高功率密度柴油机铝活塞材料与铸造技术

  本文关键词：高功率密度柴油机铝活塞材料与铸造技术，由笔耕文化传播整理发布。

第１期（总第２０４期）

２０１３年２月

车用发动机

ＶＥＨＩＣＬＥＥＮＧｌＮＥ

Ｎｏ．１（ＳｅｒｉａｌＮｏ．２０４）

Ｆｅｂ．２０１３

制造技术

高功率密度柴油机铝活塞材料与铸造技术

侯林冲，彭银江，周灵展，张广明，徐

英，高明灯

（中国兵器科学研究院宁波分院，浙江宁波３１５１０３）

摘要：针对高功率密度柴油机铝活塞性能需求，开发了新型ＷＲ００４Ａ过共晶活塞铝合金，采用挤压铸造工艺和磷变质处理，合金力学性能有显著提高；采用专用机械液体粉碎装置对Ａｌ。０。纤维进行预处理，采用真空过滤方法制作预制件，使用加铜管保护的可溶盐芯预制件，以上技术手段的采用，解决了挤压铸造工艺条件下活塞环槽部

位铝基复合材料和内冷油腔成形工艺难题。

关键词：高功率密度；活塞；铝合金；内冷油腔；铸造

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—２２２２．２０１３．０１．０２１中图分类号：ＴＫ４３５

文献标志码：Ｂ

文章编号：１００１—２２２２（２０１３）０１—００８９—０４

高功率密度（ＨＰＤ）柴油机代表了当今高速、高紧凑发动机技术的最高水平。升功率是衡量功率密度的技术指标，一般的大功率柴油机升功率只有

３０～５０ｋＷ／Ｌ，德国ＭＴＵ８９０高功率密度柴油机升

显改善基体的室温强度；Ｃｕ和Ｎｉ元素大部分存在于Ａｌ固溶体中，对基体产生较大的强化作用，这种作用受热处理影响较小，对基体高温强度有明显影响‘２｜。

近年来，国内外新型活塞Ａｌ合金的研究发展很快。美国航空航天局（ＮＡＳＡ）研制出ＭＳＦＣ一３９８过共晶Ａｌ—Ｓｉ活塞合金和ＭＳＦＣ一３８８共晶Ａ１一Ｓｉ活塞合金，采用了特殊的Ａｌ—Ｓｉ合金变质技术，合金的变质效果非常好，两种合金的典型微观组织见图１。从图１可以看出，ＭＳＦＣ一３９８初晶硅平均尺寸在２０“ＩＴＩ左右，ＭＳＦＣ一３８８共晶硅呈点状弥散分布，少量的初晶硅尺寸在１５“ｍ左右。在２６０。Ｃ和３１５。Ｃ下，强度分别达到２１５ＭＰａ和１８７ＭＰａ，是普通活塞共晶合金的３～４倍。

功率达到９２ｋＷ／Ｌ。高功率密度主要通过提高发动机转速和燃烧压力来实现。高转速和高燃烧压力使得柴油机核心部件活塞的机械负荷、热负荷大幅增加，同时高转速加剧了活塞组摩擦副之间的磨损量，高热负荷则使活塞面临高温强度和冷却问题。

传统的铝活塞采用ＺＬｌ０８，ＺＬｌ０９共晶铝硅合金，第一环槽镶铸高镍铸铁，采用金属型重力铸造成型工艺制造，强度、耐磨性、耐热性、抗疲劳性能很难满足高功率密度发动机性能需求。挤压铸造（又称液态模锻）技术是一种铸锻结合、近净成形的先进工艺技术［１］，结合活塞铝合金材料技术的进步，可实现第一环槽铝基复合材料增强和内冷油道成形，满足高功率密度柴油机高转速、高燃烧压力对活塞强度、耐磨性、耐热性、抗疲劳性等方面的要求。

１

活塞铝合金材料技术的发展

发动机功率密度的提高对活塞Ａｌ合金性能，

图１

ＭＳＦＣ－３９８和ＭＳＦＣ一３８８合金的微观组织

特别是强度和耐磨性的要求进一步提高。在传统Ａ１一Ｓｉ合金（ＺＬｌ０９）的基础上添加少量的Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｇ等元素能够提高合金的力学性能：Ｓｉ能增加基体的强度，降低基体塑性；Ｍｇ在热处理后起到了沉淀硬化剂的作用，能够强化基体，这种强化作用可明

德国马勒公司研发的Ｍａｈｌｅｌ４２活塞合金是在Ｍａｈｌｅｌ２４（相当于ＺＬｌ０９合金）的基础上添加Ｃｕ，Ｎｉ等合金元素，，改善了材料的韧性和高温强度，满足一般大功率发动机活塞的要求。为了满足高燃烧压力的要求，Ｍａｈｌｅ公司在Ｍａｈｌｅｌ４２材料的基础

收稿日期：２０１２－０６—１１；修回日期：２０１２—１２一０５

作者简介：侯林冲（１９６７一），男，研究员，主要研究方向为铝合金及其复合材料；ｌｉｎｃｈｏｎｇｈ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ。

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