活塞用铝硅合金的优化方法及发展趋势研究

赵明欣

（内蒙古交通职业技术学院汽车工程系，内蒙古 赤峰 024005）

活塞用铝硅合金的优化方法及发展趋势研究

赵明欣

（内蒙古交通职业技术学院汽车工程系，内蒙古 赤峰 024005）

综述了活塞用铝硅合金的应用现状，对每类合金的优缺点进行了简要分析；详细介绍了强化活塞用铝硅合金综合性能的几种常用方法，并分析了每种优化方法的利与弊以及在实际生产中的应用情况；指出了存在的问题及今后的发展方向。

铝硅合金；活塞；变质细化；热处理

CLC NO.:U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-76-04

引言

活塞是内燃机的“心脏”，其质量优劣必将直接影响到内燃机的可靠性、经济性及寿命，而材料是决定活塞性能的关键因素，为了提高我国内燃机的技术水平，使内燃机向高强度化方向发展，就要不断提高活塞材料性能水平。由于活塞是在高温高压的环境下承受着反复交变载荷，其工作条件最为严酷。所以要求活塞材料具有良好的耐磨性，疲劳性能好以及使用寿命长且密度较小等特点。因而高性能活塞材料及其工艺性能的研究开发与应用就变得十分重要而紧迫。

1、铝硅合金的概况

铝合金活塞的突出优点是比重小，可大大减少活塞的质量及往复运动的惯性力。在同样强度的情况下，它比钢铁材料轻很多。铝合金活塞的另外一个优点是导热系数大， 从而可促使冷却过程有效进行，工作时，活塞表面的温度比铸铁的低，而且活塞顶部的积碳也较少。现在，世界上广泛采用铝硅系合金作为活塞材料，硅具有高耐磨的硬质点，通过适当的工艺，使硬质点细小，均匀地分布在铝的基体上，可以明显提高铝合金的强度和耐磨性。铝硅活塞合金根据其中Si含量的不同可分为三类：亚共晶、共晶和过共晶铝硅合金。

1.1 亚共晶型铝硅合金

Si含量质量分数小于11.0%的亚共晶铝硅合金，铸造性能好，适应生产工艺的要求。国外对中、小型轿车发动机活塞，过去一般采用亚共晶铝硅合金，如美国的SAE332，日本的AC8B、AC8C，英国的LM26等。还有相当一部分在轻型车及摩托车上采用这种合金，如日本丰田TR22、491Q及X125、HG244等[1]。但是亚共晶铝硅合金热膨胀系数稍大，耐磨性也相对较差，随着对活塞性能要求的不断提高，亚共晶型铝硅合金越来越不能满足发动机的发展要求，应用受到了一定的限制。

1.2 共晶型铝硅合金

共晶型铝硅合金中Si含量质量分数为11.0%～13%，因其膨胀系数很低，具有良好的力学性能、铸造性能和切削性能，是中小型内燃机活塞的首选材料；共晶铝硅合金在应用中存在的问题是尺寸稳定性差、抗咬合负载低，在较高温下使用，产生体积的不可逆膨胀而出现“咬缸”现象使发动机无法正常工作，同时其高温强度和耐磨性较差。但随着共晶型铝硅合金的制备工艺的不断发展，共晶型铝硅合金在实际生产中也得到了广泛应用。国内常用的该类合金以ZL108和ZL109为典型代表。

1.3 过共晶型铝硅合金

过共晶铝硅合金具有流动性好、耐磨与线膨胀系数低等优点，是制造活塞的理想材料。其含硅量大于 13%，组织为初晶硅与（α+β）共晶体。这种合金随含硅量增加，耐磨性、尺寸稳定性、抗咬合性均有大幅度提高，但由于大量大块初晶硅的析出，合金的抗拉强度、延伸率急剧下降，铸造性能及切削加工性能随含硅量提高到 18%后也开始变差。所以，过共晶铝硅合金作为活塞材料，其良好的使用性能与较差的力学、工艺性能之间的矛盾突出。这些不利因素限制了过共晶铝硅合金在更加广泛的范围内应用。但是随着冶金技术的提高，过共晶铝硅合金已在德国、法国和日本等国得到了广泛应用。国外常见的过共晶铝硅合金有 393、AC9A、KS282等[2]、这些合金在国外已广泛应用于活塞生产。国产的主要有ZL117、76-1等[3]，国内已有部分企业将过共晶 Al-Si 合金应用于摩托车和汽车发动机活塞。过共晶 Al-Si合金作为一种有潜力的耐磨材料在我国的应用正日益广泛。

2、提高活塞用铝硅合金综合性能的途径

如何能使铝硅合金保持固有优点的同时，机械性能有大幅度的提高，一直是材料研究者十分关注的研究课题。近几十年来，国内外的研究者尝试了各种各样的方法，研究并采用了不少行之有效的细化，均匀化措施。

2.1 变质处理

铝硅合金通常要变质处理来改善硅相的形态，通过细化铝硅合金中的粗晶硅，将粗晶硅转变为细纤维状，消除了在这些微粒周围形成的应力点，使硅分散于铝中，从而改善了铸件的机械性能。自从1920年发现了Na对Al-Si合金的变质作用以来，变质技术得到了广泛而深入的研究，发现了许多新的变质元素和变质方法。对共晶组织有变质作用的元素有Na、Ca、Ba、K、Sr、Sb、Te、Ti、Li以及稀土元素等。目前用于生产实际的变质元素有Na、Sb和Sr,对过共晶组织有变质作用的元素有P、As和S[4,5]。

铝硅合金经变质处理后的显微组织得到了明显的细化，晶粒更细小，组织更致密，成份更均匀。并且经实验证明变质处理后的铝硅合金的机械性能得到了提高。

同种铝硅合金使用不同的变质剂，合金铸态组织中的晶粒形态有较大差异，如图1所示为共晶铝硅合金在不同变质剂处理下的铸态组织[6]，可以看出采用不同的变质剂处理，合金均获得了良好的变质组织，但是不同的变质方法，共晶硅粒状化效果不同，Sb变质的合金中共晶硅晶粒大小和 RE变质的相当，但均匀性不如RE变质的好，同时共晶硅颗粒也没有RE变质的圆整，组织中仍有少量未充分粒化的短棒状共晶硅。

近年来变质效果较好的双重多元复合变质的探索和研究工作，也取得了一些进展。但是，加入额外的变质剂会有很多不可控的因素，如变质剂的时效性等，而且还可能导致有害的副作用，使产品的综合性能下降，况且有些合金也难以通过加入变质剂来实现晶粒细化。

2.2 物理细化

物理细化主要是采取振动的方式，包括机械振动、声波和超声波振动以及电磁搅拌等，使合金在结晶初期形成的枝晶破碎，使晶粒数目增加，达到细化的目的。机械搅拌具有设备简单、投资少等优点，但是机械搅拌的工艺参数难以控制，搅拌不均匀，搅拌设备易磨损和腐蚀，不适于高熔点合金和易氧化合金，因此该方法很难在工业上推广应用。在金属和合金凝固过程中施加的声波和超声波振动，消除了不理想的柱状区，细化了晶粒，增加了等轴细晶结构。但是这种技术也存在一些不利因素，当振动棒浸入到熔融铝合金中会很快熔解，寿命短，超声波作用范围小，这些缺点使得这种方法在实际生产中应用不多。

在对材料处理过程中施加电场和（或）磁场是近几十年来兴起的工艺，电磁搅拌能够连续搅拌，可使熔体的化学成分均匀，大幅度提高了合金的质量；可大幅度缩短熔炼时间，减少能源消耗；与以往的机械搅拌相比，利用电磁力对金属熔体进行搅拌具有不接触、对熔体无污染等优点，并且大幅减轻了工人的劳动强度，是机械搅拌无法比拟的。该工艺方法对细化晶粒、改善组织有显著的作用，并且设备简单、容易操纵、经济效益好,目前，这种晶粒细化工艺已经在工业上产中得到了广泛的应用。

2.3 热处理工艺

铸件在不同的工作条件下对性能的要求不同，因此对于同一种铝硅合金的铸件常常采用不同的热处理工艺以满足使用性能的要求，即使活塞的成分、成形技术及性能要求相同，如果活塞大小和结构不同，其热处理规范也不尽相同。

图2a、b所示分别是过共晶铝硅合金铸态和热处理（T6）后的金相组织。从图上可见，经过热处理（T6）后，该合金铸态组织的大部分枝晶已被消除，初晶硅大小、分布更加均匀，共晶硅变成更为弥散均匀的点状组织。

汽车发动机活塞的热处理宜采用 T6(淬火+时效)或 T7（淬火+过时效）处理，对于特种活塞可采用低温淬火+人工时效。若单纯采用时效处理，则必须在铸件出模后利用其余热采取相应的强冷措施，但此时应保证冷却条件，即工艺条件的稳定性。这既在保证体积稳定性好的前提下，能有一个合理的常温强度和硬度，便于切削加工，又能使活塞工作时各部位的强度有相应的提高[1]。

2.4 改进铸造方法

目前美国、欧洲和日本等发达国家的铝硅活塞产品多采用半固态成形技术和挤压铸造，我国的活塞铸造工艺主要有手工金属型重力铸造、机械化和自动化的浇注机金属型重力铸造、压铸、挤压铸造等几种。多数采用金属型手工铸造方法，少数厂家采用双模或多模浇注机生产，也有少量采用压铸、挤压铸造等新方法来生产[8～10]。铸造中应用电磁技术也在国内外得到了广泛的应用。制造工艺简单且成本低，操作方便，有着其它细化方法不可替代的优点，可以明显提高铸件的力学性能，经济效益和社会效益都十分显著。

挤压铸造活塞与传统金属模重力铸造活塞相比，无论是宏观组织还是微观金相组织，活塞组织缺陷减少了，组织致密性大大改观。同时机械性能也有较大幅度提高。如图4为挤压铸造和金属模铸造同种活塞显微组织照片，可以看出挤压铸造的显微组织明显地比金属模铸造的致密[11]。

挤压铸造活塞与传统金属模重力铸造活塞相比，无论是宏观组织还是微观金相组织，活塞组织缺陷减少了，组织致密性大大改观。同时机械性能也有较大幅度提高。如图3为挤压铸造和金属模铸造同种活塞显微组织照片，可以看出挤压铸造的显微组织明显地比金属模铸造的致密[11]。

半固态成形是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变即液固共存过程种所具有的特性进行成形的方法。与传统液态或固态成形工艺相比，半固态成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密，析出物均匀分散，没有普通铸造组织中存在的粗大的枝晶，偏析等缺陷少，力学性能高；相对于铸造等液态加工技术而言，加工温度较低，对模具的热冲击较小，有利于提高铸型寿命；与锻造和挤压等固态加工技术相比，变形抗力较小，而且能耗低，效率高，易于自动控制；适于采用计算机辅助设计和制造，提高了生产的自动化程度[12,13]。

在铸造中应用电磁技术，内容是丰富多采的，有电磁铸造（EMC）、电磁细晶铸造工艺（CREM）、低频电磁铸造技术（LEFC）、移动磁场铸造、电磁离心铸造等。同常规铸造相比，电磁铸造铸件的表面光滑，没有铸模生产所固有的缺陷，不需要进行去皮加工；铸件内部组织均匀，晶粒细小。如图 4所示为电磁铸造与常规铸造合金微观组织的比较[14]。

3、结论与展望

汽车发动机的节能和高效是汽车工业发展的主要目标，发动机的不断发展，从根本上说，是建立在主要零部件性能不断提高和使用寿命不断延长的基础上。而活塞是发动机中工作强度最大的零件之一，随着大功率、中高速、小型化内燃机需求的不断增长，活塞的工作环境将变得更加恶劣，势必对活塞材料提出更苛刻的要求。开发耐高温、耐磨、节能、降低尾气排放的高技术活塞，是当前活塞发展的主要方向。虽然近年来国际上出现了一些复合材料可作为新型的活塞材料，但是复合材料的成本较高，并且有些复合材料仍处于研究阶段。所以对于我国而言，还应该立足于我国国情，在提高材料的综合性能上下功夫。由于国内主要使用亚共晶和共晶铝硅合金，而国外已经转向使用过共晶铝硅合金。所以应大力发展我国活塞材料及其制造工艺，以及加强对活塞材料先进铸造技术及设备的研究和开发，对改变我国汽车工业现状、提高市场竞争力意义深远。

[1] 冯增建，赵士博，张国华.提高活塞材料综合性能的研究[J]，内燃机配件，2001，（1）.

[2] 赖华清，范宏训，徐祥.过共晶铝硅合金的研究及应用[J].汽车工艺与材料，2001，(10):21-24.

[3] 王杰芳等.国内外铝硅活塞合金的研究及应用述评[J].铸造，2005，54(1):24-27.

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[13] 赵明欣.电磁场对铝硅合金铸造组织和性能影响的研究：[沈阳农业大学硕士学位论文].沈阳：沈阳农业大学，2009，37-40.

Research on strengthen methods and development trend of Al-Si piston alloy

Zhao Mingxin
(Department of Automobile Engineering, Nei Monggol Communications Polytechnic College, Nei Monggol Chifeng 024005)

This article summarized the current application of Al-Si piston alloy. The merits and demerits of every kind Al-Si alloy were analyzed; the article detailed introduced the common means and ways which improved the comprehensive capability of Al-Si piston alloy, at the same time, it analyzed the advantages and disadvantages of each method, the application of per method to industry was analyzed too; This article also pointed out the current existing problems and the development trend in the future.

Al-Si alloy; piston; strengthen; capability

U463.5

A

1671-7988(2015)05-76-04

赵明欣，讲师，硕士研究生，研究方向：交通运输、机械制造。