高強(qiáng)度鋁活塞材料的開發(fā)

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

0 前言

減輕零件質(zhì)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(fā)動(dòng)機(jī)活塞等運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)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(jìng)相開發(fā)更輕的活塞（圖1），并要求不斷地進(jìn)行改進(jìn)。減輕活塞質(zhì)量的2種途徑是優(yōu)化活塞的形狀和提高材料的強(qiáng)度。本文介紹針對(duì)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(fā)的材料還必須能以較低的成本來制造活塞。本研究的目標(biāo)是開發(fā)一種至少能在250℃溫度下保持恰當(dāng)抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)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(qiáng)度的基準(zhǔn)情況和開發(fā)目標(biāo)。豐田汽車公司目前用于批量生產(chǎn)的材料在250℃時(shí)的疲勞強(qiáng)度已居世界最高水平，但是，這種合金（Al-12Si-3Cu-2Ni-1Mg）的強(qiáng)度僅比另一家制造商的略高一些。豐田汽車公司要求開發(fā)一種強(qiáng)度更高的新材料，這種新材料的目標(biāo)疲勞強(qiáng)度至少要比目前該公司所用材料的疲勞強(qiáng)度提高10%以上。

1 提高疲勞強(qiáng)度的途徑

圖3為鋁合金抗拉強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度之間的相互關(guān)系。對(duì)于鍛造材料，還有1個(gè)增加的共有強(qiáng)度。當(dāng)鑄造材料中因拉伸而出現(xiàn)靜態(tài)裂縫時(shí)，該裂縫通常是瞬時(shí)發(fā)生的。因此，在因疲勞而產(chǎn)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(qiáng)度，因?yàn)樵摿芽p是經(jīng)由最薄弱部位逐漸擴(kuò)展的。

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

因此，這種新材料的開發(fā)理念是要通過形成均質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)來提高鑄件的疲勞強(qiáng)度。

2 結(jié)果和討論

2.1 試驗(yàn)方法

以目前活塞批量生產(chǎn)用的材料（Al-12Si-3Cu-2Ni-1Mg）作為基準(zhǔn)，通過觀察研究每種元素對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響，尋找形成鑄件均質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)的條件。然后，按這種化學(xué)成分制造試樣，并進(jìn)行高溫疲勞強(qiáng)度測(cè)定。最后，確定一種既能在批量生產(chǎn)中得到控制，又不會(huì)對(duì)鑄件均質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響的化學(xué)成分。

2.2 附加元素對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 利用鈦形成均質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)

在大多數(shù)鋁合金固化時(shí)，通常會(huì)形成一種樹枝狀的鋁微晶結(jié)構(gòu)。其他固相沉淀物便會(huì)沿樹枝狀晶體的分枝均勻排列。因此，如果晶粒粗大，就會(huì)沿某個(gè)特定的方向排列，從而在樹枝狀微晶結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成若干富鋁層，并呈現(xiàn)非均質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)。

為了消除這種現(xiàn)象，在開發(fā)的新材料中添加了鈦，使晶粒更細(xì)，抑制富鋁區(qū)的形成，這樣就能阻止非均質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)的形成。如圖5所示，在固化過程中，鈦會(huì)生成三鋁化鈦（TiAl3）。由于該化合物的晶格常數(shù)與鋁的晶格常數(shù)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(shù)量會(huì)有所增加，因而鋁晶粒的顯微結(jié)構(gòu)會(huì)變得更細(xì)。

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

2.2.2 利用鐵和錳使高溫穩(wěn)定性好的化合物擴(kuò)散來提高強(qiáng)度

在改善材料的固化性能以生成均質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)之后，接下來的開發(fā)重點(diǎn)是促使一種高溫穩(wěn)定性好的化合物在整個(gè)材料中擴(kuò)散，以提高材料的高溫強(qiáng)度。

在新開發(fā)材料的成分設(shè)計(jì)中，添加了適量的鐵和錳，以生成一種具有良好高溫穩(wěn)定性的鋁-硅-鐵-錳化合物。如果該化合物能在整個(gè)材料中得以擴(kuò)散，它將能起到與鋁骨架結(jié)構(gòu)相同的作用，并能提高高溫強(qiáng)度。觀察新開發(fā)材料的顯微結(jié)構(gòu)證實(shí)，該化合物已按預(yù)定設(shè)想存在于材料中（圖8）。

2.3 為保證流動(dòng)性的成分設(shè)計(jì)

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

另外，流動(dòng)性對(duì)于制造薄壁活塞也是必需的。流動(dòng)性與硅含量和金屬的顯微結(jié)構(gòu)相關(guān)，它可以通過生成過共晶的顯微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

2.4 高溫疲勞特性

從活塞頂部切取若干試樣，研究新開發(fā)材料的高溫疲勞強(qiáng)度。250℃時(shí)的疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，新開發(fā)材料疲勞強(qiáng)度的增加超過了原定目標(biāo)（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(huì)對(duì)均質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，又能在批量生產(chǎn)條件下實(shí)現(xiàn)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(zhì)顯微結(jié)構(gòu)和非均質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)的示例。

3 確保批量生產(chǎn)時(shí)材料強(qiáng)度的穩(wěn)定性

化學(xué)成分和鑄造缺陷是影響疲勞強(qiáng)度的2個(gè)可能因素?；瘜W(xué)成分在某一規(guī)定范圍內(nèi)會(huì)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(qiáng)度的穩(wěn)定性，對(duì)這兩個(gè)因素產(chǎn)生的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

3.1 化學(xué)成分變化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

圖12為顯微結(jié)構(gòu)相同但化學(xué)成分有所變化的若干活塞試驗(yàn)鑄件在不同溫度下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果?；瘜W(xué)成分變化導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度降低?；瘜W(xué)成分處于下限值時(shí)的疲勞強(qiáng)度比常規(guī)成分的參比材料約低8%。考慮到這些結(jié)果，在材料設(shè)計(jì)中確定了1個(gè)安全系數(shù)。

3.2 鑄造缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

利用試驗(yàn)鑄件和從活塞上切取的試樣，研究了鑄造缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。當(dāng)鑄造缺陷超過一定尺寸時(shí)，疲勞強(qiáng)度就會(huì)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(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降的缺陷尺度以下。

4 活塞疲勞試驗(yàn)結(jié)果

用新開發(fā)的材料制造若干活塞樣品，并進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，新材料的疲勞強(qiáng)度比傳統(tǒng)材料的提高了14%（圖14）。因此，采用新開發(fā)材料制造活塞能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，并減輕活塞質(zhì)量。

5 結(jié)語

（1）通過形成均質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)，并促使高溫穩(wěn)定性好的化合物在材料中擴(kuò)散，開發(fā)了一種優(yōu)良的新材料。

（2）為了提高材料強(qiáng)度的穩(wěn)定性，對(duì)影響高溫強(qiáng)度的2個(gè)因素（即化學(xué)成分變化和鑄造缺陷）進(jìn)行了研究，確定了這兩個(gè)因素所產(chǎn)生的影響。

（3）用新開發(fā)材料制造的活塞在試驗(yàn)臺(tái)疲勞試驗(yàn)中的結(jié)果顯示，其應(yīng)力耐久性比傳統(tǒng)材料的產(chǎn)品提高了14%。