鋁基復(fù)合材料在活塞上應(yīng)用趨勢(shì)
http://www.diannaozhi.com 2008-08-07 16:52 中企顧問(wèn)網(wǎng)
本文導(dǎo)讀：活塞是引擎的心臟，因其在高溫、高壓、腐蝕、磨損、高速運(yùn)動(dòng)等條件下工作，對(duì)活塞材料的要求很高。現(xiàn)代引擎設(shè)計(jì)廣泛采用增壓等強(qiáng)化技術(shù)，現(xiàn)有的鋁合金活塞已難以滿足使用要求。而用鋁基復(fù)合材料制造之汽車活塞比鋁合金活塞具有較高的耐磨性、高溫強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗咬合
一、前言
活塞是引擎的心臟，因其在高溫、高壓、腐蝕、磨損、高速運(yùn)動(dòng)等條件下工作，對(duì)活塞材料的要求很高。現(xiàn)代引擎設(shè)計(jì)廣泛采用增壓等強(qiáng)化技術(shù)，現(xiàn)有的鋁合金活塞已難以滿足使用要求。而用鋁基復(fù)合材料制造之汽車活塞比鋁合金活塞具有較高的耐磨性、高溫強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗咬合性能，同時(shí)具有熱膨脹系數(shù)更小，導(dǎo)熱性更好等特點(diǎn)，故在汽車引擎的應(yīng)用漸增。
二、鋁復(fù)合材料汽車活塞之發(fā)展歷程
最早將鋁復(fù)合材應(yīng)用于活塞的是豐田汽車，1980年代就已經(jīng)用硅酸鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料成功地制造了引擎活塞抗磨環(huán)，用Al2O3長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造汽車連桿等零組件。過(guò)去活塞環(huán)溝部為了避免與活塞環(huán)摩擦產(chǎn)生磨耗與黏著，于是采用對(duì)這方面有良好特性，而且熱膨脹也比較接近母材鋁的鎳抗鑄鐵，但是這種材料的缺點(diǎn)為較重而且熱傳導(dǎo)差。
雖然鋁以重量輕為其特色，但是在強(qiáng)度、剛性與硬度等方面就比鐵系材料差。為了解決這樣的問(wèn)題，于是開發(fā)了鋁基復(fù)合材料，將陶瓷等材質(zhì)的纖維或粒子分散于鋁合金中，來(lái)提升鋁合金的機(jī)械性質(zhì)。復(fù)合材料有強(qiáng)化塑料和強(qiáng)化金屬之分，前者稱為纖維強(qiáng)化樹脂（FRP），后者稱為金屬基復(fù)合材料（MMC）。而在MMC當(dāng)中，以纖維強(qiáng)化的又稱為纖維強(qiáng)化金屬（FRM），而使用粒狀強(qiáng)化材的則稱為粉末金屬?gòu)?fù)合材料（PMC）。豐田汽車的金屬基復(fù)合材料活塞開發(fā)歷史可分為三階段
1.第一世代：豐田汽車是利用立式擠壓鑄造機(jī)以100MPa以上的高壓將氧化鋁與二氧化硅短纖維復(fù)合化來(lái)克服鎳抗鑄鐵的缺點(diǎn)。
2.第二世代：為了因應(yīng)更高溫化的需求，除了氧化鋁與二氧化硅短纖維之外，利用高壓含浸時(shí)的原位（in-situ）反應(yīng)將耐黏著性優(yōu)異的金屬間化合物NiAl3復(fù)合化，其反應(yīng)式為：Ni(S) + Al(L) → NiAl3 (S)，原本的原料粉末經(jīng)反應(yīng)后會(huì)膨脹到5倍的體積，而隨著耐黏著性的提升，生產(chǎn)性也可以跟著提高。
3.第三世代：近年來(lái)，為了因應(yīng)更高一層的高溫化需求，已不再采用之前的氧化鋁與二氧化硅短纖維，而是采取將低Cr鋼粉和高速鋼粉混合，容積率高達(dá)70%的高壓含浸復(fù)合化作法。而且在第三世代也開始出現(xiàn)新的強(qiáng)化部位，例如活塞頂部因燃燒室形狀之故，會(huì)暴露于嚴(yán)苛的熱循環(huán)疲勞環(huán)境中，已經(jīng)采用金屬基復(fù)合材料加以強(qiáng)化。至于強(qiáng)化材料，由于短纖維的強(qiáng)度不足，于是開始對(duì)須晶進(jìn)行研究，而且開發(fā)出新的氧化鋁藍(lán)玉髓須晶（alumina boria whisker），由于是利用須晶與基底中的Mg起反應(yīng)來(lái)防止劣化，因此在須晶的表面改質(zhì)處理上要進(jìn)一步研究。
美國(guó)的Duralcan公司亦用SiCp/Al復(fù)合材料制造了汽車活塞和齒輪箱等。美國(guó)的DWA公司則采用SiCp/Al基復(fù)合材料制造了摩托車活塞，解決了該活塞的耐磨性問(wèn)題，裝有該活塞的摩托車在一年內(nèi)參加了100次的越野賽后，仍無(wú)明顯磨損。采用硅酸鋁纖維增強(qiáng)鋁硅合金〔(55％Al2O3‧45％SiO2)/(Al-Si)〕制造引擎活塞在歐洲亦已獲得應(yīng)用，SiC晶須增強(qiáng)鋁硅合金復(fù)合材料活塞也在試用中。
三、汽油引擎活塞的鋁復(fù)合材強(qiáng)化法
汽油引擎用的活塞有頂活塞環(huán)槽盡可能靠近活塞上面的特征，且其裙部較柴油引擎活塞為短。最近汽油引擎用活塞的鋁復(fù)合材技術(shù)也已經(jīng)開發(fā)了，但其強(qiáng)化材是使用氧化鈦粒子，這是因?yàn)檠趸X纖維價(jià)格昂貴，每公斤要價(jià)5000～10000日元，但氧化鈦粒子價(jià)格則大為便宜，每公斤只要200～300日元。粒子狀強(qiáng)化材預(yù)制件的成形大致上是采取與傳統(tǒng)相同的方法，不同的是除了粒子狀的強(qiáng)化材和黏結(jié)劑之外，還混合了石墨。石墨在燒結(jié)的時(shí)候會(huì)燃燒而消失，同樣可以做出多孔質(zhì)的預(yù)制件，而且體積率達(dá)到20%，比纖維狀強(qiáng)化材或金屬系強(qiáng)化材都要來(lái)得大。
因?yàn)轫敾钊h(huán)槽靠近活塞上面的關(guān)系，故比柴油引擎的熱負(fù)荷低的汽油引擎亦有必要提升活塞環(huán)槽的耐磨耗性。若頂活塞環(huán)槽遠(yuǎn)離活塞上面的話，活塞環(huán)槽的溫度就會(huì)下降，其磨耗也會(huì)減少。但是就減低排氣中的HC含量而言，頂活塞環(huán)是越靠近活塞上面越好，因?yàn)闈B入活塞與汽缸所夾的狹縫空間里的混合氣會(huì)燃燒不完全，而這就是產(chǎn)生HC排放的一個(gè)原因。
因此，為了讓頂活塞環(huán)的位置靠近活塞上面，就必須提升活塞環(huán)槽的耐磨耗性，而要因應(yīng)這個(gè)課題就是使用鋁復(fù)合材。這項(xiàng)技術(shù)雖然目前尚未采用于量產(chǎn)引擎上，但為了因應(yīng)排氣法規(guī)的嚴(yán)格化趨勢(shì)，應(yīng)該是遲早都會(huì)被采用的。汽油引擎用活塞并不要求像柴油引擎那樣的預(yù)制件強(qiáng)度，這是因?yàn)闊嶝?fù)荷低的汽油引擎，除非是增壓引擎否則也可以不需要冷卻通道的緣故，因此并不需要具備保持鹽砂芯的強(qiáng)度。
馬自達(dá)汽車的鋁復(fù)合材低壓鑄造技術(shù)，是比傳統(tǒng)的制造方法可以大幅降低成本的復(fù)合材料制造法，現(xiàn)在基于輕量化的考慮而要求鋁化的零件增多了，其中需要有耐磨耗性的零件也不在少數(shù)，這個(gè)時(shí)候采用鋁復(fù)合材是有效的，不過(guò)此時(shí)成本的提高就變成是一大障礙了。因此廉價(jià)的鋁復(fù)合化技術(shù)應(yīng)該會(huì)促進(jìn)零件的鋁化才是，那么馬自達(dá)汽車?yán)^活塞之后究竟會(huì)將此技術(shù)應(yīng)用在什么零件上就值得觀察。此外，豐田汽車已經(jīng)將纖維強(qiáng)化鋁合金應(yīng)用于柴油引擎活塞的頂活塞環(huán)槽及皮帶輪（belt pulley）的輪轂（boss）部上，而本田汽車則是已將纖維強(qiáng)化鋁合金和粉末強(qiáng)化鋁合金應(yīng)用在汽缸襯套上。
四、結(jié)語(yǔ)
目前各公司都已經(jīng)有各種實(shí)用化的MMC材料，而應(yīng)用MMC的零組件也已經(jīng)從引擎、車體與底盤，進(jìn)一步擴(kuò)展到電裝品零件了，也發(fā)揮了耐磨耗、強(qiáng)度與剛性，以及熱的性質(zhì)等各式各樣的特性。至于制造方法方面，不只是鑄造，也發(fā)展到應(yīng)用粉末冶金了；不過(guò)這些的應(yīng)用例在量的方面還是很少，這是因?yàn)镸MC在成本上比較高的緣故。特別是復(fù)合化纖維和顆粒等原材料的價(jià)格昂貴，原材料費(fèi)用在最終制品的成本當(dāng)中所占的比例若是沒有辦法盡可能降低的話，其下場(chǎng)就是失去競(jìng)爭(zhēng)力。因此未來(lái)除了進(jìn)行低成本原材料的探索和開發(fā)之外，在零組件制造方法上也希望開發(fā)出能便宜地復(fù)合化的方法來(lái)。
活塞是引擎的心臟，因其在高溫、高壓、腐蝕、磨損、高速運(yùn)動(dòng)等條件下工作，對(duì)活塞材料的要求很高。現(xiàn)代引擎設(shè)計(jì)廣泛采用增壓等強(qiáng)化技術(shù)，現(xiàn)有的鋁合金活塞已難以滿足使用要求。而用鋁基復(fù)合材料制造之汽車活塞比鋁合金活塞具有較高的耐磨性、高溫強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗咬合性能，同時(shí)具有熱膨脹系數(shù)更小，導(dǎo)熱性更好等特點(diǎn)，故在汽車引擎的應(yīng)用漸增。
二、鋁復(fù)合材料汽車活塞之發(fā)展歷程
最早將鋁復(fù)合材應(yīng)用于活塞的是豐田汽車，1980年代就已經(jīng)用硅酸鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料成功地制造了引擎活塞抗磨環(huán)，用Al2O3長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造汽車連桿等零組件。過(guò)去活塞環(huán)溝部為了避免與活塞環(huán)摩擦產(chǎn)生磨耗與黏著，于是采用對(duì)這方面有良好特性，而且熱膨脹也比較接近母材鋁的鎳抗鑄鐵，但是這種材料的缺點(diǎn)為較重而且熱傳導(dǎo)差。
雖然鋁以重量輕為其特色，但是在強(qiáng)度、剛性與硬度等方面就比鐵系材料差。為了解決這樣的問(wèn)題，于是開發(fā)了鋁基復(fù)合材料，將陶瓷等材質(zhì)的纖維或粒子分散于鋁合金中，來(lái)提升鋁合金的機(jī)械性質(zhì)。復(fù)合材料有強(qiáng)化塑料和強(qiáng)化金屬之分，前者稱為纖維強(qiáng)化樹脂（FRP），后者稱為金屬基復(fù)合材料（MMC）。而在MMC當(dāng)中，以纖維強(qiáng)化的又稱為纖維強(qiáng)化金屬（FRM），而使用粒狀強(qiáng)化材的則稱為粉末金屬?gòu)?fù)合材料（PMC）。豐田汽車的金屬基復(fù)合材料活塞開發(fā)歷史可分為三階段
1.第一世代：豐田汽車是利用立式擠壓鑄造機(jī)以100MPa以上的高壓將氧化鋁與二氧化硅短纖維復(fù)合化來(lái)克服鎳抗鑄鐵的缺點(diǎn)。
2.第二世代：為了因應(yīng)更高溫化的需求，除了氧化鋁與二氧化硅短纖維之外，利用高壓含浸時(shí)的原位（in-situ）反應(yīng)將耐黏著性優(yōu)異的金屬間化合物NiAl3復(fù)合化，其反應(yīng)式為：Ni(S) + Al(L) → NiAl3 (S)，原本的原料粉末經(jīng)反應(yīng)后會(huì)膨脹到5倍的體積，而隨著耐黏著性的提升，生產(chǎn)性也可以跟著提高。
3.第三世代：近年來(lái)，為了因應(yīng)更高一層的高溫化需求，已不再采用之前的氧化鋁與二氧化硅短纖維，而是采取將低Cr鋼粉和高速鋼粉混合，容積率高達(dá)70%的高壓含浸復(fù)合化作法。而且在第三世代也開始出現(xiàn)新的強(qiáng)化部位，例如活塞頂部因燃燒室形狀之故，會(huì)暴露于嚴(yán)苛的熱循環(huán)疲勞環(huán)境中，已經(jīng)采用金屬基復(fù)合材料加以強(qiáng)化。至于強(qiáng)化材料，由于短纖維的強(qiáng)度不足，于是開始對(duì)須晶進(jìn)行研究，而且開發(fā)出新的氧化鋁藍(lán)玉髓須晶（alumina boria whisker），由于是利用須晶與基底中的Mg起反應(yīng)來(lái)防止劣化，因此在須晶的表面改質(zhì)處理上要進(jìn)一步研究。
美國(guó)的Duralcan公司亦用SiCp/Al復(fù)合材料制造了汽車活塞和齒輪箱等。美國(guó)的DWA公司則采用SiCp/Al基復(fù)合材料制造了摩托車活塞，解決了該活塞的耐磨性問(wèn)題，裝有該活塞的摩托車在一年內(nèi)參加了100次的越野賽后，仍無(wú)明顯磨損。采用硅酸鋁纖維增強(qiáng)鋁硅合金〔(55％Al2O3‧45％SiO2)/(Al-Si)〕制造引擎活塞在歐洲亦已獲得應(yīng)用，SiC晶須增強(qiáng)鋁硅合金復(fù)合材料活塞也在試用中。
三、汽油引擎活塞的鋁復(fù)合材強(qiáng)化法
汽油引擎用的活塞有頂活塞環(huán)槽盡可能靠近活塞上面的特征，且其裙部較柴油引擎活塞為短。最近汽油引擎用活塞的鋁復(fù)合材技術(shù)也已經(jīng)開發(fā)了，但其強(qiáng)化材是使用氧化鈦粒子，這是因?yàn)檠趸X纖維價(jià)格昂貴，每公斤要價(jià)5000～10000日元，但氧化鈦粒子價(jià)格則大為便宜，每公斤只要200～300日元。粒子狀強(qiáng)化材預(yù)制件的成形大致上是采取與傳統(tǒng)相同的方法，不同的是除了粒子狀的強(qiáng)化材和黏結(jié)劑之外，還混合了石墨。石墨在燒結(jié)的時(shí)候會(huì)燃燒而消失，同樣可以做出多孔質(zhì)的預(yù)制件，而且體積率達(dá)到20%，比纖維狀強(qiáng)化材或金屬系強(qiáng)化材都要來(lái)得大。
因?yàn)轫敾钊h(huán)槽靠近活塞上面的關(guān)系，故比柴油引擎的熱負(fù)荷低的汽油引擎亦有必要提升活塞環(huán)槽的耐磨耗性。若頂活塞環(huán)槽遠(yuǎn)離活塞上面的話，活塞環(huán)槽的溫度就會(huì)下降，其磨耗也會(huì)減少。但是就減低排氣中的HC含量而言，頂活塞環(huán)是越靠近活塞上面越好，因?yàn)闈B入活塞與汽缸所夾的狹縫空間里的混合氣會(huì)燃燒不完全，而這就是產(chǎn)生HC排放的一個(gè)原因。
因此，為了讓頂活塞環(huán)的位置靠近活塞上面，就必須提升活塞環(huán)槽的耐磨耗性，而要因應(yīng)這個(gè)課題就是使用鋁復(fù)合材。這項(xiàng)技術(shù)雖然目前尚未采用于量產(chǎn)引擎上，但為了因應(yīng)排氣法規(guī)的嚴(yán)格化趨勢(shì)，應(yīng)該是遲早都會(huì)被采用的。汽油引擎用活塞并不要求像柴油引擎那樣的預(yù)制件強(qiáng)度，這是因?yàn)闊嶝?fù)荷低的汽油引擎，除非是增壓引擎否則也可以不需要冷卻通道的緣故，因此并不需要具備保持鹽砂芯的強(qiáng)度。
馬自達(dá)汽車的鋁復(fù)合材低壓鑄造技術(shù)，是比傳統(tǒng)的制造方法可以大幅降低成本的復(fù)合材料制造法，現(xiàn)在基于輕量化的考慮而要求鋁化的零件增多了，其中需要有耐磨耗性的零件也不在少數(shù)，這個(gè)時(shí)候采用鋁復(fù)合材是有效的，不過(guò)此時(shí)成本的提高就變成是一大障礙了。因此廉價(jià)的鋁復(fù)合化技術(shù)應(yīng)該會(huì)促進(jìn)零件的鋁化才是，那么馬自達(dá)汽車?yán)^活塞之后究竟會(huì)將此技術(shù)應(yīng)用在什么零件上就值得觀察。此外，豐田汽車已經(jīng)將纖維強(qiáng)化鋁合金應(yīng)用于柴油引擎活塞的頂活塞環(huán)槽及皮帶輪（belt pulley）的輪轂（boss）部上，而本田汽車則是已將纖維強(qiáng)化鋁合金和粉末強(qiáng)化鋁合金應(yīng)用在汽缸襯套上。
四、結(jié)語(yǔ)
目前各公司都已經(jīng)有各種實(shí)用化的MMC材料，而應(yīng)用MMC的零組件也已經(jīng)從引擎、車體與底盤，進(jìn)一步擴(kuò)展到電裝品零件了，也發(fā)揮了耐磨耗、強(qiáng)度與剛性，以及熱的性質(zhì)等各式各樣的特性。至于制造方法方面，不只是鑄造，也發(fā)展到應(yīng)用粉末冶金了；不過(guò)這些的應(yīng)用例在量的方面還是很少，這是因?yàn)镸MC在成本上比較高的緣故。特別是復(fù)合化纖維和顆粒等原材料的價(jià)格昂貴，原材料費(fèi)用在最終制品的成本當(dāng)中所占的比例若是沒有辦法盡可能降低的話，其下場(chǎng)就是失去競(jìng)爭(zhēng)力。因此未來(lái)除了進(jìn)行低成本原材料的探索和開發(fā)之外，在零組件制造方法上也希望開發(fā)出能便宜地復(fù)合化的方法來(lái)。
