内燃机活塞材料的研究进展
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内燃机活塞材料的研究进展／陈长江等?６３?
塞裙部可做得更短，实现紧凑的尺寸结构，同时还能降低噪音和油耗，是一种理想的卡车等大功率柴油发动机活塞材料。由于其优良的性能，北美市场的绝大部分商用车都使用此种铸钢活塞，在欧洲也获得了广泛的应用，现正进军亚洲市场‘９．１０］。
图１铸铁活塞（左）与铝合金活塞（右）
Ｆ嘻１Ｃａｓｔｉｒｏｎｐｉｓｔｏｎ（１ｅｆｔ）ａｎｄａｌｕｍｉｎｕｍ
ａｌｌｏｙｐｉｓｔｏｎ（ｒｉｇｈｔ）
图２高载荷商用车发动机的ＭＯＮＯＴＨＥＲＭ活塞Ｆｉｇ．２
ＭＯＮＯＴＨＥＲＭｐｉｓｔｏｎｏｆｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ
ｍｇｈ－ｌｏａｄｖｅｈｉｄｅｅｎｇｉｌｌｅ
１．３铝合金
铝合金作为活塞材料使用有Ａ１－Ｃｕ系和Ａ１一ｓｉ系合金，而研究和使用最多的是Ａｌ－Ｓｉ系多元合金。在成分选择上经历了由亚共晶、共晶、过共晶的发展过程，且目前Ａｌ—ｓｉ活塞产品多采用重力金属型铸造、低压铸造（中国）、挤压铸造（日本）和半固态成形技术（欧美等发达国家）［１¨。其它新型铝合金活塞的成形技术也有所发展，如韩国的Ｊｏｎｇ－ＯｋＰａｒｋ等利用粉末锻压成形的方法制造活塞，通过优化成形参数使其烧结成的活塞比同种材料其它方法成形的活塞性能更优越Ｌｌ引，其性能参数比较见表１。对于铝硅合金，为了提高其力学性能，通常还可以加入Ｔｉ、ｚｒ、Ｂ等元素细化晶粒，同时加入Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ等强化元素组成多元合金活塞材料，在合金中形成高温强化相，提高合金的高温强度。当Ｓｉ含量较高时需对铝硅合金材料进行变质处理以改善共晶体（ａ＋Ｓｉ）的形状和粒度。同时相同尺寸的活塞，过共晶铝硅合金活塞更轻，但是过共晶铝硅合金活塞难以切削加工，必须对合金进行后续工艺处理以改善切削性能［１３｜。目前，铝硅多元合金活塞广泛用于汽车、摩托车等中小缸径的中、高速内燃机活塞上。
表１３种不同成形铝活塞的机械性能对比
Ｔａｂｌｅ１Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｒｅｅｐｉｓｔｏｎｓｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｅｓ
１．４铝基复合材料
传统铝合金活塞已达到或接近使用极限。为此，铝基复合材料的开发受到高度重视。主要是以纤维和颗粒增强的形式制成铝合金基复合材料，用于活塞的局部或整体增强ｕ“。利用复合材料对铝活塞进行局部增强，根据发动机的具体情况，有以下几种增强方式：增强第一道环槽区域，提高活塞环槽耐磨性，见图３（ａ）；增强第一道环槽及顶部凹形燃烧室口，除了提高活塞环槽的耐磨性外，还可解决因热强度不足而造成燃烧室口的裂纹，见图３（ｂ）；对第一道环槽区域及整个顶平面（包括燃烧室口）的增强，除提高活塞环槽的耐磨性外，还提高了整个活塞顶部承受热负荷的能力，见图３（ｃ）［１引。囱囱囱图３复合材料活塞的３种强化方式
Ｆｉｇ．３Ｔｈｒｅｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｐｉｓｔｏｎｓ
对于颗粒增强铝基复合材料，通常使用的陶瓷可以为Ａｌ。０３、ＳｉＣ、Ａｌ。０３＋ＳｉＣ、Ｃ颗粒和Ｔｉ：Ｂ等颗粒，其复合工艺是把陶瓷材料经过特殊处理后用特种方法加入到铝液中，并使其弥散分布，可以用于活塞的整体和局部增强ｕ４＿１６］。铝基复合材料也可以使用纤维增强，硼酸铝纤维通过与铝合金基体的界面相互反应连接起来，具有非常优异的复合材料性能［１川。另一种纤维增强材料为氧化铝纤维增强复合材料，将Ａ１：０３短纤维预制，用加压浸渗方法使Ａ１：０３短纤维与铝合金基体复合［１８１。美国的Ｄｕｒａｌｅａｎ公司亦用ＳｉＣｐ／Ａ１复合材料制造了汽车活塞和齿轮箱等。美国的ＤＷＡ公司则采用ＳｉＣｐ／ＡＩ基复合材料制造了摩托车活塞，解决了该活塞的耐磨性问题，装有该活塞的摩托车在１年内参加了１００次越野赛后，仍无明显磨损。采用硅酸铝纤维增强铝硅合金（（５５％Ａｌ。０３＋４５％Ｓｉ０２）／（Ａｌ—Ｓｉ））制造引擎活塞在欧洲亦已获得应用，ＳｉＣ晶须增强铝硅合金复合材料活塞也在试用中。１．５陶瓷材料
高性能结构陶瓷具有高强、高韧、低密度、高硬度和耐高温抗蠕变、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好等特点，已逐步成为高端技术不可缺少的材料。利用陶瓷材料强化活塞的方法主要有２种。一种是利用陶瓷活塞顶与活塞基体组成复合活塞，常用氮化硅基复相陶瓷及碳化硅表面梯度复相陶瓷
与铝合金基体组合成复合活塞。邬凤英等研究了气压烧结 万方数据
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内燃机活塞材料的研究进展
作者：陈长江， 王渠东， 尹冬弟， 丁文江， CHEN Changjiang， WANG Qudong， YIN Dongdi ， DING Wenjiang
作者单位：陈长江,尹冬弟,CHEN Changjiang,YIN Dongdi(上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心,上海,200240)， 王渠东,丁文江,WANG Qudong,DING Wenjiang(上海交通大学轻合金精
密成型国家工程研究中心,上海,200240;上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海
,200240)
刊名：
材料导报
英文刊名：MATERIALS REVIEW
年，卷(期)：2009,23(15)
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