東風(fēng)商用車技術(shù)中心工藝研究所 （湖北十堰 442001） 樊曉光 趙俊平 吳永強(qiáng) 魯福來

隨著柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、高功率、高爆壓化的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)各關(guān)鍵零部件承受越來越苛刻的機(jī)械、熱負(fù)荷，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的性能提出了更高的要求。在較高的機(jī)械、熱負(fù)荷下，傳統(tǒng)的鑄造鋁合金活塞出現(xiàn)了多種形式的失效。針對(duì)這些失效形式，國(guó)外多家活塞制造商提出對(duì)活塞熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷最嚴(yán)重的部位進(jìn)行重熔強(qiáng)化處理，可以提高活塞使用壽命8倍以上。通過自主開發(fā)，我們完成了對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造鋁合金活塞的局部強(qiáng)化處理工藝，并采用自主設(shè)計(jì)的活塞單品試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)比研究了局部強(qiáng)化對(duì)活塞熱疲勞壽命的影響。

1.試驗(yàn)

（1）鋁合金活塞喉口重熔處理 活塞采用自主開發(fā)的鋁硅合金材料，企業(yè)內(nèi)部牌號(hào)S04，主要化學(xué)成分如表1所示。采用重力鑄造方式生產(chǎn)，加工為重熔強(qiáng)化處理留出一定余量。

表1 S04鋁合金材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

采用鎢極氬弧加熱方式進(jìn)行重熔強(qiáng)化處理，重熔參數(shù)：交流，脈沖5Hz，電流120～200A，氬氣流量6～8L/min，重熔速度90mm/min，重熔過程中控制活塞溫度不超過200℃。

金相及相關(guān)檢驗(yàn)在東風(fēng)商用車技術(shù)中心工藝研究所檢測(cè)中心進(jìn)行。重熔后精加工至成品活塞。

（2）活塞熱疲勞試驗(yàn) 根據(jù)活塞實(shí)際工作環(huán)境，我們確定了活塞熱疲勞試驗(yàn)方案，并開發(fā)了熱疲勞試驗(yàn)臺(tái)架。在活塞喉口部位安裝熱電偶，控制試驗(yàn)過程中活塞的溫度。試驗(yàn)臺(tái)架有兩個(gè)工位：一個(gè)為加熱工位，另一個(gè)為冷卻工位。將活塞固定，采用火焰加熱方式對(duì)活塞頂面及喉口加熱，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，活塞自動(dòng)移動(dòng)到冷卻工位，對(duì)活塞頂面及喉口進(jìn)行噴水快冷，冷卻到設(shè)定溫度后，活塞自動(dòng)移動(dòng)至加熱工位再進(jìn)行加熱，反復(fù)循環(huán)進(jìn)行活塞單體熱疲勞試驗(yàn)。

熱疲勞試驗(yàn)采用自主開發(fā)的活塞單品熱疲勞試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行，控制活塞喉口關(guān)鍵部位溫度在120～390℃之間循環(huán)。定期檢查裂紋長(zhǎng)度，確定裂紋長(zhǎng)度，測(cè)試活塞疲勞次數(shù)。

2.試驗(yàn)結(jié)果

（1）重熔層參數(shù) 圖1是鋁合金活塞喉口重熔宏觀照片，可以看出重熔部位A位于喉口，顏色較基體B略淺。從金相檢測(cè)可以看出初晶硅尺寸有較大程度的細(xì)化。選擇同一視場(chǎng)內(nèi)20個(gè)最大的初晶硅，測(cè)量其最大長(zhǎng)度，并取平均值作為初晶硅平均尺寸。未經(jīng)重熔強(qiáng)化的部位初晶硅尺寸明顯比重熔區(qū)域大。圖2總結(jié)了重熔區(qū)和非重熔區(qū)初晶硅顆粒尺寸測(cè)試結(jié)果。測(cè)試20點(diǎn)平均結(jié)果表明，普通鑄造活塞初晶硅尺寸約38.08μm，重熔區(qū)初晶硅平均尺寸約5.35μm，細(xì)化為非重熔區(qū)的14%。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，鋁合金活塞產(chǎn)生熱疲勞裂紋的根源就是初晶硅與α-Al基體之間的熱膨脹系數(shù)差。細(xì)化初晶硅尺寸，可以通過減小初晶硅與α-Al基體之間的作用力，降低鋁合金活塞熱疲勞開裂的趨勢(shì)。

圖1 重熔區(qū)和非重熔區(qū)

圖2 重熔區(qū)與非重熔區(qū)初晶硅尺寸對(duì)比

（2）活塞熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果 準(zhǔn)備未重熔活塞以及局部重熔強(qiáng)化的鋁合金活塞，采用上述的熱疲勞試驗(yàn)方法進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)。如圖3所示，鋁活塞經(jīng)過熱疲勞試驗(yàn)產(chǎn)生自燃燒室穿過喉口延伸至上頂面的裂紋時(shí)認(rèn)為活塞熱疲勞失效，此時(shí)活塞所經(jīng)過的熱疲勞次數(shù)作為該活塞的熱疲勞壽命。圖4總結(jié)了未重熔強(qiáng)化鋁合金活塞以及重熔強(qiáng)化活塞的熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果，可以看出重熔強(qiáng)化使得鋁合金活塞的熱疲勞壽命明顯提高。

圖3 熱疲勞裂紋照片

圖4 熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果

第一組為未重熔活塞，同樣的試驗(yàn)參數(shù)下重復(fù)3只，產(chǎn)生前述長(zhǎng)度的裂紋時(shí)對(duì)應(yīng)的熱疲勞次數(shù)分別為200、255、162次，平均熱疲勞壽命為206次。第二組為重熔強(qiáng)化活塞，同樣試驗(yàn)條件下重復(fù)進(jìn)行5只次試驗(yàn)，相同裂紋長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)熱疲勞壽命分別為972、688、806、972、2039次，平均熱疲勞壽命為1096次，比沒有重熔強(qiáng)化的活塞提高4倍。

圖5是沒有重熔處理的鋁合金活塞經(jīng)過前述熱疲勞試驗(yàn)循環(huán)200次后的裂紋狀況，可以看出經(jīng)過冷熱沖擊以及較大溫度梯度之后，活塞頂部出現(xiàn)了三條長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)牧鸭y。

圖5 沒有重熔強(qiáng)化活塞熱疲勞試驗(yàn)200次裂紋

圖6 是喉口部位經(jīng)過重熔強(qiáng)化處理的鋁合金活塞經(jīng)過806次熱疲勞循環(huán)之后的裂紋狀況，可以看出裂紋產(chǎn)生在上頂面與喉口圓弧交界的地方，隨著試驗(yàn)進(jìn)行不斷擴(kuò)展，最終有一條裂紋穿過了喉口（圖6中右上所示），另外兩條穿過頂面而沒有穿過喉口。

圖6 局部重熔強(qiáng)化活塞熱疲勞試驗(yàn)806次后裂紋

3.結(jié)語

隨著現(xiàn)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放要求的不斷提高，鋁合金活塞局部承受越來越高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷?；钊植恐厝蹚?qiáng)化技術(shù)，能夠通過細(xì)化鋁合金增強(qiáng)相的尺寸達(dá)到提高局部強(qiáng)度的作用，同時(shí)細(xì)化初晶硅尺寸，能夠有效降低熱疲勞裂紋產(chǎn)生的趨勢(shì)，從而提高活塞的使用壽命。

該技術(shù)于2011年初成功應(yīng)用于批量生產(chǎn)，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。另外，我們認(rèn)為該技術(shù)不只局限于S04材料，可以推廣應(yīng)用于其他鋁合金材料。

（20121120）