高负荷柴油发动机铝合金活塞局部强化

2013-08-28东风商用车技术中心工艺研究所湖北十堰442001樊晓光赵俊平吴永强鲁福来

金属加工(热加工) 2013年5期

东风商用车技术中心工艺研究所（湖北十堰 442001）樊晓光赵俊平吴永强鲁福来

随着柴油发动机轻量化、高功率、高爆压化的发展，发动机各关键零部件承受越来越苛刻的机械、热负荷，这对发动机关键零部件的性能提出了更高的要求。在较高的机械、热负荷下，传统的铸造铝合金活塞出现了多种形式的失效。针对这些失效形式，国外多家活塞制造商提出对活塞热负荷、机械负荷最严重的部位进行重熔强化处理，可以提高活塞使用寿命8倍以上。通过自主开发，我们完成了对某发动机铸造铝合金活塞的局部强化处理工艺，并采用自主设计的活塞单品试验系统，对比研究了局部强化对活塞热疲劳寿命的影响。

1.试验

（1）铝合金活塞喉口重熔处理活塞采用自主开发的铝硅合金材料，企业内部牌号S04，主要化学成分如表1所示。采用重力铸造方式生产，加工为重熔强化处理留出一定余量。

表1 S04铝合金材料化学成分（质量分数）（%）

采用钨极氩弧加热方式进行重熔强化处理，重熔参数：交流，脉冲5Hz，电流120～200A，氩气流量6～8L/min，重熔速度90mm/min，重熔过程中控制活塞温度不超过200℃。

金相及相关检验在东风商用车技术中心工艺研究所检测中心进行。重熔后精加工至成品活塞。

（2）活塞热疲劳试验根据活塞实际工作环境，我们确定了活塞热疲劳试验方案，并开发了热疲劳试验台架。在活塞喉口部位安装热电偶，控制试验过程中活塞的温度。试验台架有两个工位：一个为加热工位，另一个为冷却工位。将活塞固定，采用火焰加热方式对活塞顶面及喉口加热，当温度达到设定温度后，活塞自动移动到冷却工位，对活塞顶面及喉口进行喷水快冷，冷却到设定温度后，活塞自动移动至加热工位再进行加热，反复循环进行活塞单体热疲劳试验。

热疲劳试验采用自主开发的活塞单品热疲劳试验台架进行，控制活塞喉口关键部位温度在120～390℃之间循环。定期检查裂纹长度，确定裂纹长度，测试活塞疲劳次数。

2.试验结果

（1）重熔层参数图1是铝合金活塞喉口重熔宏观照片，可以看出重熔部位A位于喉口，颜色较基体B略浅。从金相检测可以看出初晶硅尺寸有较大程度的细化。选择同一视场内20个最大的初晶硅，测量其最大长度，并取平均值作为初晶硅平均尺寸。未经重熔强化的部位初晶硅尺寸明显比重熔区域大。图2总结了重熔区和非重熔区初晶硅颗粒尺寸测试结果。测试20点平均结果表明，普通铸造活塞初晶硅尺寸约38.08μm，重熔区初晶硅平均尺寸约5.35μm，细化为非重熔区的14%。据相关文献介绍，铝合金活塞产生热疲劳裂纹的根源就是初晶硅与α-Al基体之间的热膨胀系数差。细化初晶硅尺寸，可以通过减小初晶硅与α-Al基体之间的作用力，降低铝合金活塞热疲劳开裂的趋势。

图1 重熔区和非重熔区

图2 重熔区与非重熔区初晶硅尺寸对比

（2）活塞热疲劳试验结果准备未重熔活塞以及局部重熔强化的铝合金活塞，采用上述的热疲劳试验方法进行热疲劳试验。如图3所示，铝活塞经过热疲劳试验产生自燃烧室穿过喉口延伸至上顶面的裂纹时认为活塞热疲劳失效，此时活塞所经过的热疲劳次数作为该活塞的热疲劳寿命。图4总结了未重熔强化铝合金活塞以及重熔强化活塞的热疲劳试验结果，可以看出重熔强化使得铝合金活塞的热疲劳寿命明显提高。

图3 热疲劳裂纹照片

图4 热疲劳试验结果

第一组为未重熔活塞，同样的试验参数下重复3只，产生前述长度的裂纹时对应的热疲劳次数分别为200、255、162次，平均热疲劳寿命为206次。第二组为重熔强化活塞，同样试验条件下重复进行5只次试验，相同裂纹长度对应热疲劳寿命分别为972、688、806、972、2039次，平均热疲劳寿命为1096次，比没有重熔强化的活塞提高4倍。

图5是没有重熔处理的铝合金活塞经过前述热疲劳试验循环200次后的裂纹状况，可以看出经过冷热冲击以及较大温度梯度之后，活塞顶部出现了三条长度相当的裂纹。