活塞用鋁硅合金的優化方法及發展趨勢研究

趙明欣

（內蒙古交通職業技術學院汽車工程系，內蒙古 赤峰 024005）

活塞用鋁硅合金的優化方法及發展趨勢研究

趙明欣

（內蒙古交通職業技術學院汽車工程系，內蒙古 赤峰 024005）

綜述了活塞用鋁硅合金的應用現狀，對每類合金的優缺點進行了簡要分析；詳細介紹了強化活塞用鋁硅合金綜合性能的幾種常用方法，并分析了每種優化方法的利與弊以及在實際生產中的應用情況；指出了存在的問題及今后的發展方向。

鋁硅合金；活塞；變質細化；熱處理

CLC NO.:U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-76-04

引言

活塞是內燃機的“心臟”，其質量優劣必將直接影響到內燃機的可靠性、經濟性及壽命，而材料是決定活塞性能的關鍵因素，為了提高我國內燃機的技術水平，使內燃機向高強度化方向發展，就要不斷提高活塞材料性能水平。由于活塞是在高溫高壓的環境下承受著反復交變載荷，其工作條件最為嚴酷。所以要求活塞材料具有良好的耐磨性，疲勞性能好以及使用壽命長且密度較小等特點。因而高性能活塞材料及其工藝性能的研究開發與應用就變得十分重要而緊迫。

1、鋁硅合金的概況

鋁合金活塞的突出優點是比重小，可大大減少活塞的質量及往復運動的慣性力。在同樣強度的情況下，它比鋼鐵材料輕很多。鋁合金活塞的另外一個優點是導熱系數大， 從而可促使冷卻過程有效進行，工作時，活塞表面的溫度比鑄鐵的低，而且活塞頂部的積碳也較少。現在，世界上廣泛采用鋁硅系合金作為活塞材料，硅具有高耐磨的硬質點，通過適當的工藝，使硬質點細小，均勻地分布在鋁的基體上，可以明顯提高鋁合金的強度和耐磨性。鋁硅活塞合金根據其中Si含量的不同可分為三類：亞共晶、共晶和過共晶鋁硅合金。

1.1 亞共晶型鋁硅合金

Si含量質量分數小于11.0%的亞共晶鋁硅合金，鑄造性能好，適應生產工藝的要求。國外對中、小型轎車發動機活塞，過去一般采用亞共晶鋁硅合金，如美國的SAE332，日本的AC8B、AC8C，英國的LM26等。還有相當一部分在輕型車及摩托車上采用這種合金，如日本豐田TR22、491Q及X125、HG244等[1]。但是亞共晶鋁硅合金熱膨脹系數稍大，耐磨性也相對較差，隨著對活塞性能要求的不斷提高，亞共晶型鋁硅合金越來越不能滿足發動機的發展要求，應用受到了一定的限制。

1.2 共晶型鋁硅合金

共晶型鋁硅合金中Si含量質量分數為11.0%～13%，因其膨脹系數很低，具有良好的力學性能、鑄造性能和切削性能，是中小型內燃機活塞的首選材料；共晶鋁硅合金在應用中存在的問題是尺寸穩定性差、抗咬合負載低，在較高溫下使用，產生體積的不可逆膨脹而出現“咬缸”現象使發動機無法正常工作，同時其高溫強度和耐磨性較差。但隨著共晶型鋁硅合金的制備工藝的不斷發展，共晶型鋁硅合金在實際生產中也得到了廣泛應用。國內常用的該類合金以ZL108和ZL109為典型代表。

1.3 過共晶型鋁硅合金

過共晶鋁硅合金具有流動性好、耐磨與線膨脹系數低等優點，是制造活塞的理想材料。其含硅量大于 13%，組織為初晶硅與（α+β）共晶體。這種合金隨含硅量增加，耐磨性、尺寸穩定性、抗咬合性均有大幅度提高，但由于大量大塊初晶硅的析出，合金的抗拉強度、延伸率急劇下降，鑄造性能及切削加工性能隨含硅量提高到 18%后也開始變差。所以，過共晶鋁硅合金作為活塞材料，其良好的使用性能與較差的力學、工藝性能之間的矛盾突出。這些不利因素限制了過共晶鋁硅合金在更加廣泛的范圍內應用。但是隨著冶金技術的提高，過共晶鋁硅合金已在德國、法國和日本等國得到了廣泛應用。國外常見的過共晶鋁硅合金有 393、AC9A、KS282等[2]、這些合金在國外已廣泛應用于活塞生產。國產的主要有ZL117、76-1等[3]，國內已有部分企業將過共晶 Al-Si 合金應用于摩托車和汽車發動機活塞。過共晶 Al-Si合金作為一種有潛力的耐磨材料在我國的應用正日益廣泛。

2、提高活塞用鋁硅合金綜合性能的途徑

如何能使鋁硅合金保持固有優點的同時，機械性能有大幅度的提高，一直是材料研究者十分關注的研究課題。近幾十年來，國內外的研究者嘗試了各種各樣的方法，研究并采用了不少行之有效的細化，均勻化措施。

2.1 變質處理

鋁硅合金通常要變質處理來改善硅相的形態，通過細化鋁硅合金中的粗晶硅，將粗晶硅轉變為細纖維狀，消除了在這些微粒周圍形成的應力點，使硅分散于鋁中，從而改善了鑄件的機械性能。自從1920年發現了Na對Al-Si合金的變質作用以來，變質技術得到了廣泛而深入的研究，發現了許多新的變質元素和變質方法。對共晶組織有變質作用的元素有Na、Ca、Ba、K、Sr、Sb、Te、Ti、Li以及稀土元素等。目前用于生產實際的變質元素有Na、Sb和Sr,對過共晶組織有變質作用的元素有P、As和S[4,5]。

鋁硅合金經變質處理后的顯微組織得到了明顯的細化，晶粒更細小，組織更致密，成份更均勻。并且經實驗證明變質處理后的鋁硅合金的機械性能得到了提高。

同種鋁硅合金使用不同的變質劑，合金鑄態組織中的晶粒形態有較大差異，如圖1所示為共晶鋁硅合金在不同變質劑處理下的鑄態組織[6]，可以看出采用不同的變質劑處理，合金均獲得了良好的變質組織，但是不同的變質方法，共晶硅粒狀化效果不同，Sb變質的合金中共晶硅晶粒大小和 RE變質的相當，但均勻性不如RE變質的好，同時共晶硅顆粒也沒有RE變質的圓整，組織中仍有少量未充分粒化的短棒狀共晶硅。

近年來變質效果較好的雙重多元復合變質的探索和研究工作，也取得了一些進展。但是，加入額外的變質劑會有很多不可控的因素，如變質劑的時效性等，而且還可能導致有害的副作用，使產品的綜合性能下降，況且有些合金也難以通過加入變質劑來實現晶粒細化。

2.2 物理細化

物理細化主要是采取振動的方式，包括機械振動、聲波和超聲波振動以及電磁攪拌等，使合金在結晶初期形成的枝晶破碎，使晶粒數目增加，達到細化的目的。機械攪拌具有設備簡單、投資少等優點，但是機械攪拌的工藝參數難以控制，攪拌不均勻，攪拌設備易磨損和腐蝕，不適于高熔點合金和易氧化合金，因此該方法很難在工業上推廣應用。在金屬和合金凝固過程中施加的聲波和超聲波振動，消除了不理想的柱狀區，細化了晶粒，增加了等軸細晶結構。但是這種技術也存在一些不利因素，當振動棒浸入到熔融鋁合金中會很快熔解，壽命短，超聲波作用范圍小，這些缺點使得這種方法在實際生產中應用不多。

在對材料處理過程中施加電場和（或）磁場是近幾十年來興起的工藝，電磁攪拌能夠連續攪拌，可使熔體的化學成分均勻，大幅度提高了合金的質量；可大幅度縮短熔煉時間，減少能源消耗；與以往的機械攪拌相比，利用電磁力對金屬熔體進行攪拌具有不接觸、對熔體無污染等優點，并且大幅減輕了工人的勞動強度，是機械攪拌無法比擬的。該工藝方法對細化晶粒、改善組織有顯著的作用，并且設備簡單、容易操縱、經濟效益好,目前，這種晶粒細化工藝已經在工業上產中得到了廣泛的應用。

2.3 熱處理工藝

鑄件在不同的工作條件下對性能的要求不同，因此對于同一種鋁硅合金的鑄件常常采用不同的熱處理工藝以滿足使用性能的要求，即使活塞的成分、成形技術及性能要求相同，如果活塞大小和結構不同，其熱處理規范也不盡相同。

圖2a、b所示分別是過共晶鋁硅合金鑄態和熱處理（T6）后的金相組織。從圖上可見，經過熱處理（T6）后，該合金鑄態組織的大部分枝晶已被消除，初晶硅大小、分布更加均勻，共晶硅變成更為彌散均勻的點狀組織。

汽車發動機活塞的熱處理宜采用 T6(淬火+時效)或 T7（淬火+過時效）處理，對于特種活塞可采用低溫淬火+人工時效。若單純采用時效處理，則必須在鑄件出模后利用其余熱采取相應的強冷措施，但此時應保證冷卻條件，即工藝條件的穩定性。這既在保證體積穩定性好的前提下，能有一個合理的常溫強度和硬度，便于切削加工，又能使活塞工作時各部位的強度有相應的提高[1]。

2.4 改進鑄造方法

目前美國、歐洲和日本等發達國家的鋁硅活塞產品多采用半固態成形技術和擠壓鑄造，我國的活塞鑄造工藝主要有手工金屬型重力鑄造、機械化和自動化的澆注機金屬型重力鑄造、壓鑄、擠壓鑄造等幾種。多數采用金屬型手工鑄造方法，少數廠家采用雙模或多模澆注機生產，也有少量采用壓鑄、擠壓鑄造等新方法來生產[8～10]。鑄造中應用電磁技術也在國內外得到了廣泛的應用。制造工藝簡單且成本低，操作方便，有著其它細化方法不可替代的優點，可以明顯提高鑄件的力學性能，經濟效益和社會效益都十分顯著。

擠壓鑄造活塞與傳統金屬模重力鑄造活塞相比，無論是宏觀組織還是微觀金相組織，活塞組織缺陷減少了，組織致密性大大改觀。同時機械性能也有較大幅度提高。如圖4為擠壓鑄造和金屬模鑄造同種活塞顯微組織照片，可以看出擠壓鑄造的顯微組織明顯地比金屬模鑄造的致密[11]。

擠壓鑄造活塞與傳統金屬模重力鑄造活塞相比，無論是宏觀組織還是微觀金相組織，活塞組織缺陷減少了，組織致密性大大改觀。同時機械性能也有較大幅度提高。如圖3為擠壓鑄造和金屬模鑄造同種活塞顯微組織照片，可以看出擠壓鑄造的顯微組織明顯地比金屬模鑄造的致密[11]。

半固態成形是利用金屬從液態向固態轉變或從固態向液態轉變即液固共存過程種所具有的特性進行成形的方法。與傳統液態或固態成形工藝相比，半固態成形件表面平整光滑，鑄件內部組織致密，析出物均勻分散，沒有普通鑄造組織中存在的粗大的枝晶，偏析等缺陷少，力學性能高；相對于鑄造等液態加工技術而言，加工溫度較低，對模具的熱沖擊較小，有利于提高鑄型壽命；與鍛造和擠壓等固態加工技術相比，變形抗力較小，而且能耗低，效率高，易于自動控制；適于采用計算機輔助設計和制造，提高了生產的自動化程度[12,13]。

在鑄造中應用電磁技術，內容是豐富多采的，有電磁鑄造（EMC）、電磁細晶鑄造工藝（CREM）、低頻電磁鑄造技術（LEFC）、移動磁場鑄造、電磁離心鑄造等。同常規鑄造相比，電磁鑄造鑄件的表面光滑，沒有鑄模生產所固有的缺陷，不需要進行去皮加工；鑄件內部組織均勻，晶粒細小。如圖 4所示為電磁鑄造與常規鑄造合金微觀組織的比較[14]。

3、結論與展望

汽車發動機的節能和高效是汽車工業發展的主要目標，發動機的不斷發展，從根本上說，是建立在主要零部件性能不斷提高和使用壽命不斷延長的基礎上。而活塞是發動機中工作強度最大的零件之一，隨著大功率、中高速、小型化內燃機需求的不斷增長，活塞的工作環境將變得更加惡劣，勢必對活塞材料提出更苛刻的要求。開發耐高溫、耐磨、節能、降低尾氣排放的高技術活塞，是當前活塞發展的主要方向。雖然近年來國際上出現了一些復合材料可作為新型的活塞材料，但是復合材料的成本較高，并且有些復合材料仍處于研究階段。所以對于我國而言，還應該立足于我國國情，在提高材料的綜合性能上下功夫。由于國內主要使用亞共晶和共晶鋁硅合金，而國外已經轉向使用過共晶鋁硅合金。所以應大力發展我國活塞材料及其制造工藝，以及加強對活塞材料先進鑄造技術及設備的研究和開發，對改變我國汽車工業現狀、提高市場競爭力意義深遠。

[1] 馮增建，趙士博，張國華.提高活塞材料綜合性能的研究[J]，內燃機配件，2001，（1）.

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Research on strengthen methods and development trend of Al-Si piston alloy

Zhao Mingxin
(Department of Automobile Engineering, Nei Monggol Communications Polytechnic College, Nei Monggol Chifeng 024005)

This article summarized the current application of Al-Si piston alloy. The merits and demerits of every kind Al-Si alloy were analyzed; the article detailed introduced the common means and ways which improved the comprehensive capability of Al-Si piston alloy, at the same time, it analyzed the advantages and disadvantages of each method, the application of per method to industry was analyzed too; This article also pointed out the current existing problems and the development trend in the future.

Al-Si alloy; piston; strengthen; capability

U463.5

A

1671-7988(2015)05-76-04

趙明欣，講師，碩士研究生，研究方向：交通運輸、機械制造。