尚自河 张 斌：铸造铝活塞用铝硅合金材料加丁性能概述 １３ 铸造铝活塞用铝硅合金材料加工性能概述 Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｉｓｔｏｎ Ｐｉｎ Ｈｏｌｅ Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｄｅｇｒｅｅｓ 尚自河 张 斌 （山东滨州渤海活塞股份有限公司）
［摘要］活塞用铝硅合金是在金属基体铝（Ａ１）中加入硅（ｓｉ）形成的 一ｓｉ合金，合金中又加入 其它成分，以便在保证高耐磨性的前提下，提高合金的强度、塑性、高温强度以及加工工艺性能等。 该类合金随着含硅量的增加，初晶硅数量增多，形成硬质点颗粒，均匀分布在合金基体中，使合金 材料的基体硬化程度逐渐增强。但其加工性能却逐渐降低，对加工刀具提出了更高的要求。 ［关键词］活塞材料；铝硅合金；刀具材料；加工性能
１ 活塞对合金材料的要求 在发动机的所有部件中，活塞是承受应力和温 度范围最广的部件之一。它在发动机中必须承受较 大范围的静应力和动应力，并承受从零下几度到 ８０００（］左右的温度变化，由于爆燃及冷却等原因的影 响，其承受的瞬时温度可能还要高很多。因此，选择 最合适的工件材料并确定最有效的制造工艺成为能 否成功生产活塞的关键。选用的工件材料不仅必须 具有完成技术功能所需的物理性能和机械性能，而 且在制造和使用过程中必须可靠、经济。因此，一种 理想的活塞材料必须满足很多方面的要求，而且往 往是互相矛盾的要求。一般情况下这些要求可大致 归纳如下：具有一定的常温强度和尽可能高的高温 强度；热膨胀系数小；热稳定性好，即反复加热时， 永久变形量小；具有良好的减磨性、耐磨性、耐热性 及抗腐蚀性；吸热性差，而导热性好；较小的比重（重 量轻），较强的比强度和比刚度；较高的疲劳强度；价 格便宜，成型性好，热处理工艺简单；材料切削加工 性能好。 迄今为止．还没有一种单一的材料能够完全满 足上述复杂的要求。因此，合金材料的选择应多方 面予以兼顾。铝硅系合金具有优良的铸造性能，良好 的耐热、耐腐蚀性，以及较低的线膨胀系数和比重。 特别是随着硅含量的增加．能获得更低的线膨胀系 数和高耐磨性。因此，Ａｌ—Ｓｉ合金特别是共晶Ａｌ—Ｓｉ 合金作为内燃机活塞材料被广泛采用。过共晶Ａｌ— Ｓｉ合金具有良好的使用性能，在国内外采用量也越 来越大。 ２影响材料切削加工性能的因素 （１）材料的硬度对切削加工性能的影响 一般情况下，材料硬度越高其切削加工性越低。 材料硬度高时，切屑与前刀面的接触长度减小，致使 前刀面上的法向应力增大．摩擦热量集中在较小的 刀一屑接触面上，使切削温度增高和加剧刀具磨损。 工件材料硬度过高时，甚至会引起刀尖的烧损及崩 刃。另外，工件材料中的硬质点愈多，形状愈尖锐， 分布愈广，则工件材料的切削加工性愈低。硬质点 对刀具的磨损作用有两个方面，其一是硬质点对刀 具的机械擦伤作用；其二是工件材料晶界处微细硬 质点能使材料硬度和强度都提高．致使在切削过程 中对剪切变形的抗力增大，使材料的切削性能降低。 （２）材料的强度对切削加工性能的影响 材料的强度愈高，切削力就愈大，切削功率消耗 增大，切削温度因之增高，刀具磨损加剧。一般情况
铀 弛 蒜～ 一 旭 １４ 内燃机与配件 下，切削加工性随着工件材料强度的提高而降低。 （３）材料的导热系数对切削加工性能的影响 一般情况下，导热系数高的材料．其切削加工 性较高，导热系数低的材料，其切削加工性较低。导 热系数低的材料，在加工过程中温升较高，控制加 丁尺寸比较困难 （４）材料金相组织对切削加工性能的影响 金属的材料相同，但金相组织不同时，其力学 物理性能也不同，致使切削加工性能不同。 ３常用铝活塞材料加工性能 （１）亚共晶ＡＩ—Ｓｉ合金：该材料的常温强度高， 铸件内部的应力变形率低，含硅量低．基体中硬质点 较少，硬度也相对较低，所以其加工性能较好。 （２）共晶Ａ１～Ｓｉ合金：从综合性能来看是比较理 想的活塞材料，目前应用最为广泛。该材料膨胀系 数小，耐磨性好而且比重小 共晶Ａｌ—Ｓｉ合金不进行磷变质时，其金相组织 为树枝状的仪固溶体和（（ｘ＋Ｓｉ）共晶体组成的亚共 晶型组织。共晶硅呈细粒状或粗片状，见图１。 磷变质后共晶体上均匀分布着小块状的初晶 硅，共晶硅呈粗短条或短杆状，见图２。据有关材料 介绍，这有利于材料耐磨性和高温强度的提高以及 膨胀系数的降低。因此，作为活塞材料，这才是适宜 的。铝合金材料机械加工性的优劣主要取决于初晶 硅的析出程度，析出的初晶硅越多，晶粒越大，机械 加工性越差。 图１ 末进行磷变质时共晶Ａ Ｊ—Ｓｊ合金的金相组织 呐 ＾０ｃ．ｖ ８皤 ８卿蜘 图２不进行磷变质时共晶ＡＩ—Ｓｉ合金的金相组织 ∞ ：勰ｋ、ｆ ：Ｓ ｝ ：蠢＇ －ａ ０盯 翰 （３）过共晶（高硅）Ａｌ—Ｓｉ合金：过共晶销硅合金 的常温组织是初晶硅加共晶组织。在未经变质处理 的共晶铝硅合金中．硅呈粗大针状，严重影响合金的 力学性能。变质处理能有效地改变共晶硅的形状，使 其呈细小球状分布，合金的力学性能大大提高。｝＿｝ｊ丁 过共晶合金含有大量的初晶硅，除了要进行共品辟 变质处理以外，还要进行初晶硅变质处理。初品硅细 化是使过共晶铝硅合金具有使用价值的关键。初品 硅硬而脆ｆ显微硬度９００Ｈｖ一１３００Ｈｖ１，当均匀弥散分 布时，作为硬质点可以提高合金的耐磨性，还能在・ 定程度上阻止位错在基体滑移面上的滑移．使合金 强度提高，同时，对共晶基体的切削加上性能影响较 小。但若呈粗大板条或针片状大量分布则会严重割 裂基体．使合金失去必需的使用性能，也使合金的切 削加工非常困难。因而，尚未在工业Ｌ大量应用。近 年来，由于科学技术的发展，需要采用线膨胀系数很 低和耐磨性很高的铝合金材料来制造内燃机活塞 又由于有了改善初晶硅形态的处理方法，切削技术 及刀具材料也有了更快的发展．才使得过共品铝硅 合金在生产上得以应用。随着过共品铸造钒合金的 发展，合金中硅的含量已从初期的１４—１８％提高钊 ２２—２６％：由简单的铝硅二元合金发展到含有多种其 它合金成分，如：Ｃｕ，Ｍｇ。Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｔｉ，Ｂｉ等多种过 共晶Ａｌ—ｓｉ合金，以便在保证高耐磨性的前提下，提 高合金的强度、塑性、高温强性以及改善其加工工岂 性能等。该类合金的热膨胀系数、耐磨性、高温强度、 体积稳定性等关键指标比共晶Ａｌ—Ｓｉ合金的更好 随着含硅量的增加．初晶硅数量增多．而且有时粗大 （变质不好），使切削加工性能随之降低，所以目前已 用于直径较小的高性能摩托车活塞以及大功率的柴 油机活塞。 相同硅含量的过共晶铝硅合金 组织不相ｆＩ＿ｉ＝ｊ时 （如图３所示）其切削加工性能有很大的差别，组织 中初晶硅的大小、形状和分布状况对刀具寿命、切悄 形成、加工表面质量等方面都有很明显的影响 具有 细小、分散而形状圆钝化初晶硅的过共晶销硅合余 有比较好的切削加工性能，切屑变形相对较大，切削 过程中硅块容易协同基体变形和被 入基体，刀具 受磨料机械磨损的作用轻微，寿命较长，已加 表嘶 粗糙度较小，加工硬化明显：切削具有粗大初品硅的 过共晶铝硅合金时．切屑薄而短，存剪切变形 硅块 大量碎化。切削表面的硅块受刀具冲击挤 发生斛 （Ｆ转第１９页）
㈣ 洲 一 任瑞香：活塞销孔圆柱度的测量 ｌ９ Ｉ ———一 Ｌ １ 一 一Ｌ ２一
图１ ３ 注意事项
加工测量棒注意事项：一定要将测量棒锥角Ｏｔ 加工成ｏ【＝８ ～１２ 。在试验时我们曾将测量棒锥角Ｏ／． 加工成２。、ｌ。３０ 、１。、４０ 、２０ ，用其测量时，均不能很
好地找正活塞销孔。测量的销孔圆柱度值均在４微 米以上。分析原因，锥角太大时，由于销孑Ｌ与销孑Ｌ测 量棒成线接触，接触面小，配合不稳定；当将锥角加 工成８ ～１２ 时配合良好。测量出的圆柱度值与设备 应该达到的加工精度一致；再将锥角加工小些时，会 大大加大加工难度。因此制做销孑Ｌ测量棒时加工锥 角Ｏｔ是关键。另外销孔测量棒配合表面粗糙度Ｒａ 要满足要求，太粗了，容易划伤活塞销孔；销孑Ｌ测量 棒的Ｕ部分和Ｌ２部分的同轴度要保证要求．这样 能提高找正销孑Ｌ的速度。 测量注意事项：测量时不能按照常规方法测量 圆柱度．必须将一个圆柱度测量分解成两个圆度测 量，先测量一个截面，在旋转台静止情况下上升测 针，再测量另一个截面。否则容易挂测针。使测量中 心线改变
（上接第１４页） 理或脱落、位移，由于直接与刀具发生强烈的摩擦而 嘲 ＾ｃｃ‘ｖ ６｛ｇ 姻 （１）初晶硅细密 Ａ０ｃＩｖ 陶槲 ８ｐ０ｔ妇ｌ 留许多缺陷，外观呈亮暗花斑分布，加工硬化很不均 匀。用金刚石等高硬度刀具切削加工具有粗大初晶 硅的过共晶铝硅合金时，才能获得比较好的刀具耐 用度和已加工表面质量。 ４ 小结 活塞用铝硅合金是在金属基体铝（Ａ１）中加入硅 （Ｓｉ）形成的Ａｌ—Ｓｉ合金，合金中又加入Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、 Ｍｎ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｂｉ等成分，以便在保证高耐磨性的前提 下，提高合金的强度、塑性、高温强度以及加工工艺 性能等。该类合金具有重量轻、比强度和比刚度高、 剪切强度高、热膨胀系数低、良好的热弹性和导热导 电性能、良好的抗腐蚀、耐磨损性能等一系列优点。 但随着含硅量的增加，初晶硅数量增多，形成硬质点 颗粒．均匀分布在合金基体中．基体和颗粒共同承受 载荷，颗粒的作用是约束合金材料中的基体变形，并 使合金材料的基体硬化。所以含硅量越高其加工性 能越差，对加工刀具提出了更高的要求。 （２）初晶硅粗大 图３相同硅含量的过共晶铝硅合金组织不相同 第一作者简介：尚自河．ＩＩ㈡：淀洲渤海活塞股份有限公司，应 使刀具很快发生径向磨损，同时在已加工表面上存 用研究员。
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