高強度鋁活塞材料的開發

【日】 Koma H Hayashi S Genma Y Matsuyama Y Okada N Ikuno H

0 前言

減輕零件質量正成為減少車輛二氧化碳排放的一種越來越重要的手段。減輕發動機活塞等運動件的質量顯得尤為有效，這還能減少慣性力和摩擦損失。為此，汽車制造商們競相開發更輕的活塞（圖1），并要求不斷地進行改進。減輕活塞質量的2種途徑是優化活塞的形狀和提高材料的強度。本文介紹針對后一種途徑所做的研究。

除了滿足性能方面的要求外，新開發的材料還必須能以較低的成本來制造活塞。本研究的目標是開發一種至少能在250℃溫度下保持恰當抗拉強度和疲勞強度的合金，用它制造重力澆鑄活塞，并要求保持制造成本不變。

圖2為活塞用鋁合金疲勞強度的基準情況和開發目標。豐田汽車公司目前用于批量生產的材料在250℃時的疲勞強度已居世界最高水平，但是，這種合金（Al-12Si-3Cu-2Ni-1Mg）的強度僅比另一家制造商的略高一些。豐田汽車公司要求開發一種強度更高的新材料，這種新材料的目標疲勞強度至少要比目前該公司所用材料的疲勞強度提高10%以上。

1 提高疲勞強度的途徑

圖3為鋁合金抗拉強度與疲勞強度之間的相互關系。對于鍛造材料，還有1個增加的共有強度。當鑄造材料中因拉伸而出現靜態裂縫時，該裂縫通常是瞬時發生的。因此，在因疲勞而產生裂縫的情況下，最薄弱的部位就成為最重要的因素，而不是材料的平均強度，因為該裂縫是經由最薄弱部位逐漸擴展的。

圖4為某個鑄件顯微結構中最大主應力分布情況的分析結果。最大主應力集中在最薄弱的鋁合金基材部位，而由結晶硅部位支撐的應力則非常小。換句話說，鑄件顯微結構中的應力分布是不均勻的，這阻礙了疲勞強度的提高。

因此，這種新材料的開發理念是要通過形成均質的顯微結構來提高鑄件的疲勞強度。

2 結果和討論

2.1 試驗方法

以目前活塞批量生產用的材料（Al-12Si-3Cu-2Ni-1Mg）作為基準，通過觀察研究每種元素對顯微結構的影響，尋找形成鑄件均質顯微結構的條件。然后，按這種化學成分制造試樣，并進行高溫疲勞強度測定。最后，確定一種既能在批量生產中得到控制，又不會對鑄件均質顯微結構產生不利影響的化學成分。

2.2 附加元素對顯微結構的影響

2.2.1 利用鈦形成均質顯微結構

在大多數鋁合金固化時，通常會形成一種樹枝狀的鋁微晶結構。其他固相沉淀物便會沿樹枝狀晶體的分枝均勻排列。因此，如果晶粒粗大，就會沿某個特定的方向排列，從而在樹枝狀微晶結構的基礎上形成若干富鋁層，并呈現非均質顯微結構。

為了消除這種現象，在開發的新材料中添加了鈦，使晶粒更細，抑制富鋁區的形成，這樣就能阻止非均質顯微結構的形成。如圖5所示，在固化過程中，鈦會生成三鋁化鈦（TiAl3）。由于該化合物的晶格常數與鋁的晶格常數十分接近，所以它的功能就如同鋁的成核晶格一樣。通過添加鈦，鋁的成核晶格數量會有所增加，因而鋁晶粒的顯微結構會變得更細。

用新開發的材料制造了1個活塞樣品，可以觀察到它的金相組織很細（圖6），并證實其不均勻的富鋁層數量有所減少（圖7）。

2.2.2 利用鐵和錳使高溫穩定性好的化合物擴散來提高強度

在改善材料的固化性能以生成均質顯微結構之后，接下來的開發重點是促使一種高溫穩定性好的化合物在整個材料中擴散，以提高材料的高溫強度。

在新開發材料的成分設計中，添加了適量的鐵和錳，以生成一種具有良好高溫穩定性的鋁-硅-鐵-錳化合物。如果該化合物能在整個材料中得以擴散，它將能起到與鋁骨架結構相同的作用，并能提高高溫強度。觀察新開發材料的顯微結構證實，該化合物已按預定設想存在于材料中（圖8）。

2.3 為保證流動性的成分設計

為了確保這種新合金的可鑄性，其成分設計還要考慮到材料的流動性。目前，高性能活塞都采用定向固化工藝，產品的縮松缺陷已降到十分低的水平。增加銅含量對于改善高溫強度極為有效，但銅含量太多會對固化的定向性產生不利影響，并且會使最終固化的部位在整個材料中變得很分散，這就容易產生縮松缺陷。就新開發的材料而言，它的銅含量已維持在與目前批量生產用材料相似的水平上。正設法推出一種能在不依賴銅的條件下提高強度的替代方法。

另外，流動性對于制造薄壁活塞也是必需的。流動性與硅含量和金屬的顯微結構相關，它可以通過生成過共晶的顯微結構來加以改善（圖9）。通過添加適量的硅、磷和鈣，最終形成這種顯微結構。

2.4 高溫疲勞特性

從活塞頂部切取若干試樣，研究新開發材料的高溫疲勞強度。250℃時的疲勞試驗結果表明，新開發材料疲勞強度的增加超過了原定目標（圖10）。

2.5 確定的最佳成分范圍

確定了活塞材料的最佳成分范圍，既不會對均質顯微結構產生不利影響，又能在批量生產條件下實現可控性。目前已按照這一成分范圍制造了若干活塞樣品。圖11為均質顯微結構和非均質顯微結構的示例。

3 確保批量生產時材料強度的穩定性

化學成分和鑄造缺陷是影響疲勞強度的2個可能因素?；瘜W成分在某一規定范圍內會有所變化，而鑄造缺陷則主要受鑄造條件的影響。因此，為了確保材料強度的穩定性，對這兩個因素產生的影響進行了試驗研究。

3.1 化學成分變化對疲勞強度的影響

圖12為顯微結構相同但化學成分有所變化的若干活塞試驗鑄件在不同溫度下的疲勞試驗結果?；瘜W成分變化導致疲勞強度降低?；瘜W成分處于下限值時的疲勞強度比常規成分的參比材料約低8%?？紤]到這些結果，在材料設計中確定了1個安全系數。

3.2 鑄造缺陷對疲勞強度的影響

利用試驗鑄件和從活塞上切取的試樣，研究了鑄造缺陷對疲勞強度的影響。當鑄造缺陷超過一定尺寸時，疲勞強度就會明顯下降（圖13）。因此，必須將鑄造缺陷的尺寸控制在有可能導致疲勞強度下降的缺陷尺度以下。

4 活塞疲勞試驗結果

用新開發的材料制造若干活塞樣品，并進行試驗臺疲勞試驗。試驗結果顯示，新材料的疲勞強度比傳統材料的提高了14%（圖14）。因此，采用新開發材料制造活塞能提高發動機的功率，并減輕活塞質量。

5 結語

（1）通過形成均質顯微結構，并促使高溫穩定性好的化合物在材料中擴散，開發了一種優良的新材料。

（2）為了提高材料強度的穩定性，對影響高溫強度的2個因素（即化學成分變化和鑄造缺陷）進行了研究，確定了這兩個因素所產生的影響。

（3）用新開發材料制造的活塞在試驗臺疲勞試驗中的結果顯示，其應力耐久性比傳統材料的產品提高了14%。