞环寿命延长3~5 倍，且气缸磨损量减少1/2；Cr 层摩擦因数较小，对燃烧产物硫酸等的耐蚀性很高。但镀Cr 过程的毒性大，能耗高，镀Cr 层极脆易脱落，造成气缸损伤，所以该工艺将逐渐被淘汰。
2) 钢质活塞环的氮化处理[49−50]。与镀Cr 相比，该处理工艺便宜、可靠且环保。活塞环经氮化处理后形成铁和铬等的氮化物硬质表层，耐磨性远高于镀铬环。氮化处理工艺有气体氮化、等离子氮化和QPQ 盐浴氮化等。
3) 表面喷Mo。采用火焰喷涂或等离子喷涂的方式在活塞环表面喷Mo 后，活塞环不易拉伤缸体，且耐磨粒磨损。Mo 粉中加入Cu 粉和Al-Si 合金粉末所获的涂层中能形成CuAl2 和Cu9Al4 等减磨相，使涂层具有更优良的耐磨性能。
4) 表面陶瓷涂层强化。基于陶瓷材料热稳定性好、硬度高，对活塞环外圆表面进行等离子喷涂陶瓷涂层，可提高活塞环的耐磨、抗擦伤、耐高温和耐腐蚀性。AE Goetze 公司研制出的涂料CKS-36，是在Cr 基上均匀分布含有AlN 陶瓷颗粒的复合陶瓷涂层，这种涂层的钢质活塞环已经应用于中速柴油机上。(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]。
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