关于汽车发动机活塞缸套的工艺分析

关于汽车发动机活塞缸套的工艺分析

现在，由于石油资源的缺乏和污染，提高车辆油耗效率和减少耗气量变得越来越重要。车用燃油发动机的两大组件为活塞(主要是活塞与活塞环)和缸套,它们对材质的要求各有差异。活塞要求其所用材料具备高硬度、高耐磨性、耐高温、抗高温磨蚀以及稳定的热膨胀系数等特性;缸套则要求其材料具有耐高温、耐磨、耐压以及质轻等性能。发动机性能的改善,势必对活塞和缸套在选材及加工方面提出更高的要求。目前,活塞和缸套的材料以铝合金为主,活塞环则以铸铁材料为主;在加工工艺方面主要通过铸造和表面处理来加工活塞组件和缸套。1发动机动力组件材料1.1对al-si合金性能的影响及应用随着发动机向高速度、低能耗方向发展,采用优异的活塞材料尤为重要。目前,车用发动机活塞材料以铝合金为主,其他还有铸铁、铸钢、陶瓷、碳材料等。铝合金的突出优点是密度小,可降低活塞质量及往复运动的惯性,因此铝合金活塞常应用于中、小缸径的中、高速发动机上。与铸铁活塞相比,铝合金活塞导热性好,工作表面温度低,顶部的积炭也较少。目前铝合金活塞材料大致分为4类:Al-Cu-Ni-Mg系、Al-Cu-Si系、共晶型Al-Si-Cu-Mg系及过共晶型Al-SiCu-Mg系。前2类材料由于存在线膨胀系数大、密度大、体积不稳定等缺点已被淘汰。过共晶型铝硅合金含硅量高达17%~26%,密度小,线膨胀系数低,抗磨性及体积稳定性较高,是较理想的活塞材料,但必须添加Na或P进行变质处理才能得到过共晶型组织,以消除材料中存在的粗大块状初晶硅和长针状共晶硅组织,并解决由此引起的基体严重割裂、力学性能恶化、切削加工性能差的问题。然而该过程会降低活塞的热导率,需通过适当的热处理加以改善。通过进一步添加合金元素可强化铝硅合金或改善其加工性能。一些合金元素对Al-Si合金性能的影响列于表1。铝合金活塞由于本身所固有的热强度不高、线膨胀系数相对较大,在柴油发动机上的使用受到限制。因此在大负荷的柴油发动机上,通常采用热强度和耐磨性较高而线膨胀系数较小的铸铁活塞。铸铁材料的金属基体以珠光体为宜,其中所含的石墨为片状、点状或球状。发动机活塞用铸铁还应具有晶粒度的稳定性、抗热裂以及抗腐蚀-疲劳损伤的性能。试验表明:具有细小弥散的金属基体和石墨的铸铁,尤其是含有Cr、Ni、Mo、V、Cu等合金元素的合金铸铁,具有较好的综合性能,其中球墨铸铁活塞强度最高。陶瓷是用于汽车发动机上的新材料,具有质量轻、耐磨、绝热性好、高温强度高等优点。全陶瓷活塞目前还无成功的应用实例,但组合式陶瓷活塞已在特种发动机上得到一定的应用。活塞的陶瓷化大致有2种方式,一种是采用陶瓷镶块,所用陶瓷材料有钛酸铝、氧化锆和氮化硅等;另一种是采用陶瓷涂层,常用材料为氧化锆。铸钢活塞机械强度高,耐热性、耐蚀性及耐磨性均优于铝合金和铸铁,具有较高的高弹性模量,稳定的高温性能和较低的线膨胀系数,但缺点是密度大、成本高,对缸套的磨损严重。为减轻活塞质量,通常将钢制活塞的结构设计得十分复杂,活塞体断面很薄,以使整个活塞的质量比目前镶嵌耐热奥氏体铸铁环槽的铝合金活塞减轻约30%。1.2金属元素和金属指数传输的活塞环活塞环是具有弹性的开口环,分为气环和油环或者是第一道环和第二道环。活塞环材料应具备良好的耐磨性、耐热性、耐蚀性、强韧性、导热性、适当的弹性以及与汽缸材料的磨合性等。目前国内外应用较普遍的活塞环材料主要有铸铁类、钢类、金属陶瓷等。铸铁具有良好的耐磨性,成本低廉,被广泛用于活塞环的制造。活塞环材料以灰铸铁为主,通常加入一些合金元素如Cr、Cu、Mn等,使其硬度达到HRB98~107,其中135系列柴油机活塞环材料成分如表2所列。活塞环的金相组织应以细片状或索氏体的珠光体为基体,使其有足够的机械强度。石墨本身为润滑材料,能吸附润滑油,减少摩擦磨损;并且石墨应分布均匀,呈直线状、螺旋薄片状或团絮状,以利于润滑。活塞环还可采用球墨铸铁,珠光体球墨铸铁具有接近钢的力学性能,其中高硅铁素体球墨铸铁由于高的含硅量,与铁素体结合能形成一个很硬而耐腐蚀的组织,其基体虽以铁素体为主,但其耐磨性不亚于优质灰铸铁,且热稳定性比普通灰铸铁好。对于高速和特别强化的发动机,由于要求较高的弹力和抗冲击性能,一般采用钢制活塞环,且在滑动表面镀铬(配氮化缸套)或经氮化处理(配镀铬缸套)以改善滑动性能。制造活塞环的钢材有高碳钢、锰钢、氮化钢等。但这种活塞环成本较其他种类高,而且很难达到发动机轻量化的要求。用粉末冶金工艺制造的金属陶瓷活塞环具有许多独特的优点,如具有多孔性,保持润滑油的能力强,通过孔隙度的调整及硬质点的配合可以得到弹性模量低而硬度高和耐磨性好的材料,可使润滑剂(如MoS2、石墨等)浸入孔隙内。2缸套材料的选择缸套分为干式和湿式两种。至于某些不需要缸套的整体式发动机,其缸筒除要有良好的耐磨性外,还要耐压,并要求内表面不存在任何铸造缺陷。目前,制备发动机缸套用的材料以铝合金为主,还有铸铁及陶瓷等。铝合金作为发动机缸套和缸体材料,应满足发动机的3个重要性能指标:质轻、导热性好、缸套与缸体的热膨胀率相同。现在广泛应用的铝合金为silfer合金即铝硅过共晶合金,它添加了大量铁和镁元素,能生成硬质相,如初生硅晶体,极大地提高了材料的耐磨性。铸铁的耐高温性能优越,可提高燃油效率。目前缸套用铸铁材料主要为灰铸铁、高磷铸铁、硼铸铁、钒钛铸铁、磷铜钛多元素铸铁、铌铸铁以及蠕铁等,但采用铸铁缸套的发动机耗油量大,限制了其发展。陶瓷缸套具有导热性低、耐高温、耐腐蚀、耐磨、抗氧化等一系列优点。日本五十铃汽车公司开发的绝热陶瓷发动机的缸套采用陶瓷材料。德国Opel公司用陶瓷材料制造了四缸涡流燃烧室柴油机的零件,其中包括缸套。3对发动机动力组件的加工3.1激活加工工艺3.1.1拉伸铸造的特点目前,活塞材料主要是铝合金,而铝合金活塞应用最多的铸造工艺是挤压铸造,还有锻造和金属型铸造,它们各有其优缺点。1)金属型铸造加工简单,生产成本较低,但容易产生缩孔、缩松等铸造缺陷,导致活塞力学性能较低,难以满足使用要求。2)锻造活塞常温力学性能高,高温耐热疲劳性好、塑性好,能满足大功率发动机的要求。但锻造活塞加工量大,生产成本高,仅适用于某些要求较高的大型活塞或高速活塞。3)挤压铸造为介于上述两者之间的铝活塞成形技术,是将液态金属在高压下充型和凝固的精确成形铸造技术,又称为液态模锻。在挤压铸造中,铝液注入型腔时的加压主要是为了消除铸件的缺陷。从图1可看出挤压铸造的显微组织明显比金属模的细密,其原因一方面是由于在压力下,铸件的凝固速度加快。另一方面在压力作用下α树枝晶破碎,导致枝晶间距明显缩短并细化,从而使活塞力学性能显著提高。与传统金属模重力铸造活塞毛坯相比,金属型铸造没有浇冒口,原材料和能源消耗都大大降低,实现了精确铸造,并减少了缩松、缩孔等铸造缺陷。3.1.2基本功能及镀层活塞在工作时容易造成活塞环槽磨损、顶部燃烧室烧毁、活塞裙部擦伤磨损,通过表面处理可降低活塞摩擦因数,或提高活塞表面硬度、强度、耐高温性,从而提高活塞的使用寿命。活塞表面强化方式主要有:1)镀铬。这是最常见的一种提高材料抗磨损性能的方法。铬镀层具有高的硬度和耐磨性,活塞环槽侧面镀铬后,能明显减少环槽的磨损。在温度和载荷中等的发动机上,通过镀铬处理,活塞环槽磨损量减少33%~60%。2)镀锡。活塞表面镀锡可以改善配副摩擦件之间的初期磨损性能,降低配副间的摩擦因数,从而达到减低活塞表面磨损量的目的。活塞镀锡一般采用化学镀的工艺,此工艺特别适用于像活塞这种形状复杂的零件表面电镀处理。3)微弧氧化。通过微弧氧化把基体金属直接烧结成氧化物陶瓷膜,使材料硬度和表面耐磨性都大大提高。微弧氧化膜既具有陶瓷膜的高性能,又保持了阳极氧化膜与基体的结合力。4)激光处理。首先在铝活塞表面涂敷含有镍、铬等合金元素的预涂敷材料,然后进行激光热处理,使铝活塞环槽表面形成一层硬度高、耐磨性好的合金层。5)等离子喷涂。它适用于活塞顶部,材料为Al2O3、ZrO2等陶瓷。这些材料本身能承受很高的温度而不会发生氧化和软化,并具有低导热系数。通过等离子喷涂能有效提高活塞顶部的耐热性,防止顶部烧损及产生裂纹。3.2活塞环加工工艺3.2.1椭圆铸造技术发动机活塞环加工主要采用球墨铸铁活塞环的铸造工艺,该工艺可分为以下4种:1)双片椭圆铸造工艺。此工艺是德国格茨公司于1965年开发出来的,其突出优点是内外圆和端面的加工余量不大,双片毛坯产生的心部缩松在切片时被切去,得到没有缩松缺陷的单片毛坯。椭圆毛坯直接进行内外圆仿形加工,环的压力曲线分布合理,热稳定性和使用可靠性高,适用于大批量生产,工艺简单,生产成本低,是目前最先进的铸造工艺。2)四片椭圆短筒体铸造工艺。格茨公司于1996年开始在双片铸造工艺基础上成功开发此工艺,它采用三工位自动或半自动造型机造型。与双片楕圆铸造工艺相比,四片铸造的生产效率更高,而且可以节省型砂和减少清理工作量。3)椭圆短筒体铸造。这是日本NPR公司开发的铸造技术,每个型砂箱可布置10~30个短筒体环模,生产效率很高。4)单体椭圆铸造。适合于小缸径摩托车环和微型车环的制备,其造型生产率高,不需要切片,可以直接磨削加工。3.2.2al-si合金改性的活塞环1)表面电镀Cr。表面镀Cr可使活塞环寿命延长3~5倍,且气缸磨损量减少1/2;Cr层摩擦因数较小,对燃烧产物硫酸等的耐蚀性很高。但镀Cr过程的毒性大,能耗高,镀Cr层极脆易脱落,造成气缸损伤,所以该工艺将逐渐被淘汰。2)钢质活塞环的氮化处理。与镀Cr相比,该处理工艺便宜、可靠且环保。活塞环经氮化处理后形成铁和铬等的氮化物硬质表层,耐磨性远高于镀铬环。氮化处理工艺有气体氮化、等离子氮化和QPQ盐浴氮化等。3)表面喷Mo。采用火焰喷涂或等离子喷涂的方式在活塞环表面喷Mo后,活塞环不易拉伤缸体,且耐磨粒磨损。Mo粉中加入Cu粉和Al-Si合金粉末所获的涂层中能形成CuAl2和Cu9Al4等减磨相,使涂层具有更优良的耐磨性能。4)表面陶瓷涂层强化。基于陶瓷材料热稳定性好、硬度高,对活塞环外圆表面进行等离子喷涂陶瓷涂层,可提高活塞环的耐磨、抗擦伤、耐高温和耐腐蚀性。AEGoetze公司研制出的涂料CKS-36,是在Cr基上均匀分布含有AlN陶瓷颗粒的复合陶瓷涂层,这种涂层的钢质活塞环已经应用于中速柴油机上。4u2004生产技术缸套铸造分为型砂铸造和离心铸造,前者正逐渐被后者所取代。缸套产品的整个生产过程如图2所示。将铸型预热到300℃后,将定量的涂料从铸型内孔小端一侧分数次缓慢注入离心机,以保证涂料层厚度均匀。浇注时倘若速度过快,易出现双面结晶,铸件中间形成疏松,而速度过慢则易形成氧化夹层。金属型加热温度也对铸件质量有较大影响,一般控制在200~350℃范围内。离心铸造使得产品缺陷得到控制,力学性能优越,成本低廉,并能提高缸套的耐磨性、致密性及强度。强化发动机缸套表面的主要工艺方法有:1)德国戴-克公司的过共晶Al-Si合金或Al-Si复合体涂覆法。该法适用于涂覆内燃发动机铝合金缸套壁,其涂层是由固态Al、Si沉积物、金属间相和氧化物构成的不均匀层状结构。通过热喷涂,可提高材料的粘附力和耐磨性。2)台湾三阳公司发明的全铝复合电镀缸套法。它要求首先制备缸套坯体模具,再制备铝金属液,然后施行压铸制造,使铝金属液进入汽缸坯体模具以形成汽缸胚体;再通过电镀使汽缸坯体内表面形成Ni-SiC复合镀层,从而使缸套具有高耐磨及耐高温性。3)激光珩磨法。它利用具有一定能量密度的激光束,有针对性地进行缸套表面微观几何结构造型,属于激光精细加工。江苏理工大学张朝阳等利用激光对缸套表面进行珩磨,降低缸套摩擦损失和燃油耗,提高密封性,降低机油耗以及减少催化器的污染和颗粒排放。5生产高效率的方向发展随着能源紧张及环保形势