高强度铝合金活塞时效性能与工作温度关系的研究

陈 慧

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201208)

活塞是发动机的关键部件，在气缸内承受高温、高压爆炸气体的冲击并作往复运动，从而带动曲轴旋转。活塞在工作时，承受高温高压交变冲击的同时，还要承受一定的机械负荷及热负荷，因此对活塞材料具有特殊的要求：热膨胀系数小、密度小、热传导性好，并具有足够的高温强度、耐蚀性、耐磨性、尺寸稳定性等[1- 2]。在用于制造发动机活塞的各类材料中，铸造铝合金的高温力学性能良好，质量小，且便于回收利用，因而成为目前大多数汽油机活塞材料的主要选择。通常情况下，活塞主要有铝- 铜- 镍- 镁系合金、铝- 硅- 铜系合金、铝- 硅- 镍- 镁系合金、过共晶铝- 硅系合金等，目前，使用最多的活塞材料是铝硅系合金[3]。

发动机运行过程中，除了活塞的正常磨损，由活塞异常高温、材质的高温性能等因素造成的发动机失效是目前汽车厂商迫切需要解决的问题。此外，由于对活塞实际工作温度的测量方法也不完善[4]，整装发动机气缸的工作环境也不能被植入温度检测装置，因此，目前仅局限于模拟推算，对活塞在实际工作中的异常过热等现象均难以定性。基于此，本文结合活塞的实际工况，研究了活塞在不同工作温度下的时效性能，以期为活塞零件的选材及热处理工艺的制定提供借鉴。

1 试验材料与方法

气缸燃烧室中燃气温度最高可达2 200 ℃左右，活塞作为发动机热负荷较大的组件之一，在工作过程中活塞顶部温度理论最高达到400 ℃左右[5- 6]。为模拟活塞受热负荷后其实际性能与功能所受到的影响，研究其在不同温度工作后的性能演变机制，将活塞分别在250、300、350、400 ℃保温24及48 h。这一将活塞进行高温加热并保温一定时间使合金性能发生变化的处理过程，也称为铝合金的人工时效。通过研究该高强度铝合金活塞在不同温度时效24及48 h后的硬度和显微组织变化，得到该铝合金活测时效性能与温度之间的关系，进而推测该材质活塞在使用过程中性能的变化。

试验用活塞材料为铝- 硅- 铜系高强度铸造铝合金，对活塞进行本体取样，采用SPECT- ROMAXx直读光谱仪进行化学成分分析，其结果满足技术要求，见表1。活塞外形如图1所示。

表1 活塞的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the piston(mass fraction) %

将常温及在250、300、350、400 ℃分别保温24和48 h的活塞试样沿截面剖开(如图2所示)，采用BRIN200BE布氏硬度计对图2中1～9处的硬度进行测量。

对在不同温度时效的活塞试样的截面进行金相分析，试样经0.5%HF(体积分数)溶液侵蚀后，利用EPIPHOT 300金相显微镜进行观察。

图1 活塞外观Fig.1 Appearance of the piston

图2 硬度测量部位示意图Fig.2 Schematic of positions for hardness measurement

2 试验结果

2.1 硬度

活塞试样在250、300、350、400 ℃时效24和48 h后，其不同部位的硬度分别如表2和表3所示。

2.2 金相分析

活塞试样的室温及在250、300、350、400 ℃时效24和48 h后的显微组织如图3～图7所示。

表2 活塞在不同温度时效24 h后的硬度Table 2 Hardness of the piston aged at different temperatures for 24 h HBW 5/250

表3 活塞在不同温度时效48 h后的硬度Table 3 Hardness of the piston aged at different temperatures for 48 h HBW 5/250

图3 活塞的室温组织Fig.3 Microstructures of the piston at room temperatures

图4 活塞在250 ℃时效不同时间后的组织Fig.4 Microstructures of the piston aged at 250 ℃ for different times

3 分析与讨论

从表2和表3中可见，在相同温度人工时效后活塞不同部位的硬度差异不大，对活塞不同部位的硬度求平均值可得硬度随时效温度的变化规律，如图8所示。由图8可见，在250、300 ℃时效的活塞与室温时效的相比，其硬度急剧下降，在300 ℃时最低；在350、400 ℃时效的活塞，其硬度又呈回升趋势，且在400 ℃时效的硬度与250 ℃时效的相当。此外，在300及350 ℃时效的活塞的硬度随时效时间的变化甚微，但在250和400 ℃时效的活塞的硬度随时效时间的延长而明显降低。

图5 活塞在300 ℃时效不同时间后的组织Fig.5 Microstructures of the piston aged at 300 ℃ for different times

图6 活塞在350 ℃时效不同时间后的组织Fig.6 Microstructures of the piston aged at 350 ℃ for different times

在不同温度时效的活塞的组织基本相似，均为α(Al)相+初生Si相+共晶Si相+CuFeAl7相+Al2Cu相+AlCuNi相+少量Mg2Si相[7]等。进一步观察可发现，350和400 ℃时效的活塞试样组织中，CuFeAl7相、Al2Cu相以及AlCuNi相的相界更圆滑。

综合硬度及金相分析，可知影响活塞在不同温度时效性能的因素主要有：

(1)时效时间。时效温度相同，保温时间越长，硬度越低，在250和400 ℃时效处理后硬度随时间延长而降低更为明显；时效温度为350 ℃时，随着保温时间的延长，组织中的合金相界面变得更加圆润、光滑。

图7 活塞在400 ℃时效不同时间后的组织Fig.7 Microstructures of the piston aged at 400 ℃ for different times

图8 活塞硬度均值随时效温度和时间的变化Fig.8 Variation of average hardness of the piston with aging temperature and time at temperature

(2)合金元素[8]。Si、Mn在Al中固溶度较小且随温度变化不大；Mg在Al中固溶度较大，但由金相照片可知Mg与Al形成化合物后随温度变化不大；Cu的化合物在一定温度时效后有较明显变化。

(3)时效温度[9]。不同温度时效，析出相的临界晶核大小、数量、成分以及聚集长大的速率均不同。温度合适的情况下，具备一定速度的扩散条件，形成合理的原子偏聚区，亦称G.P.区，时效会达到一定的强度和硬度；时效温度过高，扩散较快，过饱和固溶体中析出相的临界晶核尺寸较大，时效后强度和硬度会偏低，成为过时效。但是如果时效温度偏低，扩散速度不足会造成G.P.区不易形成，时效后强度和硬度也会偏低。

(4)铝合金的回归现象。铝合金经淬火、自然时效后，重新加热到一定温度，然后快冷至室温，合金会变软，再在室温下仍会自然时效。合金在自然时效时形成的G.P.区较小，加热到一定温度后，这些小尺寸的G.P.区重新溶入基体，快冷至室温，合金恢复到近似淬火状态，仍可进行自然时效[10- 12]。如本试验中将Al- Si- Cu合金加热到200～300 ℃时会出现强度及硬度降低的现象。300 ℃时效的活塞试样的硬度最低，将活塞放在自然环境中自然时效2个月，再进行布氏硬度测量，测得300 ℃/24 h时效的活塞试样的HBW值为：77.5，77.6，77.9；300 ℃/48 h时效的活塞试样的HBW值为：75.4，75.7，75.8，与之前人工时效的活塞试样硬度差异不大，可见试样未出现回归现象。

4 高温下溶质原子扩散机制推测

目前普遍认为，铝合金时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果[12- 13]。铝合金经固溶淬火后形成过饱和固溶体，过饱和固溶体为一种不稳定状态，要向平衡态转变。由于合金基体中空位的存在，加速了溶质原子的扩散速率，从而形成溶质原子偏聚区。溶质原子偏聚区又称为G.P.区，试样人工时效过程中，溶质原子的扩散过程可以概括为两种：

(1)溶质原子由G.P.区向固溶相中扩散，随着时效温度的升高，组织向平衡态转变的速率提升。

(2)由于G.P.区的形成，远离G.P.区的区域形成了溶质原子的贫乏区，同时温度升高，溶质溶解度增大，溶质原子由共晶相向固溶相中扩散。

在250～300 ℃，过程(1)的速率远远高于过程(2)，温度相对偏低，溶质溶解度变化未达到或者与过饱和固溶体中溶解度相当，过程(2)几乎不发生，即G.P.硬化区的溶质扩散起主要作用，硬度明显降低，在300 ℃左右时出现最低值；在300～400 ℃，过程(1)的速率加快，但溶质溶解度也迅速增大，即G.P.区迅速减少的同时，由共晶相向固溶体中的溶质扩散也加快，固溶强化作用增强，因而硬度提高。

5 结论

(1)活塞在低于400 ℃时效时的显微组织基本一致，均为α(Al)相+初生Si相+共晶Si相+CuFeAl7相+Al2Cu相+AlCuNi相+少量Mg2Si相等；高于350 ℃时效时，随着时效时间的延长，合金相界趋于圆润。

(2)随着时效时间的延长，活塞的硬度显著降低；随着时效温度的升高，硬度先降低后升高，在300 ℃左右最低。

(3)试验活塞未出现铝合金的回归现象，建议参考活塞的实际工作温度重新选定其时效温度及时间。