活塞發(fā)展方向

1、活塞發(fā)展和基本知識(shí) 序近年來(lái)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、平均有效壓力和活塞平均速度都較以前有了大幅度的提高，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷都增加了。而活塞由于在發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要作用，在設(shè)計(jì)和制造方面也有了很大的改變和提高?；钊髽I(yè)里的廣大技術(shù)人員由于缺乏對(duì)活塞專(zhuān)業(yè)知識(shí)的了解，又苦于無(wú)這方面的專(zhuān)業(yè)書(shū)籍幫助自己提高，另外同行間的技術(shù)交流，目前由于種種原因越發(fā)困難。因此，技術(shù)人員的業(yè)務(wù)提高，特別是在新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用上和實(shí)際問(wèn)題的解決能力上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了公司領(lǐng)導(dǎo)的發(fā)展要求和活塞市場(chǎng)的苛刻要求。針對(duì)以上問(wèn)題，本人匯集了多年來(lái)活塞方面的論文、論點(diǎn)、文章，結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)其他優(yōu)秀技術(shù)人

2、員的技術(shù)，匯集編寫(xiě)了這本小冊(cè)子，供同行參考學(xué)習(xí)，使大家在掌握活塞基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)路上少走彎路。一活塞在設(shè)計(jì)方面的改變1 活塞高度現(xiàn)在活塞的高度正在逐漸縮短，活塞直徑許多已大于活塞高度；壓縮高也不斷縮短，活塞上的這些改變，縮短了機(jī)體和整機(jī)的高度，提高了機(jī)體和整機(jī)的剛性，減小了發(fā)動(dòng)機(jī)體積、重量、金屬消耗量和成本，而且減小了往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量、慣性力和主軸承負(fù)荷。另外，活塞高度縮短以后，活塞組重量也可減輕?，F(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)各活塞組總重量一般占整機(jī)重量的1.23.0。2 活塞環(huán)數(shù)近年來(lái)，為了減少摩擦功，提高機(jī)械效率，減小環(huán)區(qū)高度從而縮短活塞壓縮高和總高度，活塞環(huán)數(shù)日趨減少。從三十年代的56道環(huán)槽發(fā)展到現(xiàn)在的23道環(huán)槽。

3、研究發(fā)現(xiàn)，壓縮環(huán)多于一道是沒(méi)有必要的，因?yàn)橐坏┥系缐嚎s環(huán)失效，其它的壓縮環(huán)就不能密封燃燒室的氣體，使之不漏入曲軸箱，也不能控制機(jī)油沿汽缸壁向上竄入燃燒室。所以與其增加活塞環(huán)數(shù)，還不如采取措施提高活塞環(huán)的使用性能，用一道壓縮環(huán)和兩道油環(huán)槽來(lái)確保完成密封燃?xì)夂涂刂茩C(jī)油的作用。3 火力岸火力岸高度有適當(dāng)加高的趨勢(shì)，特別是燃燒室布置在活塞頂內(nèi)的半分開(kāi)式燃燒室柴油機(jī)。為防止頂環(huán)積炭和膠粘，又要求第一環(huán)槽溫度不能過(guò)高，為此，除采用環(huán)槽鑲?cè)ν?，火力岸有放長(zhǎng)的趨勢(shì)，而且強(qiáng)化程度越高這種趨勢(shì)越明顯。為了減少燃?xì)鈱?duì)第一環(huán)槽的強(qiáng)烈加熱，在柴油機(jī)活塞上，常在火力岸周邊上車(chē)出螺旋形淺溝槽，利用迷宮降壓原理減少燃?xì)庋鼗钊?/p>

4、與汽缸套間隙下竄。4 活塞頂部活塞頂厚一般趨向減薄。主要受到承受燃燒壓力和減小溫度梯度這兩個(gè)互相矛盾的因素所制約。厚度過(guò)薄，承受機(jī)械載荷能力差，會(huì)引起機(jī)械變形；厚度太厚，則溫度梯度過(guò)大，引起熱應(yīng)力和熱變形過(guò)大。所以活塞頂厚隨發(fā)動(dòng)機(jī)最高燃燒壓力、缸徑、是否有油冷、以及燃燒室形式而變?；钊攦?nèi)壁采用熱流型，即從活塞頂部到環(huán)區(qū)側(cè)壁的過(guò)渡圓弧半徑較大，有的還加支撐筋（一般為4條），目的是使活塞頂部熱量能更流暢地傳至環(huán)區(qū)和銷(xiāo)座（支撐筋還有加強(qiáng)活塞剛度和強(qiáng)度的重要作用），從而減少第一道環(huán)及環(huán)槽的受熱，提高活塞組關(guān)鍵部位的可靠性。5 活塞銷(xiāo)座銷(xiāo)座部位獲得加強(qiáng)并適當(dāng)放大活塞銷(xiāo)直徑，銷(xiāo)座與環(huán)區(qū)的連接部位是應(yīng)力集

5、中的危險(xiǎn)斷面區(qū)。現(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)鋁合金活塞中應(yīng)力最大的部位在銷(xiāo)座，疲勞裂紋往往出現(xiàn)在銷(xiāo)孔頂部，并沿著活塞銷(xiāo)座的縱向平面延伸。在該區(qū)域采用大圓弧過(guò)渡，旨在減少應(yīng)力集中，也增加受力面積。在強(qiáng)化機(jī)型中通常還用4根筋把活塞銷(xiāo)座與活塞頂部直接連接起來(lái)，以直接傳遞一部分負(fù)荷，減輕上述危險(xiǎn)部位的載荷?；钊N(xiāo)直徑有稍加放大的趨勢(shì)，目的也是增加銷(xiāo)與銷(xiāo)座的承壓面積。缸徑越大、發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度越高，活塞銷(xiāo)直徑與缸徑之比也越大。6 活塞型面活塞型面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性影響極大，因此在設(shè)計(jì)新發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)確定活塞型面是一項(xiàng)重要的研究課題?；钊兔鎸?duì)氣缸壁的摩擦、由活塞敲擊引起的噪聲，以及環(huán)隙對(duì)冷油機(jī)中碳?xì)浠衔锏男纬珊蛯?duì)柴油機(jī)中空氣

6、利用和壓縮比均有重要影響，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。活塞型面又與拉缸、擦傷以及裙部變形而引起機(jī)油耗增大和竄氣量增大密切相關(guān)，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性?；钊兔鎻淖畛醯亩喽握龍A柱逐漸演變到現(xiàn)在的環(huán)帶多段正圓錐和漸變橢圓錐，裙部漸變桶面橢圓錐。裙部形狀一般為桶面-橢圓形。桶的軸線與活塞軸線重合，垂直于軸線的活塞截面外周是橢圓形，短軸沿活塞銷(xiāo)方向。有些活塞裙部做成多級(jí)連續(xù)橢圓錐、多級(jí)連續(xù)特殊圓等。桶面裙部的優(yōu)點(diǎn)是均布機(jī)油、抗拉缸、防竄油、油膜承載能力大、減少摩擦功和摩損。然而確定最佳型面是一個(gè)極其繁復(fù)的過(guò)程，需要反復(fù)進(jìn)行各種試驗(yàn)，往往要花很長(zhǎng)的時(shí)間。傳統(tǒng)的方法是通過(guò)對(duì)活塞溫度場(chǎng)和剛度分析，使用有限元法并根

7、據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)繪制出一個(gè)活塞型面，然后將所得到的試驗(yàn)樣品裝入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行活塞磨痕試驗(yàn)，觀察活塞和缸套上的磨痕。經(jīng)過(guò)逐次逼近，最終即可定出最佳活塞型面?？墒怯捎诨钊倪\(yùn)動(dòng)、各種有關(guān)因素引起的熱變形，活塞還可能受到由缸蓋螺釘擰緊力矩、冷卻不均勻、氣缸壁溫度分布等引起的氣缸壁變形的影響，以及各缸燃燒不均勻等影響，還有活塞本身的特性（如剛度、自動(dòng)控制熱膨脹活塞的膨脹率隨活塞截面不同而變化）都使型面的確定增加了難度?，F(xiàn)在采用將復(fù)合材料涂在尺寸較小的試驗(yàn)活塞表面上，使活塞裙部與氣缸壁間隙接近于零。在發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率下進(jìn)行磨痕試驗(yàn)。試驗(yàn)后留下來(lái)的復(fù)合材料所確定的型面即作為最后的活塞型面。用這種方法只需要作一次磨痕試

8、驗(yàn)即可確定最佳活塞型面。大大節(jié)省了研制時(shí)間，此外還可以從試驗(yàn)活塞磨損部位的磨痕定量分析磨損強(qiáng)度。7 活塞裙部結(jié)構(gòu)活塞裙部既要承受連桿的側(cè)向推力，又要保證活塞的良好導(dǎo)向，所以要有充分的承壓面積以形成足夠厚度的潤(rùn)滑油膜。既不因間隙過(guò)大而發(fā)生敲缸，引起噪聲和加速磨損也不因間隙過(guò)小而發(fā)生拉缸。趨向是采用薄壁加筋，既減輕重量又保證具有足夠剛度防止變形?；钊共颗c汽缸壁表面的接觸面積直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失。然而接觸面積小則油膜厚度也減小，當(dāng)油膜厚度小于二個(gè)接觸表面不平度的均方根值時(shí)就會(huì)發(fā)生邊界潤(rùn)滑，導(dǎo)致摩擦功增大?？s短活塞裙部可以減小接觸面而降低摩擦功，但會(huì)增大活塞的晃動(dòng)而造成裙頂和裙底的接觸應(yīng)力升高

9、。也惡化活塞的工作性能。為了解決這些問(wèn)題，英國(guó)AE集團(tuán)的沃爾沃公司發(fā)展了一種在活塞裙頂和裙底加工出若干“凸臺(tái)”，這種方法可以提高裙部的疲勞壽命，因?yàn)槿鬼敽芨叩膫?cè)推力所產(chǎn)生的彎矩比原來(lái)結(jié)構(gòu)要低。這種設(shè)計(jì)可以減少接觸面積75以上，在寬廣的負(fù)荷和溫度范圍內(nèi)保持接觸面積和裙部剛性不變，并通過(guò)改善潤(rùn)滑而減小拉缸傾向，通過(guò)降低機(jī)械變形而提高疲勞壽命。意大利都靈的包戈公司進(jìn)一步發(fā)展了一種“X”型裙部活塞。即在裙部推力側(cè)每邊上下各保留兩條導(dǎo)向帶，用筋與活塞銷(xiāo)座和活塞頂相連接。裙部面積減小到傳統(tǒng)活塞的13，重量減輕20以上，顯著降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失，降低燃耗油2，并可以提高輸出功率。8 防脹活塞活塞各部位的不

10、同工作溫度和鋁合金活塞與鑄鐵缸套膨脹特性的不同，造成了控制活塞裙部與缸套間隙的困難。最有效的裙部形狀也無(wú)法克服活塞與汽缸之間的不同膨脹率。而且在發(fā)動(dòng)機(jī)最大負(fù)荷下所確定的最小間隙在部分負(fù)荷下也會(huì)造成過(guò)大的間隙而產(chǎn)生敲缸噪聲和機(jī)油耗增加。為了控制活塞裙部的配缸間隙，使之既不太小而引起拉缸咬缸，又不太大而引起噪聲和振動(dòng)，在活塞裙部和銷(xiāo)座之間對(duì)稱(chēng)地埋鑄一對(duì)鋼片，并將鋼片沿著裙部周?chē)m當(dāng)延伸，鋼片與周?chē)牟牧弦黄饦?gòu)成雙金屬片，受熱膨脹時(shí)沿活塞銷(xiāo)軸線垂直方向收縮。這種活塞在環(huán)槽與裙部的過(guò)渡段不開(kāi)隔熱槽，熱流可順暢地傳到裙部，所以第一道環(huán)槽區(qū)的溫度比開(kāi)槽活塞低，強(qiáng)度也比較高。目前，鋁合金活塞廣泛采用裙部鑲鋼

11、片或鋼圈的方法來(lái)控制熱膨脹。9 活塞的冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化度的提高使活塞工作溫度相應(yīng)升高，頂環(huán)槽溫度在220以上就可能產(chǎn)生積炭和結(jié)膠，引起活塞環(huán)粘結(jié)和拉缸；溫度超過(guò)180，鋁合金材料的強(qiáng)度很快下降，可能引起活塞頂支撐部和活塞銷(xiāo)座軸承部分高負(fù)荷區(qū)損壞。通常標(biāo)定工況的平均有效壓力超過(guò)1.034 Nmm2，活塞就需要冷卻?，F(xiàn)在的活塞經(jīng)常采用鑄入鋼質(zhì)冷卻盤(pán)香管或用可溶性鹽芯及電子束焊接制成整圈冷卻腔。10 活塞的幾種失效模式：1） 活塞的磨損量超過(guò)允許值，會(huì)使功率、速度降低，油耗增加以致敲缸。2） 銷(xiāo)孔中心與裙部橢圓中心的垂直度超差，使用中產(chǎn)生扭力矩使活塞變形，產(chǎn)生拉缸。3) 熱穩(wěn)定性差，由于長(zhǎng)期在高溫下工

12、作，等于在繼續(xù)時(shí)效和穩(wěn)定化處理，活塞膨脹，原有0.05mm的配缸間隙消失，導(dǎo)致咬缸。4) 頭道環(huán)槽磨損，使活塞環(huán)失去彈性，無(wú)封閉作用?？偨Y(jié)以上所說(shuō)，在活塞的設(shè)計(jì)方面，活塞型面和活塞銷(xiāo)座的改變、活塞頂部的增厚、活塞高度的縮短等，正逐漸向“矮胖”方向發(fā)展1） 為了提高剛性，發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)高度在縮短變“矮”主要措施是縮短活塞裙部和減少環(huán)槽數(shù)，后者可使壓縮高度減小2） 發(fā)動(dòng)機(jī)本身在不斷強(qiáng)化，所以活塞的性能必須相應(yīng)增強(qiáng)變“胖” 主要是指各部分的壁厚都在不斷增加，過(guò)渡圓角處的R也在增大3） 由于發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速化，活塞必須減輕重量，以減小慣性力盡管壁厚在增大，活塞的整個(gè)重量卻在不斷減輕，這是由于整個(gè)活塞高度縮

13、短所引起的重量降大于因壁厚增加引起的增重之故由于活塞結(jié)構(gòu)變“矮胖”，使活塞的表面積對(duì)于整個(gè)體積來(lái)說(shuō)比例縮小了，所以不利于活塞的散熱。為保證活塞不被燒熔和正常潤(rùn)滑，除了在設(shè)計(jì)方面必須采取一些措施外，以減輕其熱負(fù)荷；活塞在制造方面也必須有所改變和提高，如活塞的材料、鑄造和機(jī)加工，以滿(mǎn)足其對(duì)熱負(fù)荷的要求。另外，還通過(guò)對(duì)活塞進(jìn)行一些表面處理來(lái)提高儲(chǔ)油性，改善潤(rùn)滑條件。二活塞在制造方面的改變1. 活塞材料活塞材料有“Y” 合金（鋁銅合金）、亞共晶鋁硅合金、共晶鋁硅合金、過(guò)共晶鋁硅合金。目前“Y” 合金和亞共晶鋁硅合金這兩種材料已很少使用，主要是體積穩(wěn)定性和耐磨性差?，F(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的是共晶鋁硅合金。鋁合金

14、 為了滿(mǎn)足各種工程的需要，鋁中大都加入某些元素，以獲得所需要的性能。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，鑄造鋁合金分為4類(lèi)（采用的代號(hào)）A鑄造鋁 硅合金 ZL 1×× B鑄造鋁 銅合金 ZL 2××C鑄造鋁 鎂合金 ZL 3×× D鑄造鋁 鋅合金 ZL 4××第一個(gè)字母“Z”代表鑄造，第二個(gè)字母“L”代表鋁合金，第一個(gè)數(shù)字“1；2；3；4”分別代表鋁 硅；鋁 銅；鋁 鎂；鋁 鋅，第二、三個(gè)數(shù)字是各合金的序列號(hào)，有時(shí)ZL后面還有字母“D”，它代表錠的意思。如：ZLD108 8號(hào)鑄造鋁硅合金錠ZL302 2號(hào)鑄造鋁鎂合金制造活塞主要采用的材

15、料是鑄造鋁硅合金，因此，我們必須了解鋁硅合金的各種性能。根據(jù)硅含量的不同，鋁硅合金分為：A）亞共晶鋁硅合金：含硅量低于10亞共晶由于含硅量較低，所以鑄造中如果模具具有一定冷卻速度的話，可省去變質(zhì)處理工藝，同時(shí)，熱處理也可省去固溶處理工藝，即直接時(shí)效即可。該材料盡管鑄造和熱處理的成本低于其他材料，但由于亞共晶鋁硅合金的熱穩(wěn)定性和耐磨性差，已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代活塞的發(fā)展要求，所以現(xiàn)已基本不用。B）共晶鋁硅合金：含硅量在1114共晶鋁硅合金常常用鈉、鍶、稀土等變質(zhì)劑來(lái)細(xì)化合金組織，提高機(jī)械性能。應(yīng)用最廣泛的是鈉鹽變質(zhì)劑，鈉鹽在細(xì)化合金組織的同時(shí)，也增加了鋁液的粘度、增加了鋁液的吸氣。鈉鹽變質(zhì)后，常溫下機(jī)械

16、性能提高很多，但高溫下機(jī)械性能提高有限。共晶材料采用鈉、鍶、稀土等變質(zhì)劑變質(zhì)后，得到的是亞共晶的組織，但采用磷變質(zhì)后，可以得到過(guò)共晶的組織。因?yàn)榈玫降氖沁^(guò)共晶的組織，所以活塞的使用性能在各方面都得到提升。共晶鋁硅合金將以前的鈉、鍶、稀土等變質(zhì)劑改變?yōu)榱鬃冑|(zhì)后，是活塞材料中應(yīng)用最廣泛的。C）過(guò)共晶鋁硅合金：含硅量在1723隨著含硅量的增加，活塞的耐磨性、熱穩(wěn)定性等都得到提高，但為了細(xì)化初晶硅，達(dá)到活塞所需要求，使熔化（鋁液熔煉溫度的提高、變質(zhì)劑的改變、精煉要求的提高、鋁液澆鑄溫度的提高等）的鑄造成本增加，另外隨著活塞硬質(zhì)點(diǎn)的增加，機(jī)加工過(guò)程中刀具的磨損也增加，由于綜合成本過(guò)高，所以除了有特殊要求

17、的產(chǎn)品外，一般不采用該材料。硅在合金中的作用：1） 對(duì)鑄造性能的影響流動(dòng)性：隨著含硅量的增加而提高；氣密性：隨著含硅量的增加而增大，在共晶成分時(shí)表現(xiàn)出最好的氣密性；體收縮和熱裂性：隨著含硅量的增加而減小，在共晶成分時(shí)表現(xiàn)出最高的抗熱裂性；疏松：亞共晶的凝固方式屬于同時(shí)凝固，而共晶成分的鋁硅合金凝固方式屬于順序凝固，（過(guò)共晶介于兩者之間），因此表現(xiàn)出的疏松形式不同，亞共晶材料的疏松往往是“發(fā)白”或“凹陷”，而共晶材料的疏松是“孔洞”。2） 對(duì)機(jī)械性能和加工性能的影響共晶成分中，共晶硅常以粗大的長(zhǎng)條狀或針狀出現(xiàn)，嚴(yán)重地影響了合金的機(jī)械性能和加工性能，所以在熔化過(guò)程中，常常加入鈉、鍶、銻、稀土等變質(zhì)

18、劑，細(xì)化組織來(lái)提高合金的機(jī)械性能和加工性能。在過(guò)共晶成分時(shí)，粗大的初晶硅是惡化機(jī)械性能和加工性能的主要因素，所以在熔化過(guò)程中，常常加入磷變質(zhì)劑進(jìn)行處理，來(lái)提高合金的機(jī)械性能和加工性能。隨著含硅量的增加，如果不進(jìn)行變質(zhì)處理，將會(huì)惡化機(jī)械性能和加工性能。亞共晶鋁硅合金由于含硅量較低，固不需要變質(zhì)處理。3） 對(duì)耐磨性和陽(yáng)極氧化處理的影響隨著含硅量的增加，耐磨性提高；隨著含硅量的增加，陽(yáng)極氧化處理質(zhì)量下降。其它元素在合金中的作用：鋁硅合金中除了添加硅外，還添加了銅、鎂、鎳、錳、鈦等元素，各元素在合金中的作用：銅的加入，使合金的高溫性能提高，但合金的耐腐蝕性能降低。當(dāng)含銅量含鎂量2時(shí)，使合金可經(jīng)熱處理固

19、熔強(qiáng)化。鎂的加入，使合金可經(jīng)熱處理強(qiáng)化，但少量的鎂起不到強(qiáng)化作用，而過(guò)量的鎂使合金的延伸率下降。鎳的加入，提高合金的耐熱性和降低形成針孔的傾向。錳的加入，可以消除鐵的有害作用，另外也能提高合金的耐熱性。鈦和硼的加入，能細(xì)化晶粒，改善流動(dòng)性，但易形成高熔點(diǎn)難熔金屬間化合物的沉淀。鈹?shù)募尤?，?540 PPm）能優(yōu)先氧化，提高了鋁液表面氧化膜的致密度，有效防止鋁液的氧化和吸氣。釩的加入，（400500PPm）能抑制自然時(shí)效現(xiàn)象和提高抗應(yīng)力腐蝕性能。合金中的鐵、鈣、硫、鈉等都屬于雜質(zhì)元素。新金屬料的主要雜質(zhì)鋁- 銀白色；硅和鐵 銅- 紫紅色；鉍、銻和砷鎂- 銀白色；硅和鐵、其他堿金屬 硅- 深棕色；

20、鐵、鈣和鋁錳- 銀白色；硅、磷、銅和鐵 鎳- 灰白色；鈰、硫和碳其他材料從材料方面來(lái)看，盡管采用了熱膨脹系數(shù)比較低的鋁硅合金，但是，由于鋁硅合金的主要成分是鋁，所以其耐熱強(qiáng)度有一定限度，因此在考慮活塞材料結(jié)構(gòu)時(shí)，大致可根據(jù)活塞單位面積的功率大小來(lái)選擇：活塞單位面積的功率 < 0.33馬力CM2 時(shí)，一般用整體式鋁硅合金，噴嘴噴油冷卻；活塞單位面積的功率 < 0.42馬力CM2 時(shí)，還是用整體式，但頭部設(shè)置冷卻油道；功率再大的活塞一般采用組合式，即頭部用鋼或球墨鑄鐵，裙部用鋁硅合金；或者整體用鑄鐵活塞。主要活塞材料特點(diǎn)A鑄造鋁硅合金活塞鋁硅合金的優(yōu)點(diǎn)是密度小，可大大減少活塞的質(zhì)量及往

21、復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力，因此鋁硅合金活塞常常應(yīng)用于中、小缸徑的中、高速內(nèi)燃機(jī)上，尤其以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中居多。在同樣強(qiáng)度的情況下，它比鋼鐵材料輕許多。因此，采用鋁硅合金制作的活塞工作過(guò)程中產(chǎn)生的慣性小，對(duì)高速內(nèi)燃機(jī)的減振和降低內(nèi)燃機(jī)的比質(zhì)量有著重要的意義。此外，質(zhì)量較低的鋁硅合金活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)缸壁的側(cè)壓力和沖擊力也較小，這樣可以減小活塞組與缸壁以及活塞銷(xiāo)的摩擦力，并降低它們的磨損量。鋁硅合金的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好，工作時(shí)，活塞表面溫度比鑄鐵的低，而且活塞頂部的積炭也較少。B鑄鐵活塞現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)尤其是柴油機(jī)，為了大幅度地提高其熱效率，增壓程度不斷地提高，這使得氣缸內(nèi)部的熱負(fù)荷明顯增大。這使鋁硅合金活塞本身所固

22、有的熱強(qiáng)度不高、線膨脹系數(shù)較大的缺點(diǎn)越來(lái)越突出，鋁硅合金活塞在柴油機(jī)上的使用范圍受到明顯的限制。為此，在一些大負(fù)荷的柴油機(jī)上，開(kāi)始采用熱強(qiáng)度和耐磨性較高而線膨脹系數(shù)較低的鑄鐵活塞。鑄鐵的密度約為鋁硅合金的3倍。與鋁硅合金相比，它有較低的熱膨脹系數(shù)及較高的高溫力學(xué)性能?；钊亓康脑黾又辽倏梢圆糠盅a(bǔ)償為鑄鐵活塞顯著提高的熱強(qiáng)度，熱強(qiáng)度的提高可以容許更小的截面積。通常，鑄造活塞用的鑄鐵，其金屬基體以珠光體為宜。其中，所含的石墨以片狀、點(diǎn)狀和球狀分布均可。另外，在鑄造狀態(tài)下，其顯微組織中可能具有奧氏體或貝氏體。對(duì)內(nèi)燃機(jī)用的活塞鑄鐵，除上述要求外，還應(yīng)具有晶粒度的穩(wěn)定性以及抗熱裂紋和腐蝕-疲勞損傷的性能

23、。C鑄鋼活塞鑄鋼的機(jī)械強(qiáng)度高，耐熱性、耐腐蝕性以及耐磨性均優(yōu)于鋁硅合金和鑄鐵，具有高的彈性模量，優(yōu)良而穩(wěn)定的高溫性能和比較低的線膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是密度大、加工麻煩、成本高，對(duì)缸套的磨損嚴(yán)重。為使活塞質(zhì)量更輕，通常將鋼制活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的十分復(fù)雜，活塞體斷面很薄。由于省去了大量的材料，整個(gè)活塞的質(zhì)量比目前鑲嵌耐熱奧氏體鑄鐵環(huán)槽的鋁硅合金活塞約輕30，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。制造工藝上，需要設(shè)計(jì)好鑄造工藝，以使得活塞體中較薄的截面都能準(zhǔn)確鑄成且成品率較高，同時(shí)變形小?？傊?，活塞材料應(yīng)滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)要求：（1）密度較小，以降低活塞的往復(fù)慣性力；（2）較小的熱膨脹系數(shù)，以減小活塞與氣缸壁的間隙，保證熱車(chē)時(shí)

24、不拉缸，冷車(chē)時(shí)活塞不敲擊氣缸壁（3）既有較小的從燃?xì)馕鼰岬哪芰?，又有較大的熱傳導(dǎo)系數(shù)，以減低活塞頂部和環(huán)區(qū)的溫度；（4）耐熱性高，在高溫下材料有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；（5）良好的減摩性能與耐磨耐腐蝕性能；（6）價(jià)廉，工藝性能良好。2 活塞鑄造活塞毛坯成形方法，不外乎以下幾種：重力金屬模鑄造、壓力鑄造（低壓鑄造和液態(tài)模鍛）、半鍛造法、熱擠壓成形法。重力金屬模鑄造至今仍是發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的主要成形方法。但國(guó)外一些活塞制造專(zhuān)家認(rèn)為，高壓鑄造即液態(tài)模鍛是今后的發(fā)展方向。其理由是在液態(tài)或半液態(tài)條件下施加壓力（7001200 Kgcm2），使鋁液快速凝固，從而得到細(xì)密的金屬組織，改善活塞的機(jī)械性能，另外毛坯質(zhì)量比較穩(wěn)

25、定，能有效地克服普通鑄造中常出現(xiàn)的氣孔和補(bǔ)縮不夠引起的縮松，且加工余量小?，F(xiàn)在，一些形狀簡(jiǎn)單，特別是內(nèi)腔比較簡(jiǎn)單的活塞，如空壓機(jī)和重載用途類(lèi)的活塞，常常采用壓力鑄造來(lái)完成。1）手工金屬模重力澆鑄所有動(dòng)作全部靠人工完成，上抽芯，底板通水（沖水）冷卻，模芯和銷(xiāo)子人工淬水冷卻。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低、上馬快，適合小批量、多品種、產(chǎn)品壁厚差小、薄壁活塞鑄件。缺點(diǎn)是宏觀組織不穩(wěn)定（特別是銷(xiāo)座壁厚處）、澆冒口和鑄件比大（燃料、鋁耗增加）、操作工勞動(dòng)強(qiáng)度大、產(chǎn)品質(zhì)量受人為因素影響大、鑄件尺寸精度和一致性差等。2）半自動(dòng)澆鑄機(jī)除了澆鑄、取件、按鈕、放過(guò)濾網(wǎng)是人工外，其余都由澆鑄機(jī)自動(dòng)完成。由于采用了下抽芯，外模、模

26、芯、銷(xiāo)子、頂模均可按照凝固要求進(jìn)行冷卻，所以鑄件質(zhì)量（合格率）和生產(chǎn)效率大大提高。它的優(yōu)點(diǎn)是適合大批量、少品種的生產(chǎn)、鑄件質(zhì)量穩(wěn)定、澆冒口和鑄件比小、操作工勞動(dòng)強(qiáng)度小。缺點(diǎn)是一次性在設(shè)備、模具和輔助設(shè)備上的投入較大，需挖地坑或搭操作平臺(tái)、設(shè)備模具的維修力量需加強(qiáng)。上抽芯半自動(dòng)澆鑄機(jī)也有，可省去挖地坑或搭操作平臺(tái)，設(shè)備也簡(jiǎn)單，但宏觀、金相組織不如下抽芯澆鑄機(jī)。3）全自動(dòng)澆鑄機(jī)一開(kāi)始的全自動(dòng)澆鑄機(jī)概念是澆鑄、取件、開(kāi)合模不需人工完成，而現(xiàn)在的全自動(dòng)澆鑄機(jī)增加了設(shè)備的傾斜、放置過(guò)濾網(wǎng)、鑲?cè)Φ臐B鋁和放置、鋼片的預(yù)熱和放置、鑄態(tài)淬火、去澆道等全部由澆鑄機(jī)和機(jī)械手自動(dòng)完成。澆鑄機(jī)械手也從以前的澆鑄一模一腔

27、，發(fā)展到現(xiàn)在的四模八腔，生產(chǎn)效率大為提高。3 活塞熱處理熱處理能提高活塞的強(qiáng)度，消除鑄造、機(jī)加工引起的內(nèi)應(yīng)力，改善體積穩(wěn)定性，是保證必要的機(jī)加工性能的重要的工藝措施之一?；钊麩崽幚碛袃蓚€(gè)過(guò)程：時(shí)效處理和淬火處理（固溶），淬火處理又可以分為鑄態(tài)淬火和人工淬火兩種。不管什么材料或活塞，時(shí)效處理都是必須的，淬火處理可根據(jù)材料來(lái)定。一般亞共晶鋁硅合金材料單時(shí)效處理即可，共晶和過(guò)共晶鋁硅合金材料必須淬火加時(shí)效處理。淬火處理采用鑄態(tài)淬火還是人工淬火，第一要滿(mǎn)足活塞圖紙的機(jī)械性能要求，第二根據(jù)材料中的其他元素含量，特別是鎂和銅的含量來(lái)定，第三根據(jù)活塞的形狀來(lái)定。鑄態(tài)淬火就是利用鑄件的余熱來(lái)進(jìn)行淬火；人工淬火

28、是將鑄件通過(guò)加熱并保溫一段時(shí)間后進(jìn)行淬火。從兩種方法上我們能明顯看出，鑄態(tài)淬火比人工淬火不管是人力還是物力上都要節(jié)省很多，所以現(xiàn)在大多企業(yè)都在使用該工藝。但由于很多公司對(duì)此技術(shù)了解不夠全面，因此也產(chǎn)生了一些其他問(wèn)題?；钊娩X硅合金中的主要強(qiáng)化相是 Mg2Si、CuAl2、Al3Ni，由于金屬模澆鑄的凝固速度較快，特別是亞共晶鋁硅合金凝固速度更快，因此 CuAl2 相很難形成；第二除了 ZL109 合金外，其余合金中不含鎳，因此強(qiáng)化相只剩下 Mg2Si，所以亞共晶合金的活塞單時(shí)效處理即可，不需要淬火處理。隨著含硅量和含銅量的增加，凝固速度發(fā)生了變化（同時(shí)凝固變?yōu)轫樞蚰蹋?，組織中除了Mg2Si外

29、，還產(chǎn)生了少量的 CuAl2 ，ZL109 合金還產(chǎn)生了 Al3Ni 強(qiáng)化相，所以單一的時(shí)效處理強(qiáng)化作用不完全，必須要淬火處理。采用鑄態(tài)淬火還是人工淬火，可根據(jù)材料中的含銅量含鎂量的比值來(lái)定，2.0時(shí)，可以采用鑄態(tài)淬火；2.1時(shí)，必須采用人工淬火?；钊麩崽幚恚ú还苁谴慊鹛幚磉€是時(shí)效處理）的工藝制定，無(wú)非是制定以下三個(gè)參數(shù)：A 加熱溫度 B 保溫時(shí)間 C 冷卻方式。加熱溫度的提高可以縮短保溫時(shí)間和提高活塞的使用性能，但高溫會(huì)造成活塞鑄件表面的氧化和影響活塞的外觀質(zhì)量；加熱溫度低，保溫時(shí)間就必須延長(zhǎng)，勢(shì)必影響設(shè)備的利用率和生產(chǎn)節(jié)拍并影響到活塞的使用性能?；钊慊鹛幚頊囟纫话阍?80510，保溫時(shí)間

30、在14小時(shí)，時(shí)效處理溫度一般在170230，保溫時(shí)間在512小時(shí)。在沒(méi)有特殊要求時(shí)，我建議淬火處理溫度490500，保溫時(shí)間1.5小時(shí)，水溫6070，時(shí)效處理溫度215，保溫時(shí)間56小時(shí)，該工藝能基本保證活塞的加工性能和使用性能。當(dāng)圖紙或用戶(hù)有特殊要求時(shí)，我們可對(duì)工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，如對(duì)活塞不加工面要求高時(shí)（不希望發(fā)黑），淬火處理溫度采用490；對(duì)硬度HB要求高一點(diǎn)時(shí)，可以把時(shí)效處理溫度降低一些；如對(duì)體積穩(wěn)定性要求高時(shí)，可以把時(shí)效處理保溫時(shí)間延長(zhǎng)一些等，總之產(chǎn)品不同、要求不同、材料不同、用戶(hù)不同，所以制定工藝要靈活，要有針對(duì)性。要達(dá)到熱處理效果，除了要有合適的工藝外，熱處理爐也很關(guān)鍵。不管是哪種

31、爐子形式，爐內(nèi)各點(diǎn)的加熱溫度必須均勻，保證熱空氣循環(huán)暢通，否則同爐活塞的機(jī)械性能就會(huì)各不相同，在活塞的硬度值上能明顯反映出來(lái)。對(duì)于一些特殊產(chǎn)品的活塞，必須采用特殊的熱處理工藝來(lái)解決。比如鑲?cè)钊?，如果也采用常?guī)淬火處理，就會(huì)影響鑲?cè)εc活塞本體的粘結(jié)力和粘結(jié)率。因此對(duì)于鑲?cè)钊?，不管是采用鑄態(tài)淬火還是人工淬火，淬火部位只能是止口到銷(xiāo)孔中心，不然就采用強(qiáng)制風(fēng)冷，絕對(duì)不允許將整個(gè)鑄件放入水中。4 活塞機(jī)加工外圓以車(chē)代磨、硬靠模到軟靠模、銷(xiāo)孔從圓柱到喇叭口到橢圓形、外圓型線的變化、在考慮活塞工作膨脹情況時(shí)，一般是分別研究其縱向輪廓與橢圓形的橫截面輪廓的變化。為了便于熱傳遞，縱向輪廓最好是按對(duì)數(shù)線段

32、連接。但在以前加工技術(shù)跟不上的時(shí)期，一般以斜線段來(lái)代替?，F(xiàn)在，曲線加工技術(shù)已被大家所掌握，可以加工出非常復(fù)雜的、有利于防止活塞搖頭及機(jī)械變形的曲線。另一方面，對(duì)橢圓形的橫截面輪廓形狀也提出了新的要求，即希望它在活塞軸向不同位置的形狀也不同，要求它從以前的直線性變化的橢圓發(fā)展到漸變的橢圓。為了使活塞與缸套更完全地接觸，現(xiàn)在將活塞設(shè)計(jì)成彈性體，允許它有一定的彈性變形?；钊臋E圓加工用簡(jiǎn)單的橢圓已不能滿(mǎn)足，因此，出現(xiàn)了橢圓上再疊加橢圓的所謂雙橢圓形狀?；钊庑屋喞母倪M(jìn)，最終目的是為了使它在工作時(shí)能與氣缸滑動(dòng)面更完全接觸。能防止活塞的偏磨、局部拉毛現(xiàn)象，但卻引起接觸面潤(rùn)滑困難。因此，為了保持和提高接

33、觸面的儲(chǔ)油性，把表面光潔度降低，另外，用表面處理的方法來(lái)彌補(bǔ)。5 活塞表面處理活塞的表面處理按其部位可分為活塞頂部、裙部外圓和活塞環(huán)槽。活塞頂面進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化，用以提高活塞頂部的抗熱裂性能。裙部外圓進(jìn)行噴涂石墨和鍍錫，以改善活塞的初期磨合性能和防止冷啟動(dòng)活塞拉缸。活塞環(huán)槽進(jìn)行鍍鉻、鍍鎳和鍍鐵錫，以提高環(huán)槽抗腐蝕磨損和抗沖擊磨損的能力。據(jù)最新資料記載，MAHLE公司早在90年代，已經(jīng)把環(huán)槽硬氧應(yīng)用到了轎車(chē)活塞上，在提高第一道環(huán)槽的耐磨性方面取得了很大成功，預(yù)計(jì)不久的將來(lái)，該技術(shù)的應(yīng)用范圍還將不斷擴(kuò)大。隨著技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率不斷提高，活塞承受的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力也相應(yīng)的上升

34、，從而導(dǎo)致活塞頂燃燒室周壁的熱裂而成為鋁活塞面臨的棘手問(wèn)題。預(yù)防活塞頂面熱裂的手段有多種，應(yīng)用頂面硬質(zhì)陽(yáng)極氧化技術(shù)改善活塞頂面的熱裂性，來(lái)預(yù)防活塞頂面的開(kāi)裂已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，硬質(zhì)氧化膜的厚度一般為40-80um，顯微硬度一般為Hm2000以上，實(shí)踐表明，這種硬質(zhì)陽(yáng)極氧化鋁膜對(duì)活塞熱裂有及其良好的抑制作用，用硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理的活塞，使用壽命是未經(jīng)陽(yáng)極氧化處理活塞的4-5倍。5.1 活塞裙部噴涂石墨在發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失中，主要有機(jī)械摩擦損失和驅(qū)動(dòng)附件損失等，其中機(jī)械摩擦損失所占比例最大。尤其是活塞與缸套之間的摩擦，因其接觸面積大、活塞運(yùn)動(dòng)速度高且變化幅度大，致使其造成的功率損失在全部摩擦損失中所占比例

35、可達(dá)1/3，特殊條件下還會(huì)高于1/3。因此改善活塞與氣缸之間的摩擦狀況，降低摩擦損失，也就是說(shuō)如何改善活塞與缸套的潤(rùn)滑性，已成為減小發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失的非常重要的研究課題?；钊共繃娡渴褪墙鉀Q這個(gè)課題的一項(xiàng)重要手段，石墨具有良好的潤(rùn)滑性，抗壓強(qiáng)度高，耐高溫氧化，還有良好的導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和較低的摩擦系數(shù)（一般為0.11）。所以，活塞裙部噴涂石墨后，即可改善活塞初期的磨合性能和冷啟動(dòng)的抗拉強(qiáng)度，又可起減磨作用，降低活塞與氣缸的摩擦功，活塞表面噴涂石墨就是用粘結(jié)劑將石墨均勻的粘結(jié)在活塞的裙部，利用石墨具有的自潤(rùn)滑性，在活塞運(yùn)動(dòng)中起潤(rùn)滑作用，來(lái)減小摩擦力的，同時(shí)也避免了因潤(rùn)滑不足而造成的磨

36、合不好以及活塞的拉缸現(xiàn)象。另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)磨合初期由于石墨層的自身潤(rùn)滑性也極大提高了缸套與活塞的抗疲勞性。因此噴涂石墨技術(shù)不僅能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦功損失，同時(shí)也能顯著提高活塞的壽命。為增強(qiáng)粘合性，在噴涂石墨前，必須對(duì)活塞進(jìn)行噴涂前處理。這一工序非常關(guān)鍵，因?yàn)樵摴ば蛱幚淼暮脡模P(guān)系到噴涂的粘合效果。噴涂前處理主要是將活塞經(jīng)過(guò)多工序的清洗、除油后，再對(duì)活塞表面進(jìn)行磷化，使活塞表面形成一層粗糙的帶有微觀孔洞的表面。當(dāng)石墨噴涂到該表面上以后，石墨顆?？梢詽B入到表面微觀孔洞內(nèi)部，即使活塞經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的磨合后，將表面的石墨層磨掉一部分，微觀孔洞內(nèi)的石墨仍然能起到潤(rùn)滑作用?，F(xiàn)在西方發(fā)達(dá)國(guó)家的活塞生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)不再

37、進(jìn)行黑色磷化，而是采用印刷石墨的技術(shù)（現(xiàn)在該技術(shù)在我國(guó)也已普遍使用），直接將活塞清洗干凈后，采用配制好的石墨乳劑進(jìn)行印刷，完畢進(jìn)行固化。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)活塞的清洗提出了很高的要求，德國(guó)采用純凈水清洗，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，效果要比噴涂石墨為好。5.2 活塞硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理鋁及鋁合金在相應(yīng)的電解液中，在特定的條件以及外加電流電壓作用下，在陽(yáng)極上形成硬質(zhì)氧化膜的過(guò)程叫做硬質(zhì)陽(yáng)極氧化。A、頂面陽(yáng)極氧化處理：硬質(zhì)陽(yáng)極氧化是鋁活塞及其合金氧化處理的一種工藝，它具有獲得氧化膜厚、硬度高、耐磨、耐蝕性強(qiáng)、絕緣性好并與基體結(jié)合牢固等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)裝有陽(yáng)極氧化的活塞時(shí)，因?yàn)榻?jīng)多孔陽(yáng)極氧化處理后的活塞表面有儲(chǔ)油作用，所以可使

38、燃油消耗率下降7%。頂部經(jīng)陽(yáng)極氧化處理的活塞，其氧化鋁表面是一種隔熱體，能降低傳給活塞的熱損失，這種回收的熱能，改進(jìn)了燃燒特性，因而降低了燃料消耗率和排氣溫度。這種隔熱的氧化鋁表面，減少了活塞受熱和膨脹，避免與缸套摩擦，特別是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)和全負(fù)荷時(shí)，能使摩擦損失、燃油消耗率及排溫有所下降。 近年來(lái)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的高功率化，活塞的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力都在增加。而且由于柴油機(jī)鋁活塞在交變高溫高壓燃?xì)庀鹿ぷ鳎诒l(fā)燃燒使活塞頂部溫度升高的時(shí)候，在燃燒室口部產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。因此活塞頂部燃燒室周?chē)菀装l(fā)生熱龜裂現(xiàn)象，如果有陽(yáng)極氧化處理層，那么在陽(yáng)極氧化處理層附近的母材部分產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，該拉伸應(yīng)力有緩和產(chǎn)生在鋁母材

39、部分壓縮應(yīng)力的作用?；钊^部和第一環(huán)槽處因高溫可能會(huì)產(chǎn)生熔融、開(kāi)裂、積碳和磨損等現(xiàn)象，使用電化學(xué)的方法使活塞頂部生成一層很硬、耐高溫、耐腐蝕且具有良好的隔熱性的氧化膜（Al2O3），能彌補(bǔ)鋁合金活塞的上述缺陷。用硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理的活塞，其壽命是未經(jīng)處理的活塞壽命的4-5倍。硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜的厚度一般為40-90um，硬度可達(dá)300（HV）以上。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及在各種工作條件下的使用，證明硬質(zhì)陽(yáng)極氧化是抑制熱龜裂非常有效的方法。該處理方法尤其適用于增壓柴油機(jī)機(jī)活塞及工作條件惡劣的大功率柴油機(jī)活塞。鋁活塞陽(yáng)極氧化的反應(yīng)機(jī)理如下：陽(yáng)極氧化膜的形成過(guò)程是由兩種反應(yīng)共同進(jìn)行的結(jié)果，一種是Al2O3的

40、形成反應(yīng)，一種是Al2O3被電解液不斷溶解的反應(yīng)，當(dāng)Al2O3的生成反應(yīng)的速率大于溶解速率時(shí)，氧化膜就能順利的形成并生長(zhǎng)，并能保持一定的厚度。陽(yáng)極氧化雖然不一定總是需要直流電源，在使用交流電源的情況下陽(yáng)極和陰極在不斷交替變化，但Al2O3的形成反應(yīng)總是作為陽(yáng)極時(shí)發(fā)生：陽(yáng)極：2Al + 6OH6e = Al2O3 + 3H2O（主要）4OH4e = 2H2O + O2（次要）陰極：2H+ + 2e = H2B、環(huán)槽陽(yáng)極氧化處理：隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的工況趨向于高壓、高速改進(jìn)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)心臟零件之一的活塞也有越來(lái)越高的要求。在保留傳統(tǒng)鋁合金材料的同時(shí)，通過(guò)表面處理來(lái)改善和提高鋁合金材料在發(fā)動(dòng)機(jī)

41、工況下的性能是一種非常重要的手段。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的問(wèn)題，許多設(shè)計(jì)對(duì)活塞的結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)，提高了第一道環(huán)槽的位置，但是同樣也衍生出了因頂部壓力增加而導(dǎo)致的活塞環(huán)與活塞環(huán)槽的粘連問(wèn)題。在發(fā)動(dòng)機(jī)以較高的特定性能參數(shù)和低頂部高度的情況下運(yùn)行，第一道環(huán)槽的溫度將大于250。這個(gè)溫度可以造成環(huán)槽側(cè)面和第一道環(huán)之間產(chǎn)生細(xì)微的焊連，尤其新的發(fā)動(dòng)機(jī)更容易產(chǎn)生。到今天為止，解決細(xì)微焊連的最佳保護(hù)措施是對(duì)活塞的第一個(gè)環(huán)槽進(jìn)行陽(yáng)極氧化。在第一道環(huán)槽內(nèi)進(jìn)行陽(yáng)極氯化能提高耐磨性和防護(hù)性，同時(shí)也提高了環(huán)槽的熱負(fù)荷。活塞的環(huán)槽陽(yáng)極氧化通常采用浸浴或循環(huán)流動(dòng)工藝，這兩種工藝的主要區(qū)別在于陽(yáng)極氧化膜的轉(zhuǎn)化速度。浸浴工藝的陽(yáng)極氧化膜

42、轉(zhuǎn)化速度約在O2O5pmmin左右，循環(huán)流動(dòng)工藝在1520pmmin。由于速度上的優(yōu)勢(shì)，我們選用循環(huán)流動(dòng)陽(yáng)極氧化工藝。 影響鋁合金活塞環(huán)槽陽(yáng)極氧化因素1活塞材料組成活塞在陽(yáng)極氧化過(guò)程中，鋁被轉(zhuǎn)化為三氧化二鋁。所以高純度的鋁是陽(yáng)極氧化的最理想材料。但是活塞材料使用的鋁多為合金鋁，例如本公司采用的KSl275和KSl295合金就含有較多重金屬和硅的材料，這些合金元素對(duì)環(huán)槽陽(yáng)極氧化的工藝進(jìn)程和氧化層的質(zhì)量有著負(fù)面的影響，甚至影響轉(zhuǎn)化。2環(huán)槽機(jī)加工處理環(huán)槽的機(jī)加工處理必須使用PKD刀具，分為環(huán)槽預(yù)處理和終處理以及相應(yīng)的工藝參數(shù)。保證環(huán)槽側(cè)面無(wú)擠壓加工或至少保證環(huán)槽側(cè)面最大允許壓縮度為5rn。在陽(yáng)極氧化

43、前壓縮等級(jí)可以采用放大倍率為100500的顯微鏡對(duì)顯微截面進(jìn)行觀察，近表面硅的碎裂深度達(dá)到微米級(jí)。受擠壓加工的活塞環(huán)槽表面的局部電阻要比沒(méi)有壓縮的表面的電阻要高，這將在后來(lái)的陽(yáng)極氧化中產(chǎn)生不利影響：涂層厚度的不均勻性；需要較高的電壓，從而造成內(nèi)部熱量上升、造成涂層燒焦和鋁合金熔融的危險(xiǎn)。所以機(jī)加工處理的時(shí)候要嚴(yán)格控制環(huán)槽的切割質(zhì)量。5.3 鍍錫近幾年來(lái)，隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，素有“發(fā)動(dòng)機(jī)心臟”之稱(chēng)的活塞行業(yè)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，為提高活塞表面的性能，改善活塞與氣缸的表面磨合，防止活塞的拉缸，將活塞表面進(jìn)行鍍錫技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，尤其是轎車(chē)活塞應(yīng)用最為廣泛。鍍錫活塞容易出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題以及處理方

44、法：A、環(huán)境腐蝕鋁活塞因在大氣中形成一層氧化膜不容易被腐蝕，但當(dāng)其表面上鍍上一層金屬后，由于兩者電位不同，在一定條件下容易形成電化學(xué)腐蝕。我們發(fā)現(xiàn)鍍錫活塞成品在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中發(fā)生了兩種腐蝕，一種是打包入庫(kù)的活塞，活塞表面出現(xiàn)“黑斑”腐蝕，輕著表現(xiàn)為黑色電狀腐蝕；另一種是剛剛從鍍錫生產(chǎn)線上下來(lái)的活塞，活塞的表面出現(xiàn)白色粉狀堆積物。這兩種腐蝕有一定深度，是鋁活塞基體的腐蝕，造成批量廢品損失。為此專(zhuān)門(mén)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行探討。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析：未經(jīng)涂抹防銹油的活塞，即使使用塑料紙包裝，活塞仍全部發(fā)生了“黑斑”腐蝕，用氣相防銹紙包裝的活塞經(jīng)試驗(yàn)后也發(fā)生腐蝕，這說(shuō)明鍍錫活塞的“黑斑”腐蝕與使用是否使用防銹油有關(guān)系。眾

45、所周知，錫在空氣中是比較穩(wěn)定的，對(duì)鋁活塞基體而言是陰極性鍍層。鍍錫層有一定的空隙率，而通常使用的塑料袋是聚氯乙烯材料，在一定的溫度條件下，活塞表面容易形成無(wú)數(shù)微電池，陽(yáng)極是活塞基體，主要反應(yīng)是：Al3eAl3+,陰極是鍍錫層，主要反應(yīng)是：H+2eH2,塑料袋中所含的氯氣在溫濕條件下形成電解質(zhì)，從而導(dǎo)致鋁活塞的電化學(xué)腐蝕。其次我們采用的自來(lái)水中含有的雜質(zhì)也是造成活塞基體腐蝕的另一方面原因。B、包裝物原因由于聚氯乙烯中的氯容易造成鋁活塞的腐蝕，必須拆除塑料袋包裝，換用涂901#油蠟紙進(jìn)行包裝。而且還必須控制活塞在儲(chǔ)存期間的溫度和濕度不能太高，尤其鍍錫活塞要徹底干燥后再進(jìn)行包裝。這要求在實(shí)際生產(chǎn)中必

46、須加強(qiáng)鍍錫活塞烘干的質(zhì)量，使活塞充分干燥以后再進(jìn)行包裝，是預(yù)防鍍錫活塞表面腐蝕的重要手段。C、出現(xiàn)問(wèn)題以后的處理1.活塞表面存在宏觀組織疏松。例如：縮孔、縮松等缺陷。該種類(lèi)型的活塞經(jīng)鍍錫以后，活塞經(jīng)過(guò)酸洗以后，存在組織缺陷的部位被腐蝕，鍍錫后可在活塞的表面形成黑點(diǎn)。2.除油液不潔凈。因?yàn)榛钊砻鏆埓嬗臀?，造成鍍錫表面不均勻，可能造成印斑的存在。改進(jìn)措施是經(jīng)常換化學(xué)除油液，保證除油液潔凈無(wú)污。3.鍍錫液中雜質(zhì)含量過(guò)高。由于鍍錫的溫度較高（約90-100），錫液已呈沸騰狀態(tài),如果鍍錫槽長(zhǎng)時(shí)間未清洗，底面沉淀的雜質(zhì)便會(huì)飄浮上來(lái),沉淀在活塞的表面，造成表面沒(méi)鍍好。改進(jìn)措施是嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求：每班沉淀一

47、次鍍液，刷洗鍍槽。4.最后一道工序水溫太高。原先工藝最后一工序用熱水洗，由于熱水溫度過(guò)高，活塞表面殘存的錫仍在反應(yīng)，致使活塞表面出現(xiàn)印斑。改進(jìn)措施：通過(guò)試驗(yàn)，將最后一道熱水洗改為冷水洗，大大減少了活塞表面印斑的存在。5.車(chē)間內(nèi)腐蝕性氣體較多，活塞剛鍍錫完時(shí)，表面殘留的水分沒(méi)有完全揮發(fā)干凈，便立即拉到總檢進(jìn)行包裝，造成殘留水分沒(méi)發(fā)揮發(fā)，活塞因潮濕造成冒堿，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：鍍錫后對(duì)活塞進(jìn)行烘干可以減少活塞的冒堿，進(jìn)一步減少活塞表面腐蝕。建議改進(jìn)措施：活塞鍍完錫后放到烘干爐中進(jìn)行烘干，烘干溫度100，烘干時(shí)間30分鐘。待溫度冷卻到室溫以后再送總檢。6生產(chǎn)過(guò)程中鍍錫活塞的連續(xù)性必須得到保障，即每進(jìn)行完一

48、道工序應(yīng)及時(shí)轉(zhuǎn)入下一工序，熱別是在夏季，由于空氣較潮濕，而且有時(shí)溫差較大，有可能在活塞的表面形成水氣，所以從鍍錫生產(chǎn)線上下來(lái)活塞及時(shí)進(jìn)行干燥處理，轉(zhuǎn)入包裝。7錫酸鈉改為錫酸鉀能改善活塞表面出現(xiàn)“黑斑”或“針點(diǎn)”腐蝕，這是因?yàn)椴捎缅a酸鉀鍍上的活塞表層錫比較致密，不容易被腐蝕。三、活塞熱工方面的問(wèn)題1.熔煉熔煉過(guò)程中現(xiàn)在更趨向集中熔化、精煉，分散保溫的形式。這種形式不管是對(duì)質(zhì)量、管理還是環(huán)境都帶來(lái)好處。但前提是：必須材料牌號(hào)少、產(chǎn)品量大、需使用移動(dòng)式保溫爐或鋁液的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，相對(duì)目前一些中小企業(yè)來(lái)說(shuō)，在設(shè)備投入上會(huì)大一些，會(huì)有困難，但這是活塞行業(yè)以后發(fā)展的必走之路。熔煉過(guò)程簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是把固態(tài)的鋁合

49、金變?yōu)橐簯B(tài)的鋁合金。好的鋁液標(biāo)準(zhǔn)有3條：A.元素成分合格； B. 鋁液變質(zhì)良好； C. 鋁液純凈度高。要做到元素成分合格，光控制Si、Mg、Mn、Ni、Cu、Ti等主要元素還不夠，雜質(zhì)元素Ca、Na、Fe等也必須控制，特別對(duì)自己配料的公司，更要注意鋁和結(jié)晶硅的采購(gòu)，鐵和鈣主要是從這兩種原材料中帶入的?，F(xiàn)在用鐵坩堝熔煉、保溫的越來(lái)越少，因此對(duì)鋁的牌號(hào)要求比以前有所放低。鈣的存在，會(huì)影響鋁合金的凝固方式，使鑄件的廢品率上升，鈣最好能控制在30 ppm之內(nèi)（0.003）。當(dāng)然，如果采用氯氣或六氯乙烷進(jìn)行精煉的話，可適當(dāng)放寬。其次，要做到鋁液變質(zhì)良好，變質(zhì)劑的選擇、鋁液的變質(zhì)溫度、正確的變質(zhì)方法都會(huì)影

50、響到鋁液的變質(zhì)效果。由于鈉鹽變質(zhì)劑的局限性，現(xiàn)大部分企業(yè)已采用磷變質(zhì)劑，但許多企業(yè)不明白鈉鹽變質(zhì)劑和磷變質(zhì)劑的區(qū)別，更不清楚同樣的材料，為什么采用磷變質(zhì)劑變質(zhì)后，活塞的使用性能和壽命能提高。首先不管使用哪種變質(zhì)劑，目的都是為了改變合金凝固時(shí)的結(jié)晶條件，細(xì)化晶粒使組織和性能得到改善，只是細(xì)化的對(duì)象不同而已。鈉變質(zhì)主要是對(duì)共晶組織的細(xì)化，而磷變質(zhì)是對(duì)初晶硅的細(xì)化，由于變質(zhì)劑和變質(zhì)對(duì)象的不同，對(duì)合金的要求和變質(zhì)劑的使用要求當(dāng)然也會(huì)改變。使用兩種變質(zhì)劑在工藝上的區(qū)別：鈉鹽變質(zhì)劑 鋁液變質(zhì)溫度在720740；有效變質(zhì)時(shí)間1小時(shí)后開(kāi)始衰退，（與鋁液溫度和攪拌程度有關(guān)）；變質(zhì)劑的加入范圍較窄，易引起亞變質(zhì)和

51、過(guò)變質(zhì)；其他雜質(zhì)元素對(duì)變質(zhì)效果影響較小。磷變質(zhì)劑 鋁液變質(zhì)溫度在760780；變質(zhì)效果不受時(shí)間影響，屬長(zhǎng)效變質(zhì)劑，但鋁液中雜質(zhì)和氣體的增加會(huì)削弱變質(zhì)效果，因此對(duì)精煉要求更高；變質(zhì)劑的加入范圍較寬；其他雜質(zhì)元素，特別是鈉對(duì)變質(zhì)效果影響極大。最后，好的鋁液還需要純凈度高。整個(gè)熔化過(guò)程中難免會(huì)有雜質(zhì)和氣體存在于鋁液中，為了除去鋁液中雜質(zhì)和氣體，我們有多種精煉方法，比如說(shuō)，通入氮?dú)饣驓鍤?，通入氯氣，加入氯化物，真空除氣等。生產(chǎn)中還采用上述方法中的某兩種結(jié)合在一起的聯(lián)合精煉方法，如氮?dú)饴葰?，四氯化碳氮?dú)?，真空六氯乙烷，兼有兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)其不足，能獲得比較好的精煉除氣效果。2.鑄造缺陷熱工產(chǎn)生的鑄造

52、缺陷原因，往往看不見(jiàn)、摸不著，影響因素又多，因此總感覺(jué)解決起來(lái)無(wú)從下手。當(dāng)然，解決問(wèn)題經(jīng)驗(yàn)很重要，但只要認(rèn)真觀察、仔細(xì)分析，還是能理出頭序來(lái)的。解決鑄造缺陷的關(guān)鍵是：第一步，尋找?guī)б?guī)律性的問(wèn)題；第二步，確定影響因素是設(shè)備？人？還是鋁液？第三步，制定、實(shí)施解決方案。尋找?guī)б?guī)律性問(wèn)題的具體做法是：確定缺陷在鑄件上的準(zhǔn)確位置，這一點(diǎn)非常重要。我們總喜歡把缺陷籠統(tǒng)的歸納為裙部、銷(xiāo)孔、槽部、頂面等幾個(gè)位置，這樣根本不能對(duì)解決問(wèn)題的分析帶來(lái)幫助。比如裙部缺陷，到底是在澆道還是澆道對(duì)面方向？到底是在銷(xiāo)孔900還是銷(xiāo)孔450方向？靠近止口還是靠近環(huán)槽？不同部位的缺陷，產(chǎn)生原因不同，因此解決方法也截然不同，甚至

53、相反。找到這些缺陷位置并確定帶有明顯規(guī)律性后即可進(jìn)行第二步，確定影響因素。如果鋁液有質(zhì)量問(wèn)題，缺陷不會(huì)產(chǎn)生在某一個(gè)產(chǎn)品上，應(yīng)該是“全面開(kāi)花”，絕對(duì)不會(huì)產(chǎn)生在某一個(gè)產(chǎn)品某一個(gè)固定位置上； 如果是人為因素造成（澆注不當(dāng)或違反操作工藝），產(chǎn)品的缺陷部位和發(fā)生頻率是不穩(wěn)定的，缺陷會(huì)隨著不同的操作工和不同的班次發(fā)生變化；如果是設(shè)備因素（澆鑄機(jī)或模具）造成鑄件缺陷，不會(huì)因?yàn)椴煌牟僮鞴ざ淖內(nèi)毕菸恢茫瑹o(wú)非在嚴(yán)重程度上會(huì)有區(qū)別。通過(guò)上面的分析，明白造成缺陷的原因，就可以進(jìn)行第三步的工作。第三步， 根據(jù)確定了的缺陷位置和影響因素，制定、實(shí)施解決方案。往往一種缺陷的解決方法有多種，比如縮松，通過(guò)設(shè)備調(diào)整冷卻順序

54、、調(diào)整加工余量減少壁厚差、增加補(bǔ)縮塊等對(duì)解決縮松都是有效的，但實(shí)施過(guò)程不能操之過(guò)急，不能幾種方法同時(shí)上，必須一步一步地實(shí)施，了解與明白每個(gè)方案的效果，為今后解決同類(lèi)問(wèn)題積累經(jīng)驗(yàn)。如果幾種方案同時(shí)進(jìn)行，好了？壞了？還是說(shuō)不清楚產(chǎn)生原因和針對(duì)性的解決方法。以下是一些常見(jiàn)缺陷的產(chǎn)生原因和解決方法。1)流向線在活塞的鑄造表面，發(fā)生在鋁液進(jìn)口處和鋁液聚合交匯處，猶如天上云彩，見(jiàn)圖1、圖2，這種流向線對(duì)活塞的使用沒(méi)有影響，所以無(wú)限允許。當(dāng)然嚴(yán)重時(shí)會(huì)有深度（氣隔），如圖2，這時(shí)要根據(jù)流向線產(chǎn)生的部位和深度來(lái)判斷是否允許。 圖1 圖2產(chǎn)生流向線主要是模具中的氣體和鋁液接觸，使鋁液氧化造成的，在重力澆鑄這種形式

55、上很難避免。但我們?cè)谀＞咴O(shè)計(jì)、制造過(guò)程中，采用裝氣塞、拉氣槽、上涂料、正確的澆鑄方式和控制澆鑄速度都能減輕流向線的影響。2）冷隔容易發(fā)生在活塞壁薄和模具溫度較低的地方，往往是長(zhǎng)圓形的，帶凹陷，有時(shí)有皺，見(jiàn)圖3。這種缺陷要視冷隔的深度和長(zhǎng)度來(lái)判斷是否能用。當(dāng)然，與產(chǎn)生在活塞上的部位也有關(guān)，如果冷隔對(duì)穿，那肯定是不能用的。冷隔的主要產(chǎn)生原因是活塞壁薄處的鋁液不能互相交熔所致，缺陷常常出現(xiàn)在凹面和澆道對(duì)面的裙部。凹面處 圖3的冷隔一般用裝氣塞和拉網(wǎng)格來(lái)解決；而澆道對(duì)面裙部處的冷隔一般用增加加工余量和提高外模溫度來(lái)解決。3）毛刺（偏鋒）模具用久了、模具粘鋁了、機(jī)械模具的安裝不到位、模具維修時(shí)的噴砂等原

56、因難免會(huì)在分型面部位造成毛刺，見(jiàn)圖4圖5。這種缺陷如果發(fā)生在不加工面，高度0.5mm、且 圖4 圖5 在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)不會(huì)掉落的，一般認(rèn)為是可接受的；如果發(fā)生在加工面，在加工前必須先將毛刺去除，以免影響機(jī)加工精度和損壞刀具。毛刺的解決方法如果不是安裝或粘鋁造成的原因，那只有通過(guò)修復(fù)模具來(lái)解決。4）夾雜涂料、過(guò)濾網(wǎng)的脫落，氧化夾渣的帶入，都會(huì)造成鑄件表面凹陷（缺損）見(jiàn)圖6，或者造成加工后活塞的夾雜，見(jiàn)圖7。如果凹陷發(fā)生在鑄件表面，且凹陷深度 0.5mm、認(rèn)為是可接受的；如果凹陷發(fā)生在加工面上，則要根據(jù)加工后的孔洞標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量判斷。圖6 圖7要解決夾雜，除了涂料、過(guò)濾網(wǎng)要注意外，需格外保證取鋁液時(shí)的正

57、確方法和澆勺的干凈，澆注速度也有影響。另外，合模時(shí)必須用壓縮空氣將模腔清理干凈。5）孔洞孔洞的種類(lèi)較多，細(xì)分的話有縮孔（縮松）、氣孔，“蒼蠅腳”（針孔），它們的特點(diǎn)是：縮孔在鑄件上產(chǎn)生的部位具有一定的規(guī)律性，無(wú)具體形狀，內(nèi)部粗糙不平，顏色發(fā)黑，見(jiàn)圖8；氣孔呈圓形或倒梨形，內(nèi)部平整，顏色是鋁本色帶點(diǎn)灰色，見(jiàn)圖9； 圖8 圖9 圖10“蒼蠅腳”的特點(diǎn)是在鑄件上的分布沒(méi)有規(guī)律，個(gè)數(shù)較多，見(jiàn)圖10。研究合金的凝固過(guò)程對(duì)鑄件質(zhì)量有著重要的意義。象縮孔（縮松）、氣孔，“蒼蠅腳”（針孔）、熱裂等這種缺陷都產(chǎn)生在凝固過(guò)程，所以了解凝固過(guò)程，對(duì)獲得優(yōu)質(zhì)鑄件有很大的作用?；钊T件的凝固過(guò)程主要受到鑄型材料、鋁液澆注溫度、鑄件壁的厚薄、合金成分4個(gè)方面的影響，因此我們必須根據(jù)自己的產(chǎn)品，對(duì)照上面4個(gè)條件來(lái)制定合適的工藝，千萬(wàn)不能