江苏省盐城技师学院汽车工程学院
前言：汽车行业发展趋势，高强度铝合金复合材料的使用，一方面可减轻汽车的质量，另一方面可提高汽车部件强度及疲劳寿命，因而广泛应用于航空、航天、造船、汽车、机械设备、化工、建筑等行业中。复合材料由于其特殊结构，在加工过程中易产生撕裂、毛刺等不良加工缺陷，严重影响了复合材料的钻削精度，同时也制约了复合材料工件的加工质量及生产效率。铝合金由于其密度孝比强度高，优良的导电、导热、抗腐蚀性及机械加工性能广泛应用于各行各业中，尤其是轻量化产业如航空、航天、汽车等。
1.铝合金活塞材料的发展应用概况
世界上最早的汽车发动机活塞是铸铁的。1911年，铝合金材料以其质轻、良好热传导性以及较低的热膨胀系数等特点的得到人们的关注并开始用于制造活塞。1920年一种Al-Cu-Ni-Mg系合金正式成功地应用于汽车发动机活塞，从而证明了铸造铝合金作者简介：
1.1AI-Cu-Ni-Mg系合金
该系合金于1920年开始就在英国得到应用。其典型合金代号有LMl4(英)、SAE39(美)、AC5A(日)。该类合金的优点是良好的高温强度、导热性、延伸率及耐磨性；但因其线膨胀系数和密度较大，铸造性能差且含有较多贵重金属价格较贵而被淘汰。
1.2AI-Cu-Si系合金
这类合金的优点是：由于含有一定量的硅，铸造性能较好，切削加工性能也有所改善；在常温和高温下均有较好的机械、物理性能。在70年代之前，该类合金曾是前苏联等国应用最广泛的一种材料，我国的解放牌CAl0A、CAl0B、CAl0C型汽车活塞也采用此合金。其典型合金代号有SAE300(美)、A110B(俄)、AC2A(日)。该类合金的缺点是：线膨胀系数较大，因含有较多的Cu，所以体积稳定性不好，会产生永久性"长大"现象引起活塞"咬缸"，所以国内现已停止使用这类材料。
1.3AI-Si合金
由于Al-Si合金线胀系数孝比重小，耐磨性好，铸造性能好等一系列优点而成为应用于现代发动机活塞制造最广泛的材料。这类合金按含Si量的高低可分为共(亚)晶型和过共晶型两大类。
1.4共晶(亚共晶)型Al-Si合金
国内外轻、中型汽车汽、柴油发动机以及轿车发动机活塞大多采用了共晶(亚共晶)型Al-Si合金。具有代表性的共晶(亚共晶)型AI-Si合金活塞材料的牌号及化学成分见表1。该类合金含Si量一般在8．5％-13％，为了提高合金的室温及高温性能在其中加入了Cu、Mg、Mn、Ni等合金元素进行多元合金化。表2所列为共晶(亚共晶)型Al-Si合金活塞材料常温和高温性能。
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2.国内外汽车发动机活塞材料的发展及应用
2.1铝基复合材料的研究及应用
在满足内燃机轻量小型化、可靠性和耐久性的情况下，发动机向着高速、大功率、大压缩比的方向发展，其燃烧室内温度和压力变得更高，以往使用的铝合金已达到或接近使用极限。为此，铝基复合材料活塞的开发近年来受到了高度重视[4]。美、日及欧洲工业发达国家在这方面已取得了重要进展，并在车用柴油机上迅速得到了推广。
2.2碳化硅颗粒增强铸铝活塞
粒度为5μm-10μm，含量为5％-7％的SiC陶瓷颗粒，经过特殊处理后用流变铸造法加入到ZLl09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·℃1和18×10-6／℃。国内研制的碳化硅颗粒局部增强铝合金活塞经上海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，耐磨性比镶奥氏体铸铁圈的活塞要好，活塞质量也得到了加强。
2.3氧化铝、硅酸铝和硼酸铝短纤增强铝合金活塞(CFR)
该材料采用陶瓷纤维氧化铝或硅酸铝、硼酸铝短纤维增强基体材料(一般为共晶性或亚共晶性Al-Si合金)的活塞(CFR活塞)，与基体铝合金相比，在300℃时的抗拉强度极限提高20％以上，热膨胀系数降低15％，导热率降低25％，而密度基本不变，耐磨性能优异，热稳定性好、具有更好的高温综合性能[6]。采用挤压铸造工艺生产的局部增强复合材料活塞．界面结合牢固可靠，成品率高，工艺宽容好，特别适合于经增压、强化的工作条件苛刻的柴油发动机。
2.4国内外其它活塞材料的研究应用
随着大马力汽车发动机快速发展，尤其是重型柴油发动机涡轮增压、中冷技术的应用以及大缸径高压缩比、低排放要求的不断提高。传统铝合金活塞材料已无法满足其使用要求，因而国内外众多活塞材料研究机构和制造商推出了许多新型活塞材料。
结语：现代道路交通设施的完善以及物资流通速度的加快促使汽车工业制造出快速、高效的交通运输工具而对汽车发动机提出了更高的要求：提高发动机转速和功率-活塞工作速度达11m／s~16m／s，功率达到450马力或更高。随着汽车发动机向高速化、大功率方向的发展，活塞材料除对常温强度、硬度、延伸率、热膨胀系数等性能要求不断提高外，还对其高温性能(如高温拉伸强度、高温疲劳强度、导热率)及耐磨性能提出了更高的要求。因此合理选择活塞制造材料对于新型发动机的开发至关重要。
参考文献
[1]白亚平,刘萌萌,李建平,郭永春,杨忠,罗佳佳,成超.柴油发动机活塞用铝基材料研究进展及失效分析[J].表面技术,2018,47(06):161-168.
[2]莫岱宗,陈少英.时效强化处理汽车发动机铝合金部件及其摩擦磨损性能研究[J].公路与汽运,2018(02):8-10.
[3]马良花.基于DEFORM-3D的7055铝合金三维钻削有限元分析[J].兵器材料科学与工程,2017,40(05):46-50.
论文作者:曹新华
论文发表刊物:《科技尚品》2019年第3期
论文发表时间:2019/7/18
标签：活塞论文; 合金论文; 铝合金论文; 材料论文; 性能论文; 复合材料论文; 高温论文; 《科技尚品》2019年第3期论文;