1、汽車內燃機活塞復合材料選擇與加工作者 梁鵬達(單位 湖北汽車工業學院)摘要 本文首先介紹了內燃機活塞的基本發展狀況，發現生產出質量輕的活塞對于減輕油耗、降低噪音、延長活塞壽命、降低排放、改善環境具有積極的意義。后從對內燃機活塞工作條件和失效形式的分析確定了活塞材料所要具備的特性，確定了金屬基復合材料。又從當前金屬基復合材料的發展現況，鎖定了作為內燃機活塞的材料的鋁基復合材料和鎂基復合材料。并分別分析了兩者的性能及加工方式。同時從使用性能、工藝性能、經濟性、可靠性、環境影響方面對鋁基復合材料和鎂基復合材料進行了比較，最終確定了鋁基復合材料作為內燃機活塞的制作材料。英文摘要 firstly Thi

2、s paper introduces the basic development of the internal combustion engine piston position and found that the production of light weight piston can reduce fuel consumption, reduce noise, and extend piston life and reduce emissions, improve the environment. And the piston of an internal combustion en

3、gine working conditions and failure modes analysis determines the piston material you want to have the characteristics of the metal matrix composites. And from the current development status of the metal matrix composites, locking the aluminum matrix composite material as the internal combustion eng

4、ine piston and magnesium matrix composites. And analysis of both performance and processing methods. In terms of use of performance, process performance, economy, reliability, environmental impact of aluminum matrix composites and magnesium matrix composites were compared, and ultimately determine t

5、he aluminum matrix composites as the internal combustion engine piston production of materials.關鍵詞 內燃機活塞；鋁基復合材料；鎂基復合材料；陶瓷材料1、背景介紹活塞是發動機中最重要的部件之一,因其在高溫、高壓、腐蝕、摩擦、高速運動等條件下工作,對材料的性能要求很高。在內燃機發展過程中，人們不斷對其經濟性、動力性、排放性等提出了更高的要求，從而對內燃機活塞材料的要求相應提高，主要集中在耐熱性、耐磨性、減摩性、耐蝕性及質量輕等方面。傳統活塞材料基本上能夠滿足這些條件，但是隨著動力系統的發展也決定了活塞

6、的發展方向。由于現在內燃機需向更大功率和更高熱效率方面發展，因此要求活塞材料具有更好的高溫機械性能和更輕的質量，以滿足現代內燃機的發展要求。除了優化傳統活塞材料化學成分和改進制造工藝以提高機械性能之外，開發活塞新材料以適應不同工作狀態和工作環境是一種新的發展趨勢，隨著對材料研究的深入已經開發出鋁基復合材料、陶瓷材料、碳材料、耐熱鎂合金材料、鎂基復合材料活塞。現代社會對環境日益重視，作為使用活塞最多的汽車發動機，據有關部門預測“十一五”期間，每年需要活塞要在4800萬只以上。因此要求活塞材料具有更高的燃燒效率和更輕的活塞質量，生產出質量輕的活塞對于減輕油耗、降低噪音、延長活塞壽命、降低排放、改善

7、環境具有積極的意義。2、零件的工作條件、失效方式及性能要求工作條件：（1）高溫條件，活塞在氣缸內工作時，活塞頂面承受瞬變高溫燃氣的作用，燃氣的最高溫度可達2000到2500，因而活塞頂的溫度也很高。溫度分布不均勻，有很大的熱應力。（2）高壓條件，高壓包括兩方面，一方面活塞組在工作中受周期性變化的氣壓力直接作用，另一方面活塞組在氣缸里作高速往復運動產生很大的往復慣性力。（3）高速滑動，內燃機在工作中所產生的側向力是比較大的，特別是在短連桿內燃機中。（4）交變的側壓力，活塞上下行程時活塞要改變壓力面，側向力方向不斷變化，造成了活塞在工作時承受交變的側向載荷。失效方式：（1）活塞磨損。在發動機工作時

8、，活塞環槽與活塞、活塞銷座孔與活塞銷、活塞裙與缸壁分別都構成了摩擦。（2）機械損傷。原因有：燃燒室中有異物，氣門頭部撞擊活塞頂。（3）活塞燒熔。活塞燒熔多發生在活塞頂部和第一、二活塞環槽處，一般以頂面的熔洞、穿孔和頭部圓周處槽狀缺口為主要形式。性能要求：（1）熱強度高。在高溫下仍有足夠的機械性能，使零件不致損。（2）導熱性好，吸熱性差。以降低頂部及環區的溫度，并減少熱應力。（3）膨脹系數小。使活塞與氣缸間能保持較小間隙。（4）比重小。以降低活塞組的往復慣性力，從而降低了曲軸連桿組的機械負荷和平衡配重（5）有良好的減磨性能。即與缸套材料間的摩擦系數較小，耐磨、耐蝕。（6）工藝性好，低廉。 工藝性

9、好，易于加工。低廉，適合大批量生產。3、零件材料的初步選擇鑒于要選用強度好，散熱性好，膨脹系數小、耐磨、有良好減磨性和經濟性的材料，且以此材料設計出的活塞形狀和壁厚合理，吸熱好，散熱好。強度和剛度符合要求，盡量避免應力集中，另外材料密封性要好，摩擦損失小和重量輕。我們這里主要討論內燃機活塞復合材料的選材。復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。考慮到強度和剛度兩個重要的特性，我把活塞的材料鎖定在金屬基復合材料上。關于金屬基復合材料，眾多基體中

10、，目前以鋁、鎂、鈦基發展較為成熟，考慮到鈦較為貴重以及密度相對鋁和鎂較大。我把活塞材料初步定為鋁基復合材料和鎂基復合材料。4、候選材料的具體分析4.1鋁基復合材料基體鋁及其合金，增強相顆粒，增強機制為顆粒增強機制，類型為熱固性材料，機理為顆粒阻礙基體位錯運動強化不均勻變形引起位錯增殖強化。鋁基復合材料比強度和比剛度高,高溫性能好,更耐疲勞和更耐磨,阻尼性能好,熱膨脹系數低。按照增強體的不同,鋁基復合材料可分為纖維增強鋁基復合材料和顆粒增強鋁基復合材料。纖維增強鋁基復合材料具有比強度、比模量高,尺寸穩定性好等一系列優異性能,但價格昂貴,目前主要用于航天領域,作為航天飛機、人造衛星、空間站等的結構

11、材料。顆粒增強鋁基復合材料可用來制造衛星及航天用結構材料、飛機零部件等。目前鋁基復合材料增強顆粒材料有SiC、AL2O3、BN等。4.2鎂基復合材料基體鎂或鎂合金，增強相顆粒（也有各種碳或石墨纖維，此時為碳纖維增強鎂基復合材料），增強機制為顆粒增強機制，類型為熱固性材料。鎂基復合材料組織特征為增強體分布在基體合金中，同時引入了大量的界面以及高密度位錯纏結，其晶粒度較基體合金也小，無論是高密度位錯引起的位錯強化，還是細化晶粒的作用都將提高和改善復合材料的拉伸強度和剛度等力學性能。另外，擠壓變形、固溶時效以及其它一些工藝的運用和調整都將有利于進一步提高鎂基復合材料力學性能，鎂基復合材料具有良好的阻

12、尼性能(減振性能)、電磁屏蔽性能和儲氫特性，是良好的功能材料，還具備密度小、貯氫容量高、資源豐富等優點。5、候選材料成形或加工方法5.1鋁基復合材料（1）粉末冶金法 粉末冶金法是最早用來制造鋁基復合材料的方法,是一種比較成熟的工藝方法。采用粉末冶金法時,首先將顆粒增強物和鋁合金粉末用機械手段均勻混合,進行冷壓實,然后加熱除氣,在液相線與固相線之間進行真空熱壓燒結,得到復合材料的坯料,在將坯料進行擠壓、軋制、鍛造、拉拔等二次加工就可制成所要的型材零件。該法中鋁合金粉末和增強物混合均勻是整個工藝的關鍵,因此應使二者的粒度相差不要太大,如對SiC/Al的粒度比為1:0.7時比1:0.3更容易混合均勻

13、。粉末冶金法的優點是可將增強物顆粒和鋁合金粉按任意比例混合,而且混合均勻性好,不會出現偏析和偏聚,制備的復合材料機械性能較高。但粉末冶金法制造工藝及裝備復雜,生產成本高。（2）高能-高速固結工藝 這種工藝是在短時間內使陶瓷顆粒和鋁合金粉末的混合物受到高脈沖電流的放電作用后,迅速提高能量,并在較小外力作用下,使之固結成復合材料的工藝。高能量高速度脈沖有利于將冷模中的導電粉體快速加熱到指定溫度,從而控制相變和組織粗化,這是常規粉末冶金工藝無法實現的。高能-高速固結工藝可使復合材料的相對密度達95%以上（3）壓力浸滲工藝 壓力浸滲工藝是先將增強體制成預制件,再將預制件放入模具后,以惰性氣體或機械裝置

14、為壓力媒體將鋁液壓入預制件的間隙,凝固后即形成復合材料。這種工藝簡單,但預制件中的氣體不易在凝固前排出而造成氣孔與疏松,同時預制件也易產生變形和偏移。因此在此基礎上提出了真空壓力浸滲工藝,即將預制件放入位于承壓容器中的模具內,抽出預制件內的氣體后,將熔融鋁液由通道壓入模具內,使之浸滲預制件。此工藝需要專用設備,但制品質量高,同時增強體含量可以很高。（4）反應自生成法 反應自生成法分為固態自生成法和液態自生成法,這兩種方法的共同點是在基體中通過反應生成增強相來增強金屬基體。固相反應自生成法是將預期構成增強相的兩種組分均勻混合,加熱到基體熔點以上溫度,當達到反應溫度時,兩元素發生放熱反應,溫度迅速

15、升高,在基體溶液中生成彌散顆粒增強物。液相反應自生法是在基體熔體中加入能反應生成預期增強顆粒的元素或化合物,在一定溫度下發生反應,生成細小、彌散、穩定的顆粒增強物,形成自生增強鋁基復合材料。由于增強顆粒是在基體中反應自生的,因此,增強物與基體金屬界面干凈,結合良好,增強物性質穩定。增強顆粒大小、數量與工藝過程、反應元素的加入量有密切關系。利用此種工藝可以制備自生增強物為TiC、TiB2、AlN、TiN等多種鋁基復合材料。（5）液態金屬攪拌鑄造法 液態金屬攪拌鑄造法的基本原理是將顆粒增強物直接加入到熔融的鋁合金中,通過一定方式的攪拌使顆粒均勻地分散在基體熔體中,復合成顆粒增強鋁基復合材料。復合好

16、的熔體可澆鑄成錠坯、鑄件等使用。這種工藝簡單、生產效率高、制造成本低廉。復合好的鑄錠經重熔后,可精密壓成各種型材、管材、棒材等。它是目前最成熟、最具競爭力、也是工業化規模生產鋁基復合材料的最主要的方法。但是,液態金屬攪拌鑄造法中增強顆粒與金屬液體的浸潤性差,不易進入金屬或在金屬中容易團聚和聚集,同時強烈的攪拌容易造成金屬液體的氧化和大量吸氣。必須采取措施來改善顆粒與金屬溶液的浸潤復合,防止金屬的氧化和吸氣。可以在金屬熔體中添加合金元素、對增強顆粒表面進行處理等措施來提高潤濕性。采用真空、惰性氣體保護等措施來防護復合過程中的氣體的吸入和金屬熔體的氧化。現在有人用高能超聲法來制備鋁基復合材料,可以

17、同時解決潤濕性和氣體吸入的問題。（6）半固態攪拌復合鑄造 半固態攪拌復合鑄造法制備金屬基復合材料在上個世紀80年代就開始應用,主要是針對攪拌鑄造法的缺點提出的。其原理是攪拌在半固態熔體中進行,即金屬熔體的攪拌溫度控制在液相線與固相線之間。在攪拌過程中,將增強物顆粒加入半固態鋁合金熔體,通過熔體中的金屬粒子把增強物顆粒帶入熔體中。該工藝優點在于通過部分凝固粒子對增強體的分散和捕捉作用,可將潤濕性不好的增強顆粒加入到鋁合金熔體中,并能防止顆粒的聚集和上浮,而使之均勻分散。 5.2鎂基復合材料（1）粉末冶金法 粉末冶金法是把微細純凈的鎂合金粉末和增顆粒均勻混合后在模具中冷壓，然后在真空中將合體加熱至

18、合金兩相區進行熱壓，最后加工成型得復合材料的方法。粉末冶金的特點：可控制增顆粒的體積分數 ，增強體在基體中分布均勻；制備溫度較低 ，一般不會發生過量的界面反應。該法工藝設備較復雜，成本較高，不易制備形狀復雜的零件。（2）熔體浸滲法 包括壓力浸滲、無壓浸滲和負壓浸滲。壓力浸滲是先將增強顆粒做成預制件，加入液態鎂合金后加壓使熔融的鎂合金浸滲到預制件中，制成復合材料采用高壓浸滲，可克服增強顆粒與基體的不潤濕情況，氣孔、疏松等鑄造缺陷也可以得到很好的彌補。無壓浸滲是指熔的鎂合金在惰性氣體的保護下，不施加任何壓力對增強顆粒預制件進行浸滲。該工藝設備簡單 、成本低 ，但預制件的制備費用較高，因此不利于大規

19、模生產。增強顆粒與基體的潤濕性是無壓浸滲技術的關鍵。負壓浸滲是通過預制件造成真空的負壓環境使熔融的鎂合金滲入到預制件中。由負壓浸滲制備的SiCMg顆粒在基體中分布均勻。（3）全液態攪拌法 在保護氣氛下，將增強顆粒加入熔融的鎂合金基體中，再進行機械攪拌，最后澆鑄成型。此方法設備以及工序簡單，成本也較低，但在攪拌的過程中容易產生氣孔，另外由于增強顆粒與基體的密度不同易發生顆粒沉積和團聚的現象：鑄錠凝固后可以進行熱擠壓，可以改善基體和增強顆粒間的界面完整性以及增強相在基體中的均勻分布，并且在擠壓的過程中發生了動態再結晶，復合材料發生了明顯的晶粒細化現象。（4）半固態攪熔鑄造法 半固態攪熔鑄造法是指將

20、增強顆粒加入由機械攪拌的半固態基體中，待混合均勻后升至熔點溫度澆鑄，凝固后得到鎂基復合材料的方法。此方法可以避免全液態攪拌法易產生氣孔和發生顆粒沉積及團聚的現象。該工藝較有利于大規模工業生產。（5）噴射沉積法 此工藝首先用高壓的惰性氣體流將液態鎂合金霧化，形成熔融狀態的鎂合金噴射流，同時將增強顆粒噴入鎂合金噴射流中，使顆粒和基體的混合體沉積到襯底上，凝固后得到鎂基復合材料。該工藝所制備的復合材料顆粒在基體中分布均勻、凝固快 、界面反應較少。6、零件材料的確定這里主要從使用性能、工藝性能、經濟性、可靠性、環境影響進行判斷。在使用性能與工藝性能方面，兩者較為相近。鋁基復合材料密度低，有良好的尺寸穩

21、定性，增強體的加入在提高鋁基復合材料強度和模量的同時,降低了塑性。 高的耐磨性是鋁基復合材料(SiC 、Al2O3 增強)的特點之一。鋁基復合材料的疲勞強度一般比基體金屬高,而斷裂韌性卻下降。鎂基復合材料主要特點是密度低、比強度和比剛度高，同時還具有良好的耐磨性、耐高溫性、耐沖擊性、優良的減震性能及良好的尺寸穩定性和鑄造性能等；此外還具有電磁屏蔽和儲氫特性等，是一類優秀的結構與功能材。只有分析不同，才能選出所要的。在地球的的元素含量分布中，鋁的含量非常高，它的價格會相對便宜，即在經濟性方面優先考慮鋁基復合材料。另外在工業體系中，是先對鋁金屬進行加工利用的，在這方面的研究與生產都相對成熟，具有更

22、高的可靠性。那么在處理廢料方面也會有比鎂基復合材料更多的研究基礎，也就是說在環境影響方面也是鋁基復合材料占優勢。以鎂或鎂合金為基體的鎂基復合材料多用于航天一些較為高端的領域。因此選擇鋁基復合材料作為制作內燃機活塞的材料。主要性能指標：熱強度高，導熱性好，吸熱性差，膨脹系數小。使活塞與氣缸間能保持較小間隙，比重小，有良好的減磨性能，工藝性好，低廉。加工方法：采用液態金屬攪拌鑄造法，液態金屬攪拌鑄造法的基本原理是將顆粒增強物直接加入到熔融的鋁合金中,通過一定方式的攪拌使顆粒均勻地分散在基體熔體中,復合成顆粒增強鋁基復合材料。復合好的熔體可澆鑄成錠坯、鑄件等使用。這種工藝簡單、生產效率高、制造成本低

23、廉。8、內燃機活塞材料的未來發展動向（1）陶瓷材料陶瓷是用于汽車發動機上的新材料,陶瓷是各種氧化物、氮化物、碳化物等無機非金屬材料的通稱,具有質量輕、耐磨、絕熱性好、高溫強度大等優點。活塞陶瓷化的主要優點有:可實現部分或全絕熱,從而取消冷卻系統并且回收廢氣能量以降低油耗;降低高強化柴油機活塞的溫度,特別是環槽的溫度;改善排放。全陶瓷活塞目前還無成功的應用實例,但組合式陶瓷活塞已在特種發動機上得到了一定的應用。活塞的陶瓷化大致有兩種方式:一種是采用陶瓷鑲塊,材料有鈦酸鋁和氧化鋯,以及反應燒結氮化硅等;另一種方法是采用陶瓷涂層,常用材料為氧化鋯。據報道日本已開發出陶瓷涂層和雙層陶瓷結構活塞,美國福

24、特公司等還試驗過全陶瓷活塞,取消了活塞環與陶瓷氣缸套配對在無潤滑條件下工作。由于陶瓷的脆性,復雜的制造技術和高成本,要使陶瓷活塞大規模地應用于內燃機,還需要做許多工作。國內一些高校和研究單位也在開展這方面的研究工作。據介紹,東南大學推出的陶瓷纖維增強復合材料鋁活塞已在汽車發動機、大馬力柴油機上得到應用,可使活塞使用壽命提高3倍到5倍,并提高發動機功率,減少燃油消耗和廢氣排放。與普通鋁合金相比,高溫抗拉強度提高20 %到40 % ,線膨脹數降低20 %。（2）新型復合材料。近年研究較多的復合材料有鋁基復合材料、碳/碳復合材料。鋁基復合材料的開發,美、日及歐洲的工業發達國家在這方面已取得了重要進展

25、,并在車用柴油機上迅速得到了推廣。以輕金屬為基體的復合材料除了具有基體金屬的性能外,更突出的優點表現在復合材料重量輕、動載荷小、耐磨性好,與基體合金相比其高溫強度和抗熱疲勞性能明顯提高,并具有較低的線膨脹系數。這些無疑對提高活塞使用壽命、降低油耗和廢氣排放量、提高發動機功率都具有極其重要的意義,因此受到了各國的重視。自20世紀60年代開始,世界各國都對輕金屬基復合材料進行了廣泛的研究,并取得了可喜的成果。活塞是最早應用鋁基復合材料的汽車零件。為滿足高速發動機的需要,上世紀70年代末,日本ArtMetal公司和豐田汽車公司著手研制氧化鋁短纖維局部增強鋁活塞,用以代替傳統的普通鋁活塞。1982年,

26、這種鋁基復合材料活塞獲得成功并用于豐田汽車上。經氧化鋁短纖維增強后,活塞環槽區的耐磨性明顯改善,高溫強度、熱穩定性明顯提高,抗咬合性和導熱性好,而且膨脹系數比普通鋁活塞低8 %到15 % ,可減小汽缸間隙,降低噪聲水平。氧化鋁短纖維局部增強鋁活塞還能減小活塞頂部燃燒室表面邊緣的開裂傾向,從而改善了內燃機性能。歐美國家也在研究和開發鋁基復合材料活塞。美國也已試制出氧化鋁短纖維增強鋁合金活塞,并有了這方面的專利,除了用氧化鋁纖維局部增強活塞的第一道環槽外,活塞的整個冠部也可用氧化鋁纖維增強,活塞冠部的耐熱性進一步提高,發動機的性能和燃燒效率也可顯著改善。英國在金屬基復合材料活塞的研制上亦做了許多工

27、作,旨在開發這種材料在高性能內燃機的應用。1984年,英國AE公司就推出了陶瓷纖維增強鋁活塞的樣品,后來又有了用氧化鋁纖維增強鋁合金制造內燃機活塞的專利。碳纖維增強碳基復合材料作為一種很先進的戰略材料,不僅在航空航天軍工等領域得到了很成功的應用,而且在民品領域還有廣闊的應用前景。它除了石墨材料所具有的一切理化性能外,還具有很高的力學性能,具體地講:熱膨脹系數(15×10- 6/)低,約是鋁合金的1/ 10;熱導率高(150W/ mK180W/ mK);密度小(約為118g/ cm3),是陶瓷的1/ 21/ 3;摩擦性能好(摩擦系數為0.20.3),且具有自潤滑作用;熱沖擊性能優良;具有最優異的高溫性能(3D碳/碳復合材料在1 700及惰性環境下的抗彎性能為57119MPa)。常溫下鋁的強度較高,然而當溫度大于3 000時,