1、1活塞发展和基本知识 2序近年来，由于发动机强化程度的不断提高，发动机的转速、平均有效压力和活塞平均速度都较以前有了大幅度的提高，因此发动机的热负荷和机械负荷都增加了。而活塞由于在发动机中的重要作用，在设计和制造方面也有了很大的改变和提高。活塞企业里的广大技术人员由于缺乏对活塞专业知识的了解，又苦于无这方面的专业书籍帮助自己提高，另外同行间的技术交流，目前由于种种原因越发困难。因此，技术人员的业务提高，特别是在新技术、新工艺的应用上和实际问题的解决能力上，远远满足不了公司领导的发展要求和活塞市场的苛刻要求。针对以上问题，本人汇集了多年来活塞方面的论文、论点、文章，结合自己的经验和国内其他优秀技
2、术人员的技术，汇集编写了这本小册子，供同行参考学习，使大家在掌握活塞基础的学习路上少走弯路。一活塞在设计方面的改变1 活塞高度现在活塞的高度正在逐渐缩短，活塞直径许多已大于活塞高度；压缩高也不断缩短，活塞上的这些改变，缩短了机体和整机的高度，提高了机体和整机的刚性，减小了发动机体积、重量、金属消耗量和成本，而且减小了往复运动质量、惯性力和主轴承负荷。另外，活塞高度缩短以后，活塞组重量也可减轻。现在发动机各活塞组总重量一般占整机重量的 1.23.0。2 活塞环数近年来，为了减少摩擦功，提高机械效率，减小环区高度从而缩短活塞压缩高和总高度，活塞环数日趋减少。从三十年代的 56 道环槽发展到现在的
3、23 道环槽。研究发现，压缩环多于一道是没有必要的，因为一旦上道压缩环失效，其它的压缩环就不能密封燃烧室的气体，使之不漏入曲轴箱，也不能控制机油沿汽缸壁向上窜入燃烧室。所以与其增加活塞环数，还不如采取措施提高活塞环的使用性能，用一道压缩环和两道油环槽来确保完成密封燃气和控制机油的作用。3 火力岸火力岸高度有适当加高的趋势，特别是燃烧室布置在活塞顶内的半分开式燃烧室柴油机。为防止顶环积炭和胶粘，又要求第一环槽温度不能过高，为此，除采用环槽镶圈外，火力岸有放长的趋势，而且强化程度越高这种趋势越明显。3为了减少燃气对第一环槽的强烈加热，在柴油机活塞上，常在火力岸周边上车出螺旋形浅沟槽，利用迷宫降压原
4、理减少燃气沿活塞与汽缸套间隙下窜。4 活塞顶部活塞顶厚一般趋向减薄。主要受到承受燃烧压力和减小温度梯度这两个互相矛盾的因素所制约。厚度过薄，承受机械载荷能力差，会引起机械变形；厚度太厚，则温度梯度过大，引起热应力和热变形过大。所以活塞顶厚随发动机最高燃烧压力、缸径、是否有油冷、以及燃烧室形式而变。活塞顶内壁采用热流型，即从活塞顶部到环区侧壁的过渡圆弧半径较大，有的还加支撑筋（一般为 4 条） ，目的是使活塞顶部热量能更流畅地传至环区和销座（支撑筋还有加强活塞刚度和强度的重要作用） ，从而减少第一道环及环槽的受热，提高活塞组关键部位的可靠性。5 活塞销座销座部位获得加强并适当放大活塞销直径，销座
5、与环区的连接部位是应力集中的危险断面区。现在内燃机铝合金活塞中应力最大的部位在销座，疲劳裂纹往往出现在销孔顶部，并沿着活塞销座的纵向平面延伸。在该区域采用大圆弧过渡，旨在减少应力集中，也增加受力面积。在强化机型中通常还用 4 根筋把活塞销座与活塞顶部直接连接起来，以直接传递一部分负荷，减轻上述危险部位的载荷。活塞销直径有稍加放大的趋势，目的也是增加销与销座的承压面积。缸径越大、发动机强化程度越高，活塞销直径与缸径之比也越大。6 活塞型面活塞型面对发动机性能和可靠性影响极大，因此在设计新发动机时确定活塞型面是一项重要的研究课题。活塞型面对气缸壁的摩擦、由活塞敲击引起的噪声，以及环隙对冷油机中碳氢
6、化合物的形成和对柴油机中空气利用和压缩比均有重要影响，直接影响发动机的性能。活塞型面又与拉缸、擦伤以及裙部变形而引起机油耗增大和窜气量增大密切相关，直接影响发动机的可靠性。活塞型面从最初的多段正圆柱逐渐演变到现在的环带多段正圆锥和渐变椭圆锥，裙部渐变桶面椭圆锥。裙部形状一般为桶面-椭圆形。桶的轴线与活塞轴线重合，垂直于轴线的活塞截面外周是椭圆形，短轴沿活塞销方向。有些活塞裙部做成多级连续椭圆锥、多级4连续特殊圆等。桶面裙部的优点是均布机油、抗拉缸、防窜油、油膜承载能力大、减少摩擦功和摩损。然而确定最佳型面是一个极其繁复的过程，需要反复进行各种试验，往往要花很长的时间。传统的方法是通过对活塞温度
7、场和刚度分析，使用有限元法并根据经验设计绘制出一个活塞型面，然后将所得到的试验样品装入发动机进行活塞磨痕试验，观察活塞和缸套上的磨痕。经过逐次逼近，最终即可定出最佳活塞型面。可是由于活塞的运动、各种有关因素引起的热变形，活塞还可能受到由缸盖螺钉拧紧力矩、冷却不均匀、气缸壁温度分布等引起的气缸壁变形的影响，以及各缸燃烧不均匀等影响，还有活塞本身的特性（如刚度、自动控制热膨胀活塞的膨胀率随活塞截面不同而变化）都使型面的确定增加了难度。现在采用将复合材料涂在尺寸较小的试验活塞表面上，使活塞裙部与气缸壁间隙接近于零。在发动机最大功率下进行磨痕试验。试验后留下来的复合材料所确定的型面即作为最后的活塞型面
8、。用这种方法只需要作一次磨痕试验即可确定最佳活塞型面。大大节省了研制时间，此外还可以从试验活塞磨损部位的磨痕定量分析磨损强度。7活塞裙部结构活塞裙部既要承受连杆的侧向推力，又要保证活塞的良好导向，所以要有充分的承压面积以形成足够厚度的润滑油膜。既不因间隙过大而发生敲缸，引起噪声和加速磨损也不因间隙过小而发生拉缸。趋向是采用薄壁加筋，既减轻重量又保证具有足够刚度防止变形。活塞裙部与汽缸壁表面的接触面积直接影响到发动机的摩擦损失。然而接触面积小则油膜厚度也减小，当油膜厚度小于二个接触表面不平度的均方根值时就会发生边界润滑，导致摩擦功增大。缩短活塞裙部可以减小接触面而降低摩擦功，但会增大活塞的晃动而
9、造成裙顶和裙底的接触应力升高。也恶化活塞的工作性能。为了解决这些问题，英国 AE 集团的沃尔沃公司发展了一种在活塞裙顶和裙底加工出若干“凸台” ，这种方法可以提高裙部的疲劳寿命，因为裙顶很高的侧推力所产生的弯矩比原来结构要低。这种设计可以减少接触面积 75以上，在宽广的负荷和温度范围内保持接触面积和裙部刚性不变，并通过改善润滑而减小拉缸倾向，通过降低机械变形而提高疲劳寿命。意大利都灵的包戈公司进一步发展了一种5“X”型裙部活塞。即在裙部推力侧每边上下各保留两条导向带，用筋与活塞销座和活塞顶相连接。裙部面积减小到传统活塞的 13，重量减轻 20以上，显著降低了发动机的摩擦损失，降低燃耗油 2，并
10、可以提高输出功率。8防胀活塞活塞各部位的不同工作温度和铝合金活塞与铸铁缸套膨胀特性的不同，造成了控制活塞裙部与缸套间隙的困难。最有效的裙部形状也无法克服活塞与汽缸之间的不同膨胀率。而且在发动机最大负荷下所确定的最小间隙在部分负荷下也会造成过大的间隙而产生敲缸噪声和机油耗增加。为了控制活塞裙部的配缸间隙，使之既不太小而引起拉缸咬缸，又不太大而引起噪声和振动，在活塞裙部和销座之间对称地埋铸一对钢片，并将钢片沿着裙部周围适当延伸，钢片与周围的材料一起构成双金属片，受热膨胀时沿活塞销轴线垂直方向收缩。这种活塞在环槽与裙部的过渡段不开隔热槽，热流可顺畅地传到裙部，所以第一道环槽区的温度比开槽活塞低，强度
11、也比较高。目前，铝合金活塞广泛采用裙部镶钢片或钢圈的方法来控制热膨胀。9活塞的冷却发动机强化度的提高使活塞工作温度相应升高，顶环槽温度在 220以上就可能产生积炭和结胶，引起活塞环粘结和拉缸；温度超过 180，铝合金材料的强度很快下降，可能引起活塞顶支撑部和活塞销座轴承部分高负荷区损坏。通常标定工况的平均有效压力超过 1.034 Nmm 2，活塞就需要冷却。现在的活塞经常采用铸入钢质冷却盘香管或用可溶性盐芯及电子束焊接制成整圈冷却腔。10 活塞的几种失效模式：1） 活塞的磨损量超过允许值，会使功率、速度降低，油耗增加以致敲缸。2） 销孔中心与裙部椭圆中心的垂直度超差，使用中产生扭力矩使活塞变形
12、，产生拉缸。3) 热稳定性差，由于长期在高温下工作，等于在继续时效和稳定化处理，活塞膨胀，原有 0.05mm 的配缸间隙消失，导致咬缸。4) 头道环槽磨损，使活塞环失去弹性，无封闭作用。6总结以上所说，在活塞的设计方面，活塞型面和活塞销座的改变、活塞顶部的增厚、活塞高度的缩短等，正逐渐向“矮胖”方向发展1） 为了提高刚性，发动机的整个高度在缩短变“矮”主要措施是缩短活塞裙部和减少环槽数，后者可使压缩高度减小2） 发动机本身在不断强化，所以活塞的性能必须相应增强变“胖” 主要是指各部分的壁厚都在不断增加，过渡圆角处的 R 也在增大3） 由于发动机的高转速化，活塞必须减轻重量，以减小惯性力尽管壁厚
13、在增大，活塞的整个重量却在不断减轻，这是由于整个活塞高度缩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结构变“矮胖” ，使活塞的表面积对于整个体积来说比例缩小了，所以不利于活塞的散热。为保证活塞不被烧熔和正常润滑，除了在设计方面必须采取一些措施外，以减轻其热负荷；活塞在制造方面也必须有所改变和提高，如活塞的材料、铸造和机加工，以满足其对热负荷的要求。另外，还通过对活塞进行一些表面处理来提高储油性，改善润滑条件。二活塞在制造方面的改变1. 活塞材料活塞材料有“Y” 合金（铝铜合金） 、亚共晶铝硅合金、共晶铝硅合金、过共晶铝硅合金。目前“Y” 合金和亚共晶铝硅合金这两种材料已很少使用，主要
14、是体积稳定性和耐磨性差。现在应用最广泛的是共晶铝硅合金。铝合金 为了满足各种工程的需要，铝中大都加入某些元素，以获得所需要的性能。在国家标准中，铸造铝合金分为 4 类（采用的代号）A铸造铝 硅合金 ZL 1 B铸造铝 铜合金 ZL 2C铸造铝 镁合金 ZL 3 D铸造铝 锌合金 ZL 4第一个字母“Z”代表铸造，第二个字母“L”代表铝合金，第一个数字“1；2；3；4”分别代表铝 硅；铝 铜；铝 镁；铝 锌，第二、三个数字是各合金的序列号，有时 ZL 后面还有字母“D” ，它代表锭的意思。如：ZLD108 8 号铸造铝硅合金锭ZL302 2 号铸造铝镁合金7制造活塞主要采用的材料是铸造铝硅合金，
15、因此，我们必须了解铝硅合金的各种性能。根据硅含量的不同，铝硅合金分为：A）亚共晶铝硅合金：含硅量低于 10亚共晶由于含硅量较低，所以铸造中如果模具具有一定冷却速度的话，可省去变质处理工艺，同时，热处理也可省去固溶处理工艺，即直接时效即可。该材料尽管铸造和热处理的成本低于其他材料，但由于亚共晶铝硅合金的热稳定性和耐磨性差，已不能满足现代活塞的发展要求，所以现已基本不用。B）共晶铝硅合金：含硅量在 1114共晶铝硅合金常常用钠、锶、稀土等变质剂来细化合金组织，提高机械性能。应用最广泛的是钠盐变质剂，钠盐在细化合金组织的同时，也增加了铝液的粘度、增加了铝液的吸气。钠盐变质后，常温下机械性能提高很多，
16、但高温下机械性能提高有限。共晶材料采用钠、锶、稀土等变质剂变质后，得到的是亚共晶的组织，但采用磷变质后，可以得到过共晶的组织。因为得到的是过共晶的组织，所以活塞的使用性能在各方面都得到提升。共晶铝硅合金将以前的钠、锶、稀土等变质剂改变为磷变质后，是活塞材料中应用最广泛的。C）过共晶铝硅合金：含硅量在 1723随着含硅量的增加，活塞的耐磨性、热稳定性等都得到提高，但为了细化初晶硅，达到活塞所需要求，使熔化（铝液熔炼温度的提高、变质剂的改变、精炼要求的提高、铝液浇铸温度的提高等）的铸造成本增加，另外随着活塞硬质点的增加，机加工过程中刀具的磨损也增加，由于综合成本过高，所以除了有特殊要求的产品外，一
17、般不采用该材料。硅在合金中的作用：1）对铸造性能的影响流动性：随着含硅量的增加而提高；气密性：随着含硅量的增加而增大，在共晶成分时表现出最好的气密性；体收缩和热裂性：随着含硅量的增加而减小，在共晶成分时表现出最高的抗热裂8性；疏松：亚共晶的凝固方式属于同时凝固，而共晶成分的铝硅合金凝固方式属于顺序凝固， （过共晶介于两者之间） ，因此表现出的疏松形式不同，亚共晶材料的疏松往往是“发白”或“凹陷” ，而共晶材料的疏松是“孔洞” 。2）对机械性能和加工性能的影响共晶成分中，共晶硅常以粗大的长条状或针状出现，严重地影响了合金的机械性能和加工性能，所以在熔化过程中，常常加入钠、锶、锑、稀土等变质剂，细
18、化组织来提高合金的机械性能和加工性能。在过共晶成分时，粗大的初晶硅是恶化机械性能和加工性能的主要因素，所以在熔化过程中，常常加入磷变质剂进行处理，来提高合金的机械性能和加工性能。随着含硅量的增加，如果不进行变质处理，将会恶化机械性能和加工性能。亚共晶铝硅合金由于含硅量较低，固不需要变质处理。3）对耐磨性和阳极氧化处理的影响随着含硅量的增加，耐磨性提高；随着含硅量的增加，阳极氧化处理质量下降。其它元素在合金中的作用：铝硅合金中除了添加硅外，还添加了铜、镁、镍、锰、钛等元素，各元素在合金中的作用：铜的加入，使合金的高温性能提高，但合金的耐腐蚀性能降低。当含铜量含镁量2 时，使合金可经热处理固熔强化
19、。镁的加入，使合金可经热处理强化，但少量的镁起不到强化作用，而过量的镁使合金的延伸率下降。镍的加入，提高合金的耐热性和降低形成针孔的倾向。锰的加入，可以消除铁的有害作用，另外也能提高合金的耐热性。钛和硼的加入，能细化晶粒，改善流动性，但易形成高熔点难熔金属间化合物的沉淀。铍的加入， （2540 PPm）能优先氧化，提高了铝液表面氧化膜的致密度，有效防止铝液的氧化和吸气。9钒的加入， （400500PPm）能抑制自然时效现象和提高抗应力腐蚀性能。合金中的铁、钙、硫、钠等都属于杂质元素。新金属料的主要杂质铝- 银白色；硅和铁 铜- 紫红色；铋、锑和砷镁- 银白色；硅和铁、其他碱金属 硅- 深棕色；
20、铁、钙和铝锰- 银白色；硅、磷、铜和铁 镍- 灰白色；铈、硫和碳其他材料从材料方面来看，尽管采用了热膨胀系数比较低的铝硅合金，但是，由于铝硅合金的主要成分是铝，所以其耐热强度有一定限度，因此在考虑活塞材料结构时，大致可根据活塞单位面积的功率大小来选择：活塞单位面积的功率 0.33 马力CM 2 时，一般用整体式铝硅合金，喷嘴喷油冷却；活塞单位面积的功率 0.42 马力CM 2 时，还是用整体式，但头部设置冷却油道；功率再大的活塞一般采用组合式，即头部用钢或球墨铸铁，裙部用铝硅合金；或者整体用铸铁活塞。主要活塞材料特点A铸造铝硅合金活塞铝硅合金的优点是密度小，可大大减少活塞的质量及往复运动的惯性
21、力，因此铝硅合金活塞常常应用于中、小缸径的中、高速内燃机上，尤其以汽车发动机中居多。在同样强度的情况下，它比钢铁材料轻许多。因此，采用铝硅合金制作的活塞工作过程中产生的惯性小，对高速内燃机的减振和降低内燃机的比质量有着重要的意义。此外，质量较低的铝硅合金活塞运动时，对缸壁的侧压力和冲击力也较小，这样可以减小活塞组与缸壁以及活塞销的摩擦力，并降低它们的磨损量。铝硅合金的另外一个优点是导热性好，工作时，活塞表面温度比铸铁的低，而且活塞顶部的积炭也较少。B铸铁活塞现代内燃机尤其是柴油机，为了大幅度地提高其热效率，增压程度不断地提高，10这使得气缸内部的热负荷明显增大。这使铝硅合金活塞本身所固有的热强
22、度不高、线膨胀系数较大的缺点越来越突出，铝硅合金活塞在柴油机上的使用范围受到明显的限制。为此，在一些大负荷的柴油机上，开始采用热强度和耐磨性较高而线膨胀系数较低的铸铁活塞。铸铁的密度约为铝硅合金的 3 倍。与铝硅合金相比，它有较低的热膨胀系数及较高的高温力学性能。活塞重量的增加至少可以部分补偿为铸铁活塞显著提高的热强度，热强度的提高可以容许更小的截面积。通常，铸造活塞用的铸铁，其金属基体以珠光体为宜。其中，所含的石墨以片状、点状和球状分布均可。另外，在铸造状态下，其显微组织中可能具有奥氏体或贝氏体。对内燃机用的活塞铸铁，除上述要求外，还应具有晶粒度的稳定性以及抗热裂纹和腐蚀-疲劳损伤的性能。C
23、铸钢活塞铸钢的机械强度高，耐热性、耐腐蚀性以及耐磨性均优于铝硅合金和铸铁，具有高的弹性模量，优良而稳定的高温性能和比较低的线膨胀系数等优点，但缺点是密度大、加工麻烦、成本高，对缸套的磨损严重。为使活塞质量更轻，通常将钢制活塞的结构设计的十分复杂，活塞体断面很薄。由于省去了大量的材料，整个活塞的质量比目前镶嵌耐热奥氏体铸铁环槽的铝硅合金活塞约轻 30，具有实际应用价值。制造工艺上，需要设计好铸造工艺，以使得活塞体中较薄的截面都能准确铸成且成品率较高，同时变形小。总之，活塞材料应满足以下几点要求：（1）密度较小，以降低活塞的往复惯性力；（2）较小的热膨胀系数，以减小活塞与气缸壁的间隙，保证热车时不
24、拉缸，冷车时活塞不敲击气缸壁（3）既有较小的从燃气吸热的能力，又有较大的热传导系数，以减低活塞顶部和环区的温度；（4）耐热性高，在高温下材料有足够的机械强度；（5）良好的减摩性能与耐磨耐腐蚀性能；（6）价廉，工艺性能良好。2 活塞铸造11活塞毛坯成形方法，不外乎以下几种：重力金属模铸造、压力铸造（低压铸造和液态模锻） 、半锻造法、热挤压成形法。重力金属模铸造至今仍是发动机活塞的主要成形方法。但国外一些活塞制造专家认为，高压铸造即液态模锻是今后的发展方向。其理由是在液态或半液态条件下施加压力（7001200 Kgcm 2） ，使铝液快速凝固，从而得到细密的金属组织，改善活塞的机械性能，另外毛坯质
25、量比较稳定，能有效地克服普通铸造中常出现的气孔和补缩不够引起的缩松，且加工余量小。现在，一些形状简单，特别是内腔比较简单的活塞，如空压机和重载用途类的活塞，常常采用压力铸造来完成。1）手工金属模重力浇铸所有动作全部靠人工完成，上抽芯，底板通水（冲水）冷却，模芯和销子人工淬水冷却。它的优点是成本低、上马快，适合小批量、多品种、产品壁厚差小、薄壁活塞铸件。缺点是宏观组织不稳定（特别是销座壁厚处） 、浇冒口和铸件比大（燃料、铝耗增加） 、操作工劳动强度大、产品质量受人为因素影响大、铸件尺寸精度和一致性差等。2）半自动浇铸机除了浇铸、取件、按钮、放过滤网是人工外，其余都由浇铸机自动完成。由于采用了下抽
26、芯，外模、模芯、销子、顶模均可按照凝固要求进行冷却，所以铸件质量（合格率）和生产效率大大提高。它的优点是适合大批量、少品种的生产、铸件质量稳定、浇冒口和铸件比小、操作工劳动强度小。缺点是一次性在设备、模具和辅助设备上的投入较大，需挖地坑或搭操作平台、设备模具的维修力量需加强。上抽芯半自动浇铸机也有，可省去挖地坑或搭操作平台，设备也简单，但宏观、金相组织不如下抽芯浇铸机。3）全自动浇铸机一开始的全自动浇铸机概念是浇铸、取件、开合模不需人工完成，而现在的全自动浇铸机增加了设备的倾斜、放置过滤网、镶圈的渗铝和放置、钢片的预热和放置、铸态淬火、去浇道等全部由浇铸机和机械手自动完成。浇铸机械手也从以前的
27、浇铸一模一腔，发展到现在的四模八腔，生产效率大为提高。123 活塞热处理热处理能提高活塞的强度，消除铸造、机加工引起的内应力，改善体积稳定性，是保证必要的机加工性能的重要的工艺措施之一。活塞热处理有两个过程：时效处理和淬火处理（固溶） ，淬火处理又可以分为铸态淬火和人工淬火两种。不管什么材料或活塞，时效处理都是必须的，淬火处理可根据材料来定。一般亚共晶铝硅合金材料单时效处理即可，共晶和过共晶铝硅合金材料必须淬火加时效处理。淬火处理采用铸态淬火还是人工淬火，第一要满足活塞图纸的机械性能要求，第二根据材料中的其他元素含量，特别是镁和铜的含量来定，第三根据活塞的形状来定。铸态淬火就是利用铸件的余热来
28、进行淬火；人工淬火是将铸件通过加热并保温一段时间后进行淬火。从两种方法上我们能明显看出，铸态淬火比人工淬火不管是人力还是物力上都要节省很多，所以现在大多企业都在使用该工艺。但由于很多公司对此技术了解不够全面，因此也产生了一些其他问题。活塞用铝硅合金中的主要强化相是 Mg2Si、CuAl2、Al3Ni，由于金属模浇铸的凝固速度较快，特别是亚共晶铝硅合金凝固速度更快，因此 CuAl2 相很难形成；第二除了 ZL109 合金外，其余合金中不含镍，因此强化相只剩下 Mg2Si，所以亚共晶合金的活塞单时效处理即可，不需要淬火处理。随着含硅量和含铜量的增加，凝固速度发生了变化（同时凝固变为顺序凝固） ，组
29、织中除了Mg2Si外，还产生了少量的 CuAl2 ，ZL109 合金还产生了 Al3Ni 强化相，所以单一的时效处理强化作用不完全，必须要淬火处理。采用铸态淬火还是人工淬火，可根据材料中的含铜量含镁量的比值来定，2.0时，可以采用铸态淬火；2.1时，必须采用人工淬火。活塞热处理（不管是淬火处理还是时效处理）的工艺制定，无非是制定以下三个参数：A 加热温度 B 保温时间 C 冷却方式。加热温度的提高可以缩短保温时间和提高活塞的使用性能，但高温会造成活塞铸件表面的氧化和影响活塞的外观质量；加热温度低，保温时间就必须延长，势必影响设备的利用率和生产节拍并影响到活塞的使用性能。活塞淬火处理温度一般在4
30、80510，保温时间在14小时，时效处理温度一般在170230，保温时间在512小时。在没有特殊要求时，我建议淬火处理温度490500，保温时间1.5小时，水温6070，时效处理温度13215，保温时间56小时，该工艺能基本保证活塞的加工性能和使用性能。当图纸或用户有特殊要求时，我们可对工艺进行适当调整，如对活塞不加工面要求高时（不希望发黑） ，淬火处理温度采用490；对硬度HB要求高一点时，可以把时效处理温度降低一些；如对体积稳定性要求高时，可以把时效处理保温时间延长一些等，总之产品不同、要求不同、材料不同、用户不同，所以制定工艺要灵活，要有针对性。要达到热处理效果，除了要有合适的工艺外，热
31、处理炉也很关键。不管是哪种炉子形式，炉内各点的加热温度必须均匀，保证热空气循环畅通，否则同炉活塞的机械性能就会各不相同，在活塞的硬度值上能明显反映出来。对于一些特殊产品的活塞，必须采用特殊的热处理工艺来解决。比如镶圈活塞，如果也采用常规淬火处理，就会影响镶圈与活塞本体的粘结力和粘结率。因此对于镶圈活塞而言，不管是采用铸态淬火还是人工淬火，淬火部位只能是止口到销孔中心，不然就采用强制风冷，绝对不允许将整个铸件放入水中。4 活塞机加工外圆以车代磨、硬靠模到软靠模、销孔从圆柱到喇叭口到椭圆形、外圆型线的变化、在考虑活塞工作膨胀情况时，一般是分别研究其纵向轮廓与椭圆形的横截面轮廓的变化。为了便于热传递
32、，纵向轮廓最好是按对数线段连接。但在以前加工技术跟不上的时期，一般以斜线段来代替。现在，曲线加工技术已被大家所掌握，可以加工出非常复杂的、有利于防止活塞摇头及机械变形的曲线。另一方面，对椭圆形的横截面轮廓形状也提出了新的要求，即希望它在活塞轴向不同位置的形状也不同，要求它从以前的直线性变化的椭圆发展到渐变的椭圆。为了使活塞与缸套更完全地接触，现在将活塞设计成弹性体，允许它有一定的弹性变形。活塞的椭圆加工用简单的椭圆已不能满足，因此，出现了椭圆上再叠加椭圆的所谓双椭圆形状。活塞外形轮廓的改进，最终目的是为了使它在工作时能与气缸滑动面更完全接触。能防止活塞的偏磨、局部拉毛现象，但却引起接触面润滑困
33、难。因此，为了保持和提高接触面的储油性，把表面光洁度降低，另外，用表面处理的方法来弥补。145 活塞表面处理活塞的表面处理按其部位可分为活塞顶部、裙部外圆和活塞环槽。活塞顶面进行硬质阳极氧化，用以提高活塞顶部的抗热裂性能。裙部外圆进行喷涂石墨和镀锡，以改善活塞的初期磨合性能和防止冷启动活塞拉缸。活塞环槽进行镀铬、镀镍和镀铁锡，以提高环槽抗腐蚀磨损和抗冲击磨损的能力。据最新资料记载，MAHLE 公司早在 90 年代，已经把环槽硬氧应用到了轿车活塞上，在提高第一道环槽的耐磨性方面取得了很大成功，预计不久的将来，该技术的应用范围还将不断扩大。随着技术的发展和社会的不断进步，发动机输出功率不断提高，活
34、塞承受的热应力和机械应力也相应的上升，从而导致活塞顶燃烧室周壁的热裂而成为铝活塞面临的棘手问题。预防活塞顶面热裂的手段有多种，应用顶面硬质阳极氧化技术改善活塞顶面的热裂性，来预防活塞顶面的开裂已有相当长的历史，硬质氧化膜的厚度一般为 40-80um，显微硬度一般为 Hm2000 以上，实践表明，这种硬质阳极氧化铝膜对活塞热裂有及其良好的抑制作用，用硬质阳极氧化处理的活塞，使用寿命是未经阳极氧化处理活塞的 4-5 倍。5.1 活塞裙部喷涂石墨在发动机功率损失中，主要有机械摩擦损失和驱动附件损失等，其中机械摩擦损失所占比例最大。尤其是活塞与缸套之间的摩擦，因其接触面积大、活塞运动速度高且变化幅度大
35、，致使其造成的功率损失在全部摩擦损失中所占比例可达 1/3，特殊条件下还会高于 1/3。因此改善活塞与气缸之间的摩擦状况，降低摩擦损失，也就是说如何改善活塞与缸套的润滑性，已成为减小发动机功率损失的非常重要的研究课题。活塞裙部喷涂石墨就是解决这个课题的一项重要手段，石墨具有良好的润滑性，抗压强度高，耐高温氧化，还有良好的导热性、热稳定性、耐腐蚀性和较低的摩擦系数（一般为 0.11） 。所以，活塞裙部喷涂石墨后，即可改善活塞初期的磨合性能和冷启动的抗拉强度，又可起减磨作用，降低活塞与气缸的摩擦功，活塞表面喷涂石墨就是用粘结剂将石墨均匀的粘结在活塞的裙部，利用石墨具有的自润滑性，在活塞运动中起润滑
36、作用，来减小摩擦力的，同时也避免了因润滑不足而造成的磨合不好以及活塞的拉缸现象。另外，在发动机磨合初期由于石墨层的自身润滑性也极大15提高了缸套与活塞的抗疲劳性。因此喷涂石墨技术不仅能够降低发动机的摩擦功损失，同时也能显著提高活塞的寿命。为增强粘合性，在喷涂石墨前，必须对活塞进行喷涂前处理。这一工序非常关键，因为该工序处理的好坏，关系到喷涂的粘合效果。喷涂前处理主要是将活塞经过多工序的清洗、除油后，再对活塞表面进行磷化，使活塞表面形成一层粗糙的带有微观孔洞的表面。当石墨喷涂到该表面上以后，石墨颗粒可以渗入到表面微观孔洞内部，即使活塞经过长时间的磨合后，将表面的石墨层磨掉一部分，微观孔洞内的石墨
37、仍然能起到润滑作用。现在西方发达国家的活塞生产企业已经不再进行黑色磷化，而是采用印刷石墨的技术（现在该技术在我国也已普遍使用） ，直接将活塞清洗干净后，采用配制好的石墨乳剂进行印刷，完毕进行固化。该项技术对活塞的清洗提出了很高的要求，德国采用纯净水清洗，根据现场的情况，效果要比喷涂石墨为好。5.2 活塞硬质阳极氧化处理铝及铝合金在相应的电解液中，在特定的条件以及外加电流电压作用下，在阳极上形成硬质氧化膜的过程叫做硬质阳极氧化。A、顶面阳极氧化处理：硬质阳极氧化是铝活塞及其合金氧化处理的一种工艺，它具有获得氧化膜厚、硬度高、耐磨、耐蚀性强、绝缘性好并与基体结合牢固等优点。当发动机装有阳极氧化的活
38、塞时，因为经多孔阳极氧化处理后的活塞表面有储油作用，所以可使燃油消耗率下降 7%。顶部经阳极氧化处理的活塞，其氧化铝表面是一种隔热体，能降低传给活塞的热损失，这种回收的热能，改进了燃烧特性，因而降低了燃料消耗率和排气温度。这种隔热的氧化铝表面，减少了活塞受热和膨胀，避免与缸套摩擦，特别是在高速运转和全负荷时，能使摩擦损失、燃油消耗率及排温有所下降。近年来，随着发动机的高功率化，活塞的热应力和机械应力都在增加。而且由于柴油机铝活塞在交变高温高压燃气下工作，在爆发燃烧使活塞顶部温度升高的时候，在燃烧室口部产生压缩应力。因此活塞顶部燃烧室周围容易发生热龟裂现象，如果有阳极氧化处理层，那么在阳极氧化处
39、理层附近的母材部分产生拉伸应力，该拉伸应力有缓和产生在铝母材部分压缩应力的作用。活塞头部和第一环槽处因高温16可能会产生熔融、开裂、积碳和磨损等现象，使用电化学的方法使活塞顶部生成一层很硬、耐高温、耐腐蚀且具有良好的隔热性的氧化膜（Al 2O3） ，能弥补铝合金活塞的上述缺陷。用硬质阳极氧化处理的活塞，其寿命是未经处理的活塞寿命的 4-5 倍。硬质阳极氧化膜的厚度一般为 40-90um，硬度可达 300（HV）以上。经过严格的实验室测试及在各种工作条件下的使用，证明硬质阳极氧化是抑制热龟裂非常有效的方法。该处理方法尤其适用于增压柴油机机活塞及工作条件恶劣的大功率柴油机活塞。铝活塞阳极氧化的反应
40、机理如下：阳极氧化膜的形成过程是由两种反应共同进行的结果，一种是 Al2O3的形成反应，一种是 Al2O3被电解液不断溶解的反应，当 Al2O3的生成反应的速率大于溶解速率时，氧化膜就能顺利的形成并生长，并能保持一定的厚度。阳极氧化虽然不一定总是需要直流电源，在使用交流电源的情况下阳极和阴极在不断交替变化，但 Al2O3的形成反应总是作为阳极时发生：阳极：2Al + 6OH 6e = Al2O3 + 3H2O（主要）4OH4e = 2H2O + O2（次要）阴极：2H + + 2e = H2B、环槽阳极氧化处理：随着汽车工业的发展，发动机的工况趋向于高压、高速改进。对发动机心脏零件之一的活塞也
41、有越来越高的要求。在保留传统铝合金材料的同时，通过表面处理来改善和提高铝合金材料在发动机工况下的性能是一种非常重要的手段。针对发动机油耗的问题，许多设计对活塞的结构作了改进，提高了第一道环槽的位置，但是同样也衍生出了因顶部压力增加而导致的活塞环与活塞环槽的粘连问题。在发动机以较高的特定性能参数和低顶部高度的情况下运行，第一道环槽的温度将大于 250。这个温度可以造成环槽侧面和第一道环之间产生细微的焊连，尤其新的发动机更容易产生。到今天为止，解决细微焊连的最佳保护措施是对活塞的第一个环槽进行阳极氧化。在第一道环槽内进行阳极氯化能提高耐磨性和防护性，同时也提高了环槽的热负荷。活塞的环槽阳极氧化通常
42、采用浸浴或循环流动工艺，这两种工艺的主要区别在于阳极氧化膜的转化速度。浸浴工艺的阳极氧化膜转化速度约在 O2O5pmmin17左右，循环流动工艺在 1520pmmin。由于速度上的优势，我们选用循环流动阳极氧化工艺。影响铝合金活塞环槽阳极氧化因素1 活塞材料组成活塞在阳极氧化过程中，铝被转化为三氧化二铝。所以高纯度的铝是阳极氧化的最理想材料。但是活塞材料使用的铝多为合金铝，例如本公司采用的 KSl275 和KSl295 合金就含有较多重金属和硅的材料，这些合金元素对环槽阳极氧化的工艺进程和氧化层的质量有着负面的影响，甚至影响转化。2 环槽机加工处理环槽的机加工处理必须使用 PKD 刀具，分为环
43、槽预处理和终处理以及相应的工艺参数。保证环槽侧面无挤压加工或至少保证环槽侧面最大允许压缩度为 5rn。在阳极氧化前压缩等级可以采用放大倍率为 100500 的显微镜对显微截面进行观察，近表面硅的碎裂深度达到微米级。受挤压加工的活塞环槽表面的局部电阻要比没有压缩的表面的电阻要高，这将在后来的阳极氧化中产生不利影响：涂层厚度的不均匀性；需要较高的电压，从而造成内部热量上升、造成涂层烧焦和铝合金熔融的危险。所以机加工处理的时候要严格控制环槽的切割质量。5.3 镀锡近几年来，随着我国汽车工业的发展，素有“发动机心脏”之称的活塞行业也有了长足的进步，为提高活塞表面的性能，改善活塞与气缸的表面磨合，防止活
44、塞的拉缸，将活塞表面进行镀锡技术的应用也越来越广泛，尤其是轿车活塞应用最为广泛。镀锡活塞容易出现的质量问题以及处理方法：A、环境腐蚀铝活塞因在大气中形成一层氧化膜不容易被腐蚀，但当其表面上镀上一层金属后，由于两者电位不同，在一定条件下容易形成电化学腐蚀。我们发现镀锡活塞成品在储运过程中发生了两种腐蚀，一种是打包入库的活塞，活塞表面出现“黑斑”腐蚀，轻着表现为黑色电状腐蚀；另一种是刚刚从镀锡生产线上下来的活塞，活塞18的表面出现白色粉状堆积物。这两种腐蚀有一定深度，是铝活塞基体的腐蚀，造成批量废品损失。为此专门对该问题进行探讨。实验结果及分析：未经涂抹防锈油的活塞，即使使用塑料纸包装，活塞仍全部
45、发生了“黑斑”腐蚀，用气相防锈纸包装的活塞经试验后也发生腐蚀，这说明镀锡活塞的“黑斑”腐蚀与使用是否使用防锈油有关系。众所周知，锡在空气中是比较稳定的，对铝活塞基体而言是阴极性镀层。镀锡层有一定的空隙率，而通常使用的塑料袋是聚氯乙烯材料，在一定的温度条件下，活塞表面容易形成无数微电池，阳极是活塞基体，主要反应是：Al3eAl3+,阴极是镀锡层，主要反应是：H+2eH2,塑料袋中所含的氯气在温湿条件下形成电解质，从而导致铝活塞的电化学腐蚀。其次我们采用的自来水中含有的杂质也是造成活塞基体腐蚀的另一方面原因。B、包装物原因由于聚氯乙烯中的氯容易造成铝活塞的腐蚀，必须拆除塑料袋包装，换用涂901#油
46、蜡纸进行包装。而且还必须控制活塞在储存期间的温度和湿度不能太高，尤其镀锡活塞要彻底干燥后再进行包装。这要求在实际生产中必须加强镀锡活塞烘干的质量，使活塞充分干燥以后再进行包装，是预防镀锡活塞表面腐蚀的重要手段。C、出现问题以后的处理1.活塞表面存在宏观组织疏松。例如：缩孔、缩松等缺陷。该种类型的活塞经镀锡以后，活塞经过酸洗以后，存在组织缺陷的部位被腐蚀，镀锡后可在活塞的表面形成黑点。2.除油液不洁净。因为活塞表面残存油污，造成镀锡表面不均匀，可能造成印斑的存在。改进措施是经常换化学除油液，保证除油液洁净无污。3.镀锡液中杂质含量过高。由于镀锡的温度较高（约 90-100） ，锡液已呈沸腾状态,
47、如果镀锡槽长时间未清洗，底面沉淀的杂质便会飘浮上来,沉淀在活塞的表面，造成表面没镀好。改进措施是严格执行工艺要求：每班沉淀一次镀液，刷洗镀槽。4.最后一道工序水温太高。原先工艺最后一工序用热水洗，由于热水温度过高，活塞表面残存的锡仍在反应，致使活塞表面出现印斑。改进措施：通过试验，将最19后一道热水洗改为冷水洗，大大减少了活塞表面印斑的存在。5.车间内腐蚀性气体较多，活塞刚镀锡完时，表面残留的水分没有完全挥发干净，便立即拉到总检进行包装，造成残留水分没发挥发，活塞因潮湿造成冒碱，经过实验验证：镀锡后对活塞进行烘干可以减少活塞的冒碱，进一步减少活塞表面腐蚀。建议改进措施：活塞镀完锡后放到烘干炉中
48、进行烘干，烘干温度 100，烘干时间 30 分钟。待温度冷却到室温以后再送总检。6生产过程中镀锡活塞的连续性必须得到保障，即每进行完一道工序应及时转入下一工序，热别是在夏季，由于空气较潮湿，而且有时温差较大，有可能在活塞的表面形成水气，所以从镀锡生产线上下来活塞及时进行干燥处理，转入包装。7锡酸钠改为锡酸钾能改善活塞表面出现“黑斑”或“针点”腐蚀，这是因为采用锡酸钾镀上的活塞表层锡比较致密，不容易被腐蚀。三、活塞热工方面的问题1.熔炼熔炼过程中现在更趋向集中熔化、精炼，分散保温的形式。这种形式不管是对质量、管理还是环境都带来好处。但前提是：必须材料牌号少、产品量大、需使用移动式保温炉或铝液的转
49、运能力，相对目前一些中小企业来说，在设备投入上会大一些，会有困难，但这是活塞行业以后发展的必走之路。熔炼过程简单的说，就是把固态的铝合金变为液态的铝合金。好的铝液标准有3 条：A.元素成分合格； B. 铝液变质良好； C. 铝液纯净度高。要做到元素成分合格，光控制 Si、Mg、Mn、Ni、Cu、Ti 等主要元素还不够，杂质元素 Ca、Na、Fe 等也必须控制，特别对自己配料的公司，更要注意铝和结晶硅的采购，铁和钙主要是从这两种原材料中带入的。现在用铁坩埚熔炼、保温的越来越少，因此对铝的牌号要求比以前有所放低。钙的存在，会影响铝合金的凝固方式，使铸件的废品率上升，钙最好能控制在 30 ppm 之内（0.003） 。当然，如果采用氯气或六氯乙烷进行精炼的话，可适当放宽。其次，要做到铝液变质良好，变质剂的选择、铝液的变质温度、正确的变质方法都会影响到铝液的变质效果。由于钠盐变质剂的局限性，现大部分企业已采用磷变质剂，但许多企业不明白钠盐变质剂和磷变质剂的区别，更不清楚同
