王 斌 鄭衛(wèi)剛

(1.武漢理工大學能動學院，湖北430063；2.武漢理工大學工程訓練中心，湖北 430063)

實現(xiàn)活塞裙高強度的手段有很多，文章從鑄造技術、熱處理工藝及鑄造材料等方面入手，對提高鑄造活塞裙強度的合適途徑進行探討。

1 提高活塞裙強度的方法

1.1 采用新型鑄造技術

活塞的鑄造方法有:熔模鑄造、重力金屬型鑄造、低壓鑄造、差壓(反壓)鑄造、擠壓鑄造、離心鑄造、半固態(tài)成形和磁流鑄造等。目前Al-Si活塞產(chǎn)品多采用重力金屬型鑄造(中國)、低壓鑄造(中國的保溫冒口低壓鑄造鋁活塞)、擠壓鑄造(日本)和半固態(tài)成形技術(美國、歐洲和日本等發(fā)達國家)。

熔模鑄造是一種先進的鑄造工藝方法，是少切削無切削加工工藝的重要組成部分。無論是民用工業(yè)還是國防工業(yè)都廣泛地應用熔模鑄造方法來生產(chǎn)精密鑄件，鑄件的尺寸精度和表面光潔度都較高。應用這一方法可以鑄造各種合金(特別是難于機加工的耐熱合金)和形狀復雜的鑄件。

低壓鑄造憑借經(jīng)濟性好、生產(chǎn)率高、充型能力強和可控性高等很多優(yōu)點而被廣泛用于活塞鑄造領域。擠壓鑄造是使液態(tài)或半固態(tài)金屬在高壓下充型和凝固的精確成形鑄造技術，最近幾年有較快的發(fā)展，產(chǎn)品品種不斷地增多[1]。擠壓鑄造經(jīng)時效處理能達到較高的力學性能，強度和剛度明顯提高。表1為各類擠壓鑄造合金的典型力學性能比較。

表1 各類擠壓鑄造合金的典型力學性能比較Table 1 Comparison of the typical mechanical properties of various squeeze casting alloy

圖1 固溶熱處理溫度對常溫力學性能的影響Figure 1 The influence of solution heat treatment temperature on the mechanical properties at room temperature

1.2 熱處理強化

現(xiàn)代活塞一般都為鋼頂鋁裙，就是為了減小往復慣性力，從而減少曲軸的負荷。而鋁合金的強度和硬度較低，為了能起到合適的支撐和導向作用必須對鋁合金實施熱處理以達到薄臂強背的目的。熱處理強化主要分為傳統(tǒng)工藝和現(xiàn)代工藝，傳統(tǒng)工藝主要是增加其對位錯運動的抗力，強化機制主要有彌散強化、固溶強化、沉淀強化、細晶強化、形變強化等。常采用的手段為淬火、退火、固溶熱處理等。下圖為固溶熱處理溫度對常溫力學性能的影響[2、3]。

現(xiàn)代工藝主要為微弧氧化技術，鋁合金經(jīng)表面微弧氧化熱處理以后，硬度和強度明顯增強，在合金體表面覆蓋了抗蝕、耐磨的氧化物陶瓷薄膜，獲得廣泛應用[4]。微弧氧化又稱微等離子體氧化，是通過電解液與相應電參數(shù)的組合，在鋁、鎂、鈦及其合金表面依靠弧光放電產(chǎn)生的瞬時高溫高壓作用，生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜層。鋁合金微弧氧化生成以Al2O3為主的陶瓷膜，且與基體緊密結(jié)合，故其硬度和耐磨性比基體合金顯著提高[5]。由于微弧氧化膜具有比基體合金更高的硬度和彈性模量，且與基體冶金結(jié)合，對基體合金拉伸性能的影響較小。有研究發(fā)現(xiàn)，微弧氧化膜可以顯著提高LY12鋁合金的抗彎曲能力。

1.3 采用新的鑄造材料

傳統(tǒng)鋁合金活塞已達到或接近使用極限，為此尋求新型材料成為解決現(xiàn)有技術不足的最佳途徑。隨著材料工業(yè)的不斷發(fā)展，更多新型的材料應用到鑄造活塞裙上，例如鋁基復合材料、陶瓷材料、碳材料、耐熱鎂合金材料、鎂基復合材料等。鋁基復合材料憑借質(zhì)量輕、密度小、可塑性好、比強度高比剛度高、耐高溫、耐疲勞等優(yōu)點廣泛應用于鑄造活塞裙領域[6]。大量研究表明，SiC增強相的鋁基復合材料具有較高的強度，隨著SiC體積分數(shù)的增加，強度和剛度增加，但塑性降低。其他增強相的加入使材料有其他的特殊性能，這樣不同的金屬基體以及增強相的組合使復合材料具有各種優(yōu)異的性能。表2是不同的鋁基復合材料的力學性能[7]。

顆粒增強鋁基復合材料比較廉價，適合在工業(yè)上應用，是 21 世紀最有發(fā)展前途的先進材料之一。從理論上分析，顆粒越小，復合材料的彌散強化作用越好，復合材料的性能越佳。但是，如果粒徑太小，將導致材料在制備時由于鋁合金溶液的粘度大，使得顆粒在液態(tài)鋁合金中不易分散開來，造成復合材料整體不均勻，而且界面反應也不易控制。顆粒太大，將會由于顆粒自重產(chǎn)生沉降或上浮，造成嚴重的鑄造偏析，影響鋁基復合材料的力學性能。所以，應選擇大小合適、密度相當?shù)念w粒，才能使其發(fā)揮良好的彌散增強效果，顆粒尺寸通常選取 5 μm～20 μm[8]?；钊钩Ｓ娩X基復合材料見表3。

2 活塞裙強度要求

活塞裙主要起導向作用，并承受一定側(cè)壓力，為減小磨損，裙與缸套間必須有良好潤滑。當活塞上下運動方向發(fā)生改變時，側(cè)壓力方向也將隨之改變，引起活塞左右晃動并敲擊氣缸壁，產(chǎn)生沖

表2 不同的鋁基復合材料的力學性能Table 2 The mechanical properties of different aluminum matrix composites

表3 活塞裙常用鋁基復合材料Table 3 The common aluminum matrix composites used for piston skirt

擊振動和噪聲。活塞與缸套的間隙越大，沖擊振動越嚴重。

活塞裙必須具有足夠長度以承受側(cè)壓，使裙部比壓不致過大。比壓計算公式：

式中PHmax——活塞對缸壁最大側(cè)壓力，單位為N；

D——氣缸直徑，單位為cm；

HZ——裙部長度，單位為cm。

其中，PHmax可由動力計算求得。在發(fā)動機初步設計時，亦可按以下經(jīng)驗公式作估算：

PHmax=2.7p1·FP·γ

式中 p1——平均有效壓力，單位為N/cm2；

Fp——活塞面積，單位為cm2；

γ——R/L。

表4列出了各種材料活塞裙比壓允許值。

表4 裙部比壓許用值Table 4 Specific pressure allowable value for skirt

3 總結(jié)

高強度的活塞裙不僅可以有效的減小活塞的往復慣性力，而且可以有效的降低柴油機曲軸的機械負荷，減少柴油機的維護工作量。尋求合適的提高活塞裙強度的途徑，可以降低活塞裙的制造難度以及制造成本。

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