高强度铝活塞材料的开发

【日】 Koma H Hayashi S Genma Y Matsuyama Y Okada N Ikuno H

0 前言

减轻零件质量正成为减少车辆二氧化碳排放的一种越来越重要的手段。减轻发动机活塞等运动件的质量显得尤为有效，这还能减少惯性力和摩擦损失。为此，汽车制造商们竞相开发更轻的活塞（图1），并要求不断地进行改进。减轻活塞质量的2种途径是优化活塞的形状和提高材料的强度。本文介绍针对后一种途径所做的研究。

除了满足性能方面的要求外，新开发的材料还必须能以较低的成本来制造活塞。本研究的目标是开发一种至少能在250℃温度下保持恰当抗拉强度和疲劳强度的合金，用它制造重力浇铸活塞，并要求保持制造成本不变。

图2为活塞用铝合金疲劳强度的基准情况和开发目标。丰田汽车公司目前用于批量生产的材料在250℃时的疲劳强度已居世界最高水平，但是，这种合金（Al-12Si-3Cu-2Ni-1Mg）的强度仅比另一家制造商的略高一些。丰田汽车公司要求开发一种强度更高的新材料，这种新材料的目标疲劳强度至少要比目前该公司所用材料的疲劳强度提高10%以上。

1 提高疲劳强度的途径

图3为铝合金抗拉强度与疲劳强度之间的相互关系。对于锻造材料，还有1个增加的共有强度。当铸造材料中因拉伸而出现静态裂缝时，该裂缝通常是瞬时发生的。因此，在因疲劳而产生裂缝的情况下，最薄弱的部位就成为最重要的因素，而不是材料的平均强度，因为该裂缝是经由最薄弱部位逐渐扩展的。

图4为某个铸件显微结构中最大主应力分布情况的分析结果。最大主应力集中在最薄弱的铝合金基材部位，而由结晶硅部位支撑的应力则非常小。换句话说，铸件显微结构中的应力分布是不均匀的，这阻碍了疲劳强度的提高。

因此，这种新材料的开发理念是要通过形成均质的显微结构来提高铸件的疲劳强度。

2 结果和讨论

2.1 试验方法

以目前活塞批量生产用的材料（Al-12Si-3Cu-2Ni-1Mg）作为基准，通过观察研究每种元素对显微结构的影响，寻找形成铸件均质显微结构的条件。然后，按这种化学成分制造试样，并进行高温疲劳强度测定。最后，确定一种既能在批量生产中得到控制，又不会对铸件均质显微结构产生不利影响的化学成分。

2.2 附加元素对显微结构的影响

2.2.1 利用钛形成均质显微结构

在大多数铝合金固化时，通常会形成一种树枝状的铝微晶结构。其他固相沉淀物便会沿树枝状晶体的分枝均匀排列。因此，如果晶粒粗大，就会沿某个特定的方向排列，从而在树枝状微晶结构的基础上形成若干富铝层，并呈现非均质显微结构。

为了消除这种现象，在开发的新材料中添加了钛，使晶粒更细，抑制富铝区的形成，这样就能阻止非均质显微结构的形成。如图5所示，在固化过程中，钛会生成三铝化钛（TiAl3）。由于该化合物的晶格常数与铝的晶格常数十分接近，所以它的功能就如同铝的成核晶格一样。通过添加钛，铝的成核晶格数量会有所增加，因而铝晶粒的显微结构会变得更细。

用新开发的材料制造了1个活塞样品，可以观察到它的金相组织很细（图6），并证实其不均匀的富铝层数量有所减少（图7）。

2.2.2 利用铁和锰使高温稳定性好的化合物扩散来提高强度

在改善材料的固化性能以生成均质显微结构之后，接下来的开发重点是促使一种高温稳定性好的化合物在整个材料中扩散，以提高材料的高温强度。

在新开发材料的成分设计中，添加了适量的铁和锰，以生成一种具有良好高温稳定性的铝-硅-铁-锰化合物。如果该化合物能在整个材料中得以扩散，它将能起到与铝骨架结构相同的作用，并能提高高温强度。观察新开发材料的显微结构证实，该化合物已按预定设想存在于材料中（图8）。

2.3 为保证流动性的成分设计

为了确保这种新合金的可铸性，其成分设计还要考虑到材料的流动性。目前，高性能活塞都采用定向固化工艺，产品的缩松缺陷已降到十分低的水平。增加铜含量对于改善高温强度极为有效，但铜含量太多会对固化的定向性产生不利影响，并且会使最终固化的部位在整个材料中变得很分散，这就容易产生缩松缺陷。就新开发的材料而言，它的铜含量已维持在与目前批量生产用材料相似的水平上。正设法推出一种能在不依赖铜的条件下提高强度的替代方法。

另外，流动性对于制造薄壁活塞也是必需的。流动性与硅含量和金属的显微结构相关，它可以通过生成过共晶的显微结构来加以改善（图9）。通过添加适量的硅、磷和钙，最终形成这种显微结构。

2.4 高温疲劳特性

从活塞顶部切取若干试样，研究新开发材料的高温疲劳强度。250℃时的疲劳试验结果表明，新开发材料疲劳强度的增加超过了原定目标（图10）。

2.5 确定的最佳成分范围

确定了活塞材料的最佳成分范围，既不会对均质显微结构产生不利影响，又能在批量生产条件下实现可控性。目前已按照这一成分范围制造了若干活塞样品。图11为均质显微结构和非均质显微结构的示例。

3 确保批量生产时材料强度的稳定性

化学成分和铸造缺陷是影响疲劳强度的2个可能因素。化学成分在某一规定范围内会有所变化，而铸造缺陷则主要受铸造条件的影响。因此，为了确保材料强度的稳定性，对这两个因素产生的影响进行了试验研究。

3.1 化学成分变化对疲劳强度的影响

图12为显微结构相同但化学成分有所变化的若干活塞试验铸件在不同温度下的疲劳试验结果。化学成分变化导致疲劳强度降低。化学成分处于下限值时的疲劳强度比常规成分的参比材料约低8%。考虑到这些结果，在材料设计中确定了1个安全系数。

3.2 铸造缺陷对疲劳强度的影响

利用试验铸件和从活塞上切取的试样，研究了铸造缺陷对疲劳强度的影响。当铸造缺陷超过一定尺寸时，疲劳强度就会明显下降（图13）。因此，必须将铸造缺陷的尺寸控制在有可能导致疲劳强度下降的缺陷尺度以下。

4 活塞疲劳试验结果

用新开发的材料制造若干活塞样品，并进行试验台疲劳试验。试验结果显示，新材料的疲劳强度比传统材料的提高了14%（图14）。因此，采用新开发材料制造活塞能提高发动机的功率，并减轻活塞质量。

5 结语

（1）通过形成均质显微结构，并促使高温稳定性好的化合物在材料中扩散，开发了一种优良的新材料。

（2）为了提高材料强度的稳定性，对影响高温强度的2个因素（即化学成分变化和铸造缺陷）进行了研究，确定了这两个因素所产生的影响。

（3）用新开发材料制造的活塞在试验台疲劳试验中的结果显示，其应力耐久性比传统材料的产品提高了14%。