2015年我國(guó)活塞行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)分析

　　據(jù)活塞發(fā)展趨勢(shì)了解，活塞被稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟?，F(xiàn)對(duì)2015年我國(guó)活塞行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)分析。它是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之一。其功用是承受氣體壓力，并通過(guò)活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞直接與瞬時(shí)溫度2200攝氏度的高溫氣體接觸，其頂部溫度達(dá)300℃~400℃，且溫度分布不均勻;在做功行程時(shí)活塞頂部承受著很大的氣體壓力，汽油機(jī)達(dá)4MPa~5MPa，柴油機(jī)高達(dá)8MP~9MPa，甚至更高;此外，活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)線速度可達(dá)11m/s~16m/s;在這種惡劣的條件下工作。

       活塞承受著高溫、高壓的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。因此活塞作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中傳遞能量的一個(gè)非常重要的構(gòu)件，對(duì)其材料具有特殊的要求：密度小、質(zhì)量輕、熱傳導(dǎo)性好、熱膨脹系數(shù)小;并具有足夠的高溫強(qiáng)度、耐磨和耐蝕性能、尺寸穩(wěn)定性好。另外還應(yīng)具有容易制造、成本低廉的特點(diǎn)。伴隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，人們對(duì)活塞材料的研究與應(yīng)用也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。鋁合金活塞材料的發(fā)展應(yīng)用概況鋁合金活塞材料的發(fā)展應(yīng)用概況鋁合金活塞材料的發(fā)展應(yīng)用概況鋁合金活塞材料的發(fā)展應(yīng)用概況世界上最早的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞是鑄鐵的。1911年，鋁合金材料以其質(zhì)輕、良好熱傳導(dǎo)性以及較低的熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)的得到人們的關(guān)注并開(kāi)始用于制造活塞。1920年一種Al- Cu-Ni-Mg系合金正式成功地應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，從而證明了鑄造鋁合金作者簡(jiǎn)介：

　　1、AI-Cu-Ni-Mg系合金系合金系合金系合金該系合金于1920年開(kāi)始就在英國(guó)得到應(yīng)用。其典型合金代號(hào)有 LMl4(英)、SAE39(美)、AC5A(日)。該類合金的優(yōu)點(diǎn)是良好的高溫強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、延伸率及耐磨性;但因其線膨脹系數(shù)和密度較大，鑄造性能差且含有較多貴重金屬價(jià)格較貴而被淘汰。

　　2、AI-Cu-Si系合金系合金系合金系合金這類合金的優(yōu)點(diǎn)是：由于含有一定量的硅，鑄造性能較好，切削加工性能也有所改善;在常溫和高溫下均有較好的機(jī)械、物理性能。在70年代之前，該類合金曾是前蘇聯(lián)等國(guó)應(yīng)用最廣泛的一種材料，我國(guó)的解放牌CAl0A、 CAl0B、CAl0C型汽車活塞也采用此合金。其典型合金代號(hào)有SAE300(美)、A110B(俄)、AC2A(日)。該類合金的缺點(diǎn)是：線膨脹系數(shù)較大，因含有較多的Cu，所以體積穩(wěn)定性不好，會(huì)產(chǎn)生永久性“長(zhǎng)大”現(xiàn)象引起活塞“咬缸”，所以國(guó)內(nèi)現(xiàn)已停止使用這類材料。

　　3、AI-Si合金合金合金合金由于Al-Si合金線脹系數(shù)小、比重小，耐磨性好，鑄造性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)而成為應(yīng)用于現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)活塞制造最廣泛的材料。這類合金按含Si量的高低可分為共(亞)晶型和過(guò)共晶型兩大類。

　　4、共晶共晶共晶共晶(亞共晶亞共晶亞共晶亞共晶)型型型型Al-Si合金合金合金合金國(guó)內(nèi)外輕、中型汽車汽、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以及轎車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞大多采用了共晶(亞共晶)型Al-Si合金。具有代表性的共晶(亞共晶)型AI-Si合金活塞材料的牌號(hào)及化學(xué)成分見(jiàn)表1。該類合金含 Si量一般在8.5%-13%，為了提高合金的室溫及高溫性能在其中加入了Cu、Mg、Mn、Ni等合金元素進(jìn)行多元合金化。

　　(亞共晶)型Al-Si合金活塞材料常溫和高溫性能。合金中的Cu可提高合金的常溫及高溫強(qiáng)度，改善合金切削加工性能及表面光潔度;但Cu量過(guò)多會(huì)使合金密度增大，熱裂傾向增大，耐蝕性降低，鑄造性能變壞，同時(shí)還使合金成本增加。因而作為活塞用的A1-Si合金應(yīng)在保證其強(qiáng)度的前提下盡可能降低含銅量。Mg也是A1-Si合金中提高合金強(qiáng)度的重要元素，特別是與Cu配合使用時(shí)可進(jìn)一步提高合金耐熱性。但Mg加入量過(guò)多時(shí)易在晶界上形成脆性相，反而降低了合金強(qiáng)度。另外Mg還可能造成鑄件夾渣，所以Mg的加入量一般控制在0.4%-1.5%。國(guó)內(nèi)廠家多控制在0.7%-1.0%之間。Mn可以提高合金的熱穩(wěn)定性、高溫持久強(qiáng)度和硬度，同時(shí)還可以減少雜質(zhì)元素對(duì)鐵的危害。但加入過(guò)多的Mn會(huì)形成粗大脆性化合物，反而降低合金強(qiáng)度。 Mn的加入量多控制在1%以下。國(guó)外資料認(rèn)為。Ni可以提高合金的高溫強(qiáng)度及合金熱穩(wěn)定性。

　　據(jù)活塞行業(yè)市場(chǎng)調(diào)查分析報(bào)告了解，如含有Ni的ZLl09比不合Ni的ZLl08體積穩(wěn)定性好。這對(duì)活塞這種零件來(lái)說(shuō)是非常有意義的。但近年來(lái)的一些試驗(yàn)研究又表明：加Ni對(duì)合金的高溫性能并無(wú)顯著提高國(guó)內(nèi)外汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料的發(fā)展及應(yīng)用國(guó)內(nèi)外汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料的發(fā)展及應(yīng)用國(guó)內(nèi)外汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料的發(fā)展及應(yīng)用國(guó)內(nèi)外汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料的發(fā)展及應(yīng)用由于鋁硅合金中Si含量超過(guò)6%-8%時(shí)，組織中便會(huì)出現(xiàn)粗針狀共晶硅組織，使合金的機(jī)械性能降低。因此，共晶 (亞共晶)型A1-Si合金需進(jìn)行變質(zhì)處理。共晶硅常用的變質(zhì)元素有Na、Sr、P、Sb、Ba、RE等，其中國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是Na鹽變質(zhì)，效果良好。但 Na鹽變質(zhì)有效時(shí)間較短。同時(shí)還會(huì)腐蝕坩堝給生產(chǎn)帶來(lái)不便。Sr有較強(qiáng)的變質(zhì)作用和足夠長(zhǎng)的變質(zhì)有效期，但Sr較貴且變質(zhì)時(shí)會(huì)增加合金吸氣，故目前還不能取代Na。目前，對(duì)于共晶型Al-Si合金來(lái)說(shuō)(如ZLl09)更多地采用了磷變質(zhì)劑以代替Na變質(zhì)，且磷變質(zhì)效果優(yōu)于Na鹽變質(zhì)而被國(guó)內(nèi)眾多活塞制造廠推廣使用?，F(xiàn)在在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最廣泛的Al-Si.活塞材料為ZLl09G(Mahlel24、AC8A)，國(guó)外著名發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠(如 Cummins、Renault等)和國(guó)內(nèi)玉柴、錫柴等發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠均采用該材料制造的活塞。過(guò)共晶型過(guò)共晶型過(guò)共晶型過(guò)共晶型Al-Si合金合金合金合金隨著發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)功率、扭矩、噪聲、排放的要求越來(lái)越高，共晶(亞共晶)型Al-Si合金已難以達(dá)到使用性能要求。

　　因此，人們把目光投向另一種更為理想的活塞材料——過(guò)共晶型A1-Si合金。這類合金含Si量高達(dá)17%~26%，而隨著Si含量的增加，合金的線脹系數(shù)減小，耐磨性和體積穩(wěn)定性相應(yīng)提高，且合金密度也隨之減小，用其制造發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，可在設(shè)計(jì)上縮小氣缸筒內(nèi)壁與活塞之間的間隙，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率.因此受到世界各國(guó)研究者的重視[3]。國(guó)外對(duì)過(guò)共晶型Al-Si合金的研究應(yīng)用較早，使用范圍已從摩托車活塞擴(kuò)大到載貨汽車的活塞上。國(guó)內(nèi)近些年也對(duì)該類活塞材料進(jìn)行了大量的研究，但實(shí)際應(yīng)用的還較少。國(guó)內(nèi)外具有代表性的過(guò)共晶Al-Si合金牌號(hào)及化學(xué)成分見(jiàn)表3。表4為過(guò)共晶型Al，-Si合金活塞材料常溫和高溫性能對(duì)比。過(guò)共晶型活塞合金按Si的含量分為三組：I組Si為17%-19%，II組Si為 20%-23%，III組Si為24%-26%。I、II組工藝性較好，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較多;第1II組由于Si含量高，結(jié)晶范圍大，鑄造工藝性能很差，初晶Si的變質(zhì)困難。為保證合金滿足活塞性能要求。也在其中加入Cu、Mg、Mn、Ni、Ti、RE等等.所起作用與共晶型合金中基本相同。盡管過(guò)共晶型Al-Si合金用做汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料的優(yōu)越性已被國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐所證明，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的Al-23%Si(AC9A)活塞材料性能指標(biāo)為 δb(25℃)>260MPa，δb(300℃)>150MPa，HB=110-125，a≤18×10-6℃。但是，目前過(guò)共晶Al-Si 合金在工業(yè)上應(yīng)用過(guò)程中面臨著兩大問(wèn)題：(1)初晶硅的細(xì)化;(2)切削性能的改善。過(guò)共晶型活塞材料如何對(duì)合金進(jìn)行變質(zhì)處理細(xì)化初晶硅，目前公開(kāi)報(bào)道的變質(zhì)方法有如下方案：1)單元變質(zhì)劑：赤P或P-Cu.合金;2)二元變質(zhì)劑：①P-Cu+RE;②P-Cu+S;③P-Cu+Ba;④P2S6+Na- Cl;3)多元變質(zhì)劑：①赤P+KCl+K2TiF6;②(NaPO3)6+KCl+Na2SiF6;③NaPO3+V2O5+A12O3+SrCl;④ 赤P+KCl+K2TiF6+RE。

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