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1、汽车活塞复合材料选择与加工（单位 湖北汽车工业学院机械工程学院）摘要：活塞有着汽车发动机“心脏”之称，由此可见其对发动机以及整车的重要性，作为发动机上的极重要的一个零件工作环境却是十分恶劣，承受着高温高压的热负荷和机械负荷。其材料有着很高的要求：密度小、质量轻、热传导性好、热膨胀系数小；并具有足够的高温强度、耐磨和耐蚀性能、尺寸稳定性好。另外还应具有容易制造、成本低廉的特点。本论文通过分析零件的工作环境及失效原因了解其性能要求以选出最适合材料，即用新型铝基复合材料代替传统材料作为发动机活塞材料，该材料具有较高的耐磨性、高温强度、疲劳强度和抗咬合性能，同时具有热膨胀系数更小，导热性更好等特点，故
2、在汽车引擎的应用渐增。颗粒增强铝基复合材料作为先进的材料，具有优异的性能，同时原材料资源丰富，相对成本较低，故虽仍存在部分技术问题，但仍在各专业领域有着广泛的应用。关键词：发动机活塞；铝基；复合材料；SiCp/Al；碳纳米管。Abstract Automotive engine piston with heart, ,we can see it and the importance of the engine of the vehicle, as a very important part of the engine on the working environment is very bad
3、, suffer thermal and mechanical loads high temperature and pressure. Its materials with high demands: density, light weight, good thermal conductivity, thermal expansion coefficient; and has sufficient high temperature strength, wear and corrosion resistance, good dimensional stability. It should al
4、so be easily manufactured with low cost. In this paper, by analyzing the components of the work environment and failure to understand the reasons of their performance in order to select the most suitable material, which uses novel aluminum matrix composite materials instead of traditional materials
5、as an engine piston material which has a high abrasion resistance, high temperature strength, fatigue and anti-seizure properties, also has a smaller thermal expansion coefficient, thermal conductivity, better features, so increasing application in automobile engines. Particle reinforced aluminum ma
6、trix composites as advanced materials, with excellent performance, while abundant raw material resources, relatively low cost, it is part of the technical problem, though still present, but any one of the various professional fields have a wide range of applications.前言：汽车的心脏是发动机，而发动机的心脏是活塞，相对汽车而言，小小
7、活塞虽小，却是汽车上最重要零件。活塞在发动机内承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一，所以对于处于十分恶劣的工作环境的活塞选材实及其关键重要的第一步。下面让我来详细论述其选材与加工。1.汽车活塞复合材料选择与加工1.1 汽车活塞的工作条件、失效方式及性能要求1.1.1 汽车活塞的工作条件活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达 2500K 以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达 600700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达 35MPa，柴
8、油机高达 69MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度（812m/s）往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。1.1.2 汽车活塞的失效方式汽车活塞的失效方式主要有以下四点：1、活塞的磨损量超过允许值，会使功率、速度降低，油耗增加以致敲缸。2、销孔中心与裙部椭圆中心的垂直度超差，使用中产生扭力矩使活塞变形，产生拉缸。3、热稳定性差，由于长期在高温下工作，等于在继续时效和稳定化处理，活塞膨胀，原有 0.05mm 的配缸间
9、隙消失，导致咬缸。4、头道环槽磨损，使活塞环失去弹性，无封闭作用。总结以上所说，在活塞的设计方面，活塞型面和活塞销座的改变、活塞顶部的增厚、活塞高度的缩短等，正逐渐向“矮胖”方向发展为了提高刚性，发动机的整个高度在缩短变“矮”主要措施是缩短活塞裙部和减少环槽数，后者可使压缩高度减小发动机本身在不断强化，所以活塞的性能必须相应增强变“胖” 主要是指各部分的壁厚都在不断增加，过渡圆角处的 R 也在增大由于发动机的高转速化，活塞必须减轻重量，以减小惯性力尽管壁厚在增大，活塞的整个重量却在不断减轻，这是由于整个活塞高度缩短所引起的重量降大于因壁厚增加引起的增重之故。由于活塞结构变“矮胖”，使活塞的表面
10、积对于整个体积来说比例缩小了，所以不利于活塞的散热。为保证活塞不被烧熔和正常润滑，除了在设计方面必须采取一些措施外，以减轻其热负荷；活塞在制造方面也必须有所改变和提高，如活塞的材料、铸造和机加工，以满足其对热负荷的要求。另外，还通过对活塞进行一些表面处理来提高储油性，改善润滑条件。1.1.3 汽车活塞的性能要求发动机工作时，由于活塞顶部直接与高温燃气接触，燃气的最高温度可达2500K 以上。因此活塞的温度也很高，因高温时材料的力学性能降低，甚至发生高温蠕变。当顶部温度超过 640K700K 时还会产生热裂现象。第一环槽超过80K500K 时 就会造成活塞环粘结。活塞温度高且往复变速运动，润滑困
11、难，所以极易磨损。在进气时活塞又接触到冷的可燃气体，造成温度不均匀，产生的热应力容易使活塞变形和活塞顶表面开裂。因此要求活塞具有如下几点要求：1、要有足够的强度、刚度、质量小、重量轻，以保证最小惯性力。2、导热性好、耐高温、高压、腐蚀，有充分 的散热能力,受热面积小。3、活塞与活塞壁间应有较小的摩擦系数。4、温度变化时，尺寸、形状变化要小，和汽缸壁间要保持最小的间隙。5、热膨胀系数小，比重小，具有较好的减磨性和热强度。6、工艺性好，价格低廉，易于加工，适合大批量生产。1.2 汽车活塞材的初步选择根据其运行环境及需要满足的性能要求，可把用于活塞的复合材料锁定在金属基复合材料上。众多基体中，目前以
12、铝、镁、钛基发展较为成熟，而钛太贵重，初步选择镁基复合材料（TiCp/AZ91）和铝基复合材料（SiCp/Al）。1.2.1 候选材料的具体分析1.镁基（TiCp/AZ91）复合材料类型为热固性材料，增强相是颗粒 TiCp，增强机制为颗粒增强机制。是添加高强高硬的陶瓷颗粒,利用 FSP（搅拌摩擦加工）过程中搅拌区内产生强烈的塑性变形和塑性金属流动,使添加颗粒在基体材料中获得分散,制备出超细或纳米晶金属基复合层,形成第二相粒子强化,从而获得高硬度、耐磨损的表面复合层。近年来国内外研究者采用 FSP 在不同基体上添加不同颗粒制备出颗粒增强的表面强化复合层。制备的复合材料表面制备的复合层硬度为集体材
13、料的 2 倍，1 倍，1.6 倍。基体相石镁合金包括镁铝锌合金、镁锌系合金、镁稀土系合金。颗粒增强镁基复合材料制备工艺简单、成本低廉以及各向同性的性能，成为研究最热点，从而备受关注。然而，镁合金较低的强度和耐磨性限制了其在工程上的应用。2.铝基（SiCp/Al）复合材料铝碳化硅是一种颗粒增强金属基复合材料，采用 Al 合金作基体，按设计要求，以一定形式、比例和分布状态，用 SiC 颗粒作增强体，构成有明显界面的多组相复合材料，兼具单一金属不具备的综合优越性能。AlSiC 研发较早，理论描述较为完善，有品种率先实现电子封装材料的规模产业化，满足半导体芯片集成度沿摩尔定律提高导致芯片发热量急剧升高
14、、使用寿命下降以及电子封装的轻薄微小 的发展需求。尤其在航空航天、微波集成电路、功率模块、军用射频系统芯片等封装分析作用极为凸现，成为封装材料应用开发的重要趋势。封装金属基复合材料的增强体有数种，SiC 是其中应用最为广泛的一种，这是因为它具有优良的热性能，用作颗粒磨料技术成熟，价格相对较低；另一方面，颗粒增强体材料具有各向同性，最有利于实现净成形 2。AlSiC 特性主要取决于 SiC 的体积分数（含量）及分布和粒度大小，以及Al 合金成份。依据两相比例或复合材料的热处理状态，可对材料热物理与力学性能进行设计，从而满足芯片封装多方面的性能要求。碳化硅颗粒增强铸铝活塞，含量为 5%-7%的 S
15、iC 陶瓷颗粒，经特殊处理后用流变铸造法加入到 ZL109中然后挤压铸造成型，可用于活塞的整体或局部增强。该材料的热导率及热膨胀系数各为 0.32w/（m）和 1810-6/。国内研制的碳化硅颗粒局部增强铝合金活塞经过上海 50 型拖拉机田间试验证明，第一道环槽导热得到了较大改善，燃烧喉口得到加强，耐磨性和活塞质量得到提高 1。1.2.2 候选材料的成型或加工方法目前纤维增强铝基复合材料的制备方法主要有扩散连接法、粉末冶金法、融熔侵润法、和气体铸造法等。制备过程要保证纤维的分布均匀、无损伤、与基体结合牢固而无空隙，也要考虑到材料使用时残余应力和热疲劳对材料寿命影响，一般需要对涂层处理以及制成预
16、制件而后压制或浸渗。颗粒增强铝基复合材料的制备相对简单些，可以采用常规冶金方法制备。方法主要有搅拌铸造、粉末冶金、无压浸渗和喷射共沉积等 6。(1)粉末冶金法粉末冶金法又称固态金属扩散法，该方法由于克服了碳化硅颗粒与铝合金熔液润湿困难的缺点，因而 是最先得到发展并用于 SiCp/Al 的制备方法之一。目前最 为流行和典型的工艺流程为:碳化硅粉末与铝合金粉 末混合一冷模压(或冷等静压)一真空除气一热压烧 结(或热等静压)一热机械加工(热挤、轧、锻)。 粉末冶金法的优点在于碳化硅粉末和铝合金粉 末可以按任何比例混合，而且配比控制准确、方便。 粉末冶金法工艺成熟，成型温度较低，基本上不存在 界面反应、质量稳定，增强体体积分数可较高，可选 用细小增强体颗粒。缺点是设备成本高，颗粒不容易均匀混合，容易出现较多孔隙，要进行二次加工，以 提高机械性能，但往往在后续处理过程中不易消除; 所制零件的结构、形状和尺寸都受到一定的限制，粉末冶金技术工艺程序复杂，烧结须在在密封、真空或 保护气氛下进行，制备周期
