提高鑄造活塞裙強(qiáng)度的方法

王 斌 鄭衛(wèi)剛

(1.武漢理工大學(xué)能動學(xué)院，湖北430063；2.武漢理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，湖北 430063)

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

1 提高活塞裙強(qiáng)度的方法

1.1 采用新型鑄造技術(shù)

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(shù)(美國、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家)。

熔模鑄造是一種先進(jìn)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(yīng)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(yīng)用這一方法可以鑄造各種合金(特別是難于機(jī)加工的耐熱合金)和形狀復(fù)雜的鑄件。

低壓鑄造憑借經(jīng)濟(jì)性好、生產(chǎn)率高、充型能力強(qiáng)和可控性高等很多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于活塞鑄造領(lǐng)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(shù)，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(dá)到較高的力學(xué)性能，強(qiáng)度和剛度明顯提高。表1為各類擠壓鑄造合金的典型力學(xué)性能比較。

表1 各類擠壓鑄造合金的典型力學(xué)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(xué)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(qiáng)化

現(xiàn)代活塞一般都為鋼頂鋁裙，就是為了減小往復(fù)慣性力，從而減少曲軸的負(fù)荷。而鋁合金的強(qiáng)度和硬度較低，為了能起到合適的支撐和導(dǎo)向作用必須對鋁合金實(shí)施熱處理以達(dá)到薄臂強(qiáng)背的目的。熱處理強(qiáng)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(yùn)動的抗力，強(qiáng)化機(jī)制主要有彌散強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、形變強(qiáng)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(xué)性能的影響[2、3]。

現(xiàn)代工藝主要為微弧氧化技術(shù)，鋁合金經(jīng)表面微弧氧化熱處理以后，硬度和強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，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(yīng)用[4]。微弧氧化又稱微等離子體氧化，是通過電解液與相應(yīng)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(dá)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(shù)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(yīng)用到鑄造活塞裙上，例如鋁基復(fù)合材料、陶瓷材料、碳材料、耐熱鎂合金材料、鎂基復(fù)合材料等。鋁基復(fù)合材料憑借質(zhì)量輕、密度小、可塑性好、比強(qiáng)度高比剛度高、耐高溫、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于鑄造活塞裙領(lǐng)域[6]。大量研究表明，SiC增強(qiáng)相的鋁基復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度，隨著SiC體積分?jǐn)?shù)的增加，強(qiáng)度和剛度增加，但塑性降低。其他增強(qiáng)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(qiáng)相的組合使復(fù)合材料具有各種優(yōu)異的性能。表2是不同的鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能[7]。

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料比較廉價，適合在工業(yè)上應(yīng)用，是 21 世紀(jì)最有發(fā)展前途的先進(jìn)材料之一。從理論上分析，顆粒越小，復(fù)合材料的彌散強(qiáng)化作用越好，復(fù)合材料的性能越佳。但是，如果粒徑太小，將導(dǎo)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(fù)合材料整體不均勻，而且界面反應(yīng)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(yán)重的鑄造偏析，影響鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能。所以，應(yīng)選擇大小合適、密度相當(dāng)?shù)念w粒，才能使其發(fā)揮良好的彌散增強(qiáng)效果，顆粒尺寸通常選取 5 μm～20 μm[8]?；钊钩Ｓ娩X基復(fù)合材料見表3。

2 活塞裙強(qiáng)度要求

活塞裙主要起導(dǎo)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(dāng)活塞上下運(yùn)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(fù)合材料的力學(xué)性能Table 2 The mechanical properties of different aluminum matrix composites

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

擊振動和噪聲?；钊c缸套的間隙越大，沖擊振動越嚴(yán)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(jì)算公式：

式中PHmax——活塞對缸壁最大側(cè)壓力，單位為N；

D——?dú)飧字睆剑瑔挝粸閏m；

HZ——裙部長度，單位為cm。

其中，PHmax可由動力計(jì)算求得。在發(fā)動機(jī)初步設(shè)計(jì)時，亦可按以下經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)度的活塞裙不僅可以有效的減小活塞的往復(fù)慣性力，而且可以有效的降低柴油機(jī)曲軸的機(jī)械負(fù)荷，減少柴油機(jī)的維護(hù)工作量。尋求合適的提高活塞裙強(qiáng)度的途徑，可以降低活塞裙的制造難度以及制造成本。

[1] 齊丕驤，吳岳壹，齊霖.擠壓鑄造合金材料的研究進(jìn)展[J].特種鑄造及有色合金，2005,25(1)：28-30.

[2] 王蕾，吳光英.2024、7075鋁合金熱處理的工藝及設(shè)備[J].熱處理技術(shù)與裝備，2010,31(6):51-53.

[3] 于帆，剛建偉，張宏偉.7020鋁合金熱處理工藝研究[J].輕合金加工技術(shù)，2010,38(2):51-54.

[4] 段關(guān)文，高曉菊，滿紅.微弧氧化研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程，2010,33(5):102-103.

[5] 侯亞麗，劉忠德.微弧氧化技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].電鍍與裝飾，2005,27(3):24-25.

[6] 侯麗麗，尹志新，樊新波.鋁基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 材料熱處理技術(shù)，2008,37(10):84-85.

[7] 王宇鑫，張瑜,嚴(yán)鵬飛.鋁基復(fù)合材料的研究[J].上海有色金屬,2010,31(4):194-195.

[8] 趙龍志，楊敏.顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究[J].熱加工工藝,2011，40(20)：107-109.