高強度鋁合金活塞時效性能與工作溫度關系的研究

陳 慧

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208)

活塞是發(fā)動機的關鍵部件，在氣缸內(nèi)承受高溫、高壓爆炸氣體的沖擊并作往復運動，從而帶動曲軸旋轉(zhuǎn)?；钊诠ぷ鲿r，承受高溫高壓交變沖擊的同時，還要承受一定的機械負荷及熱負荷，因此對活塞材料具有特殊的要求：熱膨脹系數(shù)小、密度小、熱傳導性好，并具有足夠的高溫強度、耐蝕性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等[1- 2]。在用于制造發(fā)動機活塞的各類材料中，鑄造鋁合金的高溫力學性能良好，質(zhì)量小，且便于回收利用，因而成為目前大多數(shù)汽油機活塞材料的主要選擇。通常情況下，活塞主要有鋁- 銅- 鎳- 鎂系合金、鋁- 硅- 銅系合金、鋁- 硅- 鎳- 鎂系合金、過共晶鋁- 硅系合金等，目前，使用最多的活塞材料是鋁硅系合金[3]。

發(fā)動機運行過程中，除了活塞的正常磨損，由活塞異常高溫、材質(zhì)的高溫性能等因素造成的發(fā)動機失效是目前汽車廠商迫切需要解決的問題。此外，由于對活塞實際工作溫度的測量方法也不完善[4]，整裝發(fā)動機氣缸的工作環(huán)境也不能被植入溫度檢測裝置，因此，目前僅局限于模擬推算，對活塞在實際工作中的異常過熱等現(xiàn)象均難以定性。基于此，本文結(jié)合活塞的實際工況，研究了活塞在不同工作溫度下的時效性能，以期為活塞零件的選材及熱處理工藝的制定提供借鑒。

1 試驗材料與方法

氣缸燃燒室中燃氣溫度最高可達2 200 ℃左右，活塞作為發(fā)動機熱負荷較大的組件之一，在工作過程中活塞頂部溫度理論最高達到400 ℃左右[5- 6]。為模擬活塞受熱負荷后其實際性能與功能所受到的影響，研究其在不同溫度工作后的性能演變機制，將活塞分別在250、300、350、400 ℃保溫24及48 h。這一將活塞進行高溫加熱并保溫一定時間使合金性能發(fā)生變化的處理過程，也稱為鋁合金的人工時效。通過研究該高強度鋁合金活塞在不同溫度時效24及48 h后的硬度和顯微組織變化，得到該鋁合金活測時效性能與溫度之間的關系，進而推測該材質(zhì)活塞在使用過程中性能的變化。

試驗用活塞材料為鋁- 硅- 銅系高強度鑄造鋁合金，對活塞進行本體取樣，采用SPECT- ROMAXx直讀光譜儀進行化學成分分析，其結(jié)果滿足技術(shù)要求，見表1?；钊庑稳鐖D1所示。

表1 活塞的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of the piston(mass fraction) %

將常溫及在250、300、350、400 ℃分別保溫24和48 h的活塞試樣沿截面剖開(如圖2所示)，采用BRIN200BE布氏硬度計對圖2中1～9處的硬度進行測量。

對在不同溫度時效的活塞試樣的截面進行金相分析，試樣經(jīng)0.5%HF(體積分數(shù))溶液侵蝕后，利用EPIPHOT 300金相顯微鏡進行觀察。

圖1 活塞外觀Fig.1 Appearance of the piston

圖2 硬度測量部位示意圖Fig.2 Schematic of positions for hardness measurement

2 試驗結(jié)果

2.1 硬度

活塞試樣在250、300、350、400 ℃時效24和48 h后，其不同部位的硬度分別如表2和表3所示。

2.2 金相分析

活塞試樣的室溫及在250、300、350、400 ℃時效24和48 h后的顯微組織如圖3～圖7所示。

表2 活塞在不同溫度時效24 h后的硬度Table 2 Hardness of the piston aged at different temperatures for 24 h HBW 5/250

表3 活塞在不同溫度時效48 h后的硬度Table 3 Hardness of the piston aged at different temperatures for 48 h HBW 5/250

圖3 活塞的室溫組織Fig.3 Microstructures of the piston at room temperatures

圖4 活塞在250 ℃時效不同時間后的組織Fig.4 Microstructures of the piston aged at 250 ℃ for different times

3 分析與討論

從表2和表3中可見，在相同溫度人工時效后活塞不同部位的硬度差異不大，對活塞不同部位的硬度求平均值可得硬度隨時效溫度的變化規(guī)律，如圖8所示。由圖8可見，在250、300 ℃時效的活塞與室溫時效的相比，其硬度急劇下降，在300 ℃時最低；在350、400 ℃時效的活塞，其硬度又呈回升趨勢，且在400 ℃時效的硬度與250 ℃時效的相當。此外，在300及350 ℃時效的活塞的硬度隨時效時間的變化甚微，但在250和400 ℃時效的活塞的硬度隨時效時間的延長而明顯降低。

圖5 活塞在300 ℃時效不同時間后的組織Fig.5 Microstructures of the piston aged at 300 ℃ for different times

圖6 活塞在350 ℃時效不同時間后的組織Fig.6 Microstructures of the piston aged at 350 ℃ for different times

在不同溫度時效的活塞的組織基本相似，均為α(Al)相+初生Si相+共晶Si相+CuFeAl7相+Al2Cu相+AlCuNi相+少量Mg2Si相[7]等。進一步觀察可發(fā)現(xiàn)，350和400 ℃時效的活塞試樣組織中，CuFeAl7相、Al2Cu相以及AlCuNi相的相界更圓滑。

綜合硬度及金相分析，可知影響活塞在不同溫度時效性能的因素主要有：

(1)時效時間。時效溫度相同，保溫時間越長，硬度越低，在250和400 ℃時效處理后硬度隨時間延長而降低更為明顯；時效溫度為350 ℃時，隨著保溫時間的延長，組織中的合金相界面變得更加圓潤、光滑。

圖7 活塞在400 ℃時效不同時間后的組織Fig.7 Microstructures of the piston aged at 400 ℃ for different times

圖8 活塞硬度均值隨時效溫度和時間的變化Fig.8 Variation of average hardness of the piston with aging temperature and time at temperature

(2)合金元素[8]。Si、Mn在Al中固溶度較小且隨溫度變化不大；Mg在Al中固溶度較大，但由金相照片可知Mg與Al形成化合物后隨溫度變化不大；Cu的化合物在一定溫度時效后有較明顯變化。

(3)時效溫度[9]。不同溫度時效，析出相的臨界晶核大小、數(shù)量、成分以及聚集長大的速率均不同。溫度合適的情況下，具備一定速度的擴散條件，形成合理的原子偏聚區(qū)，亦稱G.P.區(qū)，時效會達到一定的強度和硬度；時效溫度過高，擴散較快，過飽和固溶體中析出相的臨界晶核尺寸較大，時效后強度和硬度會偏低，成為過時效。但是如果時效溫度偏低，擴散速度不足會造成G.P.區(qū)不易形成，時效后強度和硬度也會偏低。

(4)鋁合金的回歸現(xiàn)象。鋁合金經(jīng)淬火、自然時效后，重新加熱到一定溫度，然后快冷至室溫，合金會變軟，再在室溫下仍會自然時效。合金在自然時效時形成的G.P.區(qū)較小，加熱到一定溫度后，這些小尺寸的G.P.區(qū)重新溶入基體，快冷至室溫，合金恢復到近似淬火狀態(tài)，仍可進行自然時效[10- 12]。如本試驗中將Al- Si- Cu合金加熱到200～300 ℃時會出現(xiàn)強度及硬度降低的現(xiàn)象。300 ℃時效的活塞試樣的硬度最低，將活塞放在自然環(huán)境中自然時效2個月，再進行布氏硬度測量，測得300 ℃/24 h時效的活塞試樣的HBW值為：77.5，77.6，77.9；300 ℃/48 h時效的活塞試樣的HBW值為：75.4，75.7，75.8，與之前人工時效的活塞試樣硬度差異不大，可見試樣未出現(xiàn)回歸現(xiàn)象。

4 高溫下溶質(zhì)原子擴散機制推測

目前普遍認為，鋁合金時效硬化是溶質(zhì)原子偏聚形成硬化區(qū)的結(jié)果[12- 13]。鋁合金經(jīng)固溶淬火后形成過飽和固溶體，過飽和固溶體為一種不穩(wěn)定狀態(tài)，要向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變。由于合金基體中空位的存在，加速了溶質(zhì)原子的擴散速率，從而形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)。溶質(zhì)原子偏聚區(qū)又稱為G.P.區(qū)，試樣人工時效過程中，溶質(zhì)原子的擴散過程可以概括為兩種：

(1)溶質(zhì)原子由G.P.區(qū)向固溶相中擴散，隨著時效溫度的升高，組織向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變的速率提升。

(2)由于G.P.區(qū)的形成，遠離G.P.區(qū)的區(qū)域形成了溶質(zhì)原子的貧乏區(qū)，同時溫度升高，溶質(zhì)溶解度增大，溶質(zhì)原子由共晶相向固溶相中擴散。

在250～300 ℃，過程(1)的速率遠遠高于過程(2)，溫度相對偏低，溶質(zhì)溶解度變化未達到或者與過飽和固溶體中溶解度相當，過程(2)幾乎不發(fā)生，即G.P.硬化區(qū)的溶質(zhì)擴散起主要作用，硬度明顯降低，在300 ℃左右時出現(xiàn)最低值；在300～400 ℃，過程(1)的速率加快，但溶質(zhì)溶解度也迅速增大，即G.P.區(qū)迅速減少的同時，由共晶相向固溶體中的溶質(zhì)擴散也加快，固溶強化作用增強，因而硬度提高。

5 結(jié)論

(1)活塞在低于400 ℃時效時的顯微組織基本一致，均為α(Al)相+初生Si相+共晶Si相+CuFeAl7相+Al2Cu相+AlCuNi相+少量Mg2Si相等；高于350 ℃時效時，隨著時效時間的延長，合金相界趨于圓潤。

(2)隨著時效時間的延長，活塞的硬度顯著降低；隨著時效溫度的升高，硬度先降低后升高，在300 ℃左右最低。

(3)試驗活塞未出現(xiàn)鋁合金的回歸現(xiàn)象，建議參考活塞的實際工作溫度重新選定其時效溫度及時間。