提高铸造活塞裙强度的方法

王 斌 郑卫刚

(1.武汉理工大学能动学院，湖北430063；2.武汉理工大学工程训练中心，湖北 430063)

实现活塞裙高强度的手段有很多，文章从铸造技术、热处理工艺及铸造材料等方面入手，对提高铸造活塞裙强度的合适途径进行探讨。

1 提高活塞裙强度的方法

1.1 采用新型铸造技术

活塞的铸造方法有:熔模铸造、重力金属型铸造、低压铸造、差压(反压)铸造、挤压铸造、离心铸造、半固态成形和磁流铸造等。目前Al-Si活塞产品多采用重力金属型铸造(中国)、低压铸造(中国的保温冒口低压铸造铝活塞)、挤压铸造(日本)和半固态成形技术(美国、欧洲和日本等发达国家)。

熔模铸造是一种先进的铸造工艺方法，是少切削无切削加工工艺的重要组成部分。无论是民用工业还是国防工业都广泛地应用熔模铸造方法来生产精密铸件，铸件的尺寸精度和表面光洁度都较高。应用这一方法可以铸造各种合金(特别是难于机加工的耐热合金)和形状复杂的铸件。

低压铸造凭借经济性好、生产率高、充型能力强和可控性高等很多优点而被广泛用于活塞铸造领域。挤压铸造是使液态或半固态金属在高压下充型和凝固的精确成形铸造技术，最近几年有较快的发展，产品品种不断地增多[1]。挤压铸造经时效处理能达到较高的力学性能，强度和刚度明显提高。表1为各类挤压铸造合金的典型力学性能比较。

表1 各类挤压铸造合金的典型力学性能比较Table 1 Comparison of the typical mechanical properties of various squeeze casting alloy

图1 固溶热处理温度对常温力学性能的影响Figure 1 The influence of solution heat treatment temperature on the mechanical properties at room temperature

1.2 热处理强化

现代活塞一般都为钢顶铝裙，就是为了减小往复惯性力，从而减少曲轴的负荷。而铝合金的强度和硬度较低，为了能起到合适的支撑和导向作用必须对铝合金实施热处理以达到薄臂强背的目的。热处理强化主要分为传统工艺和现代工艺，传统工艺主要是增加其对位错运动的抗力，强化机制主要有弥散强化、固溶强化、沉淀强化、细晶强化、形变强化等。常采用的手段为淬火、退火、固溶热处理等。下图为固溶热处理温度对常温力学性能的影响[2、3]。

现代工艺主要为微弧氧化技术，铝合金经表面微弧氧化热处理以后，硬度和强度明显增强，在合金体表面覆盖了抗蚀、耐磨的氧化物陶瓷薄膜，获得广泛应用[4]。微弧氧化又称微等离子体氧化，是通过电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。铝合金微弧氧化生成以Al2O3为主的陶瓷膜，且与基体紧密结合，故其硬度和耐磨性比基体合金显著提高[5]。由于微弧氧化膜具有比基体合金更高的硬度和弹性模量，且与基体冶金结合，对基体合金拉伸性能的影响较小。有研究发现，微弧氧化膜可以显著提高LY12铝合金的抗弯曲能力。

1.3 采用新的铸造材料

传统铝合金活塞已达到或接近使用极限，为此寻求新型材料成为解决现有技术不足的最佳途径。随着材料工业的不断发展，更多新型的材料应用到铸造活塞裙上，例如铝基复合材料、陶瓷材料、碳材料、耐热镁合金材料、镁基复合材料等。铝基复合材料凭借质量轻、密度小、可塑性好、比强度高比刚度高、耐高温、耐疲劳等优点广泛应用于铸造活塞裙领域[6]。大量研究表明，SiC增强相的铝基复合材料具有较高的强度，随着SiC体积分数的增加，强度和刚度增加，但塑性降低。其他增强相的加入使材料有其他的特殊性能，这样不同的金属基体以及增强相的组合使复合材料具有各种优异的性能。表2是不同的铝基复合材料的力学性能[7]。

颗粒增强铝基复合材料比较廉价，适合在工业上应用，是 21 世纪最有发展前途的先进材料之一。从理论上分析，颗粒越小，复合材料的弥散强化作用越好，复合材料的性能越佳。但是，如果粒径太小，将导致材料在制备时由于铝合金溶液的粘度大，使得颗粒在液态铝合金中不易分散开来，造成复合材料整体不均匀，而且界面反应也不易控制。颗粒太大，将会由于颗粒自重产生沉降或上浮，造成严重的铸造偏析，影响铝基复合材料的力学性能。所以，应选择大小合适、密度相当的颗粒，才能使其发挥良好的弥散增强效果，颗粒尺寸通常选取 5 μm～20 μm[8]。活塞裙常用铝基复合材料见表3。

2 活塞裙强度要求

活塞裙主要起导向作用，并承受一定侧压力，为减小磨损，裙与缸套间必须有良好润滑。当活塞上下运动方向发生改变时，侧压力方向也将随之改变，引起活塞左右晃动并敲击气缸壁，产生冲

表2 不同的铝基复合材料的力学性能Table 2 The mechanical properties of different aluminum matrix composites

表3 活塞裙常用铝基复合材料Table 3 The common aluminum matrix composites used for piston skirt

击振动和噪声。活塞与缸套的间隙越大，冲击振动越严重。

活塞裙必须具有足够长度以承受侧压，使裙部比压不致过大。比压计算公式：

式中PHmax——活塞对缸壁最大侧压力，单位为N；

D——气缸直径，单位为cm；

HZ——裙部长度，单位为cm。

其中，PHmax可由动力计算求得。在发动机初步设计时，亦可按以下经验公式作估算：

PHmax=2.7p1·FP·γ

式中 p1——平均有效压力，单位为N/cm2；

Fp——活塞面积，单位为cm2；

γ——R/L。

表4列出了各种材料活塞裙比压允许值。

表4 裙部比压许用值Table 4 Specific pressure allowable value for skirt

3 总结

高强度的活塞裙不仅可以有效的减小活塞的往复惯性力，而且可以有效的降低柴油机曲轴的机械负荷，减少柴油机的维护工作量。寻求合适的提高活塞裙强度的途径，可以降低活塞裙的制造难度以及制造成本。

[1] 齐丕骧，吴岳壹，齐霖.挤压铸造合金材料的研究进展[J].特种铸造及有色合金，2005,25(1)：28-30.

[2] 王蕾，吴光英.2024、7075铝合金热处理的工艺及设备[J].热处理技术与装备，2010,31(6):51-53.

[3] 于帆，刚建伟，张宏伟.7020铝合金热处理工艺研究[J].轻合金加工技术，2010,38(2):51-54.

[4] 段关文，高晓菊，满红.微弧氧化研究进展[J].兵器材料科学与工程，2010,33(5):102-103.

[5] 侯亚丽，刘忠德.微弧氧化技术的研究现状[J].电镀与装饰，2005,27(3):24-25.

[6] 侯丽丽，尹志新，樊新波.铝基复合材料的研究现状及发展[J]. 材料热处理技术，2008,37(10):84-85.

[7] 王宇鑫，张瑜,严鹏飞.铝基复合材料的研究[J].上海有色金属,2010,31(4):194-195.

[8] 赵龙志，杨敏.颗粒增强铝基复合材料的研究[J].热加工工艺,2011，40(20)：107-109.