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陶瓷活塞的研究
编辑:松田机械   时间:2017-09-04

   陶瓷活塞是发动机最重要的部件之一,由于其在高温高压,腐蚀,摩擦,高速条件下工作,对材料的要求非常高,活塞材料的使用是铸铁,钢和铝合金。在内燃机开发过程中,人们对经济性,功率和排放要求提出了更高的要求,对活塞材料的要求提高,主要集中在耐热性,耐磨性,抗摩擦性,耐腐蚀性和重量轻等方面。传统活塞材料基本上可以满足这些条件,但随着动力系统的发展,也决定了活塞的发展方向。因为内燃机需要发展到更高的功率和更高的热效率,因此要求活塞材料在高温下具有更好的机械性能和更轻的质量以满足现代内燃机的开发要求。除了优化传统活塞材料的化学成分和改进制造工艺,以提高新材料的机械性能,开发活塞为了适应不同的工作状态和环境是一个新的发展趋势,随着材料研究开发了铝基复合材料,陶瓷材料,碳材料,耐热镁合金,镁基材料复合活塞。现代社会越来越重视环境。作为二手汽车发动机,根据部门/“十一五”期间的预测,活塞每年需要约4800〜5000多万吨。所以活塞材料燃烧效率高,活塞质量更轻,重量轻活塞减少燃油消耗,降低噪音,延长活塞使用寿命,减少排放和改善环境具有积极意义。

陶瓷活塞材料

  目前使用的活塞材料主要有铸铁,铸钢,铝合金,还开发了新型活塞材料,如铝基复合材料,陶瓷材料,碳材料,耐热镁合金,镁基复合材料

1.1铸铁

  用于内燃机的第一个活塞是铸铁,其中最常用的是球墨铸铁和可锻铸铁。铁活塞本身具有一定的优势,可用于大功率动力系统,同时使用铸铁活塞环无座,第一环槽位置可向上移动(图1),可使空隙体积和缝隙面积减小,从而减少了活塞运动过程中的原因/爆震现象。提高铸铁活塞性能的主要方法是石墨精炼,基体珠光体和铸件缺陷预防。最大的缺点是铸铁活塞的质量,这限制了其应用范围,而且铸铁活塞的最大优点在高温下仍然具有非常高的强度,大大提高了发动机的输出功率,所以铸铁活塞主要用于船舶,工程机械和货运机车大功率发动机。

1.2铝合金[13]

  用作活塞材料的铝合金包括A-,l,Cu和A-L S I合金,而A,I和Si合金是最广泛研究和使用的。在亚共晶,共晶和共晶发育过程中经历的组成选择,目前的A-L Si活塞产品采用重力铸造,低压铸造(中国)(日本),挤压成型和半固体成形技术(发达国家)。其他新型铝合金活塞的成型技术也开发出来,如韩国的方法 - OK P ar K通过粉末锻造制造活塞,活塞活塞通过优化其他成型方法相同材料的成形参数来燃烧性能更好。

对于Al Si合金,为了提高其机械性能,通常还可以添加TI,Zr,B等元素的晶粒细化,同时加入C u,M g,M n,NI等多元素强化元素组合金活塞材料,合金中形成高温强化相,高温合金时,当Si含量高时需要改性的Al Si合金材料,提高共晶(A + Si)的形状和尺寸。同时,活塞尺寸相同,过共晶Al Si合金活塞较轻,但过共晶Al Si合金活塞难切割,因此必须进行后续加工合金以提高切削性能。目前,铝硅合金活塞广泛应用于汽车,摩托车等小口径,高速柴油机活塞。

1.3铝基复合材料

   传统的铝合金活塞已达到或接近使用限制。因此,铝基复合材料的发展引起了广泛的关注。铝合金基体复合材料主要由纤维和颗粒增强制成,用于活塞的部分或整体强化。使用复合材料为局部增强铝活塞,根据发动机的具体情况,有以下几种增强措施:增强第一环槽面积,提高活塞环槽的耐磨性;增强燃烧室的第一环槽和顶部凹口,除了提高活塞环槽的耐磨性外,还解决了由于缺乏热强度而使燃烧室开口裂纹的问题;在第一环槽和顶表面积(包括燃烧室的开口)增加的同时,提高了活塞环槽的耐磨性,同时也提高了承受活塞顶部热负荷的能力。

   颗粒增强铝基复合材料,常用的陶瓷可以是Al 2 O 3,Si C,Al C,C 2 O 3 + Si I 2B颗粒和T颗粒,这是特殊处理后特殊方法的复合陶瓷材料的加工过程铝液和分散体,可用于整体和局部增强[10]活塞。铝基复合材料也可以由纤维增强材料制成,硼酸铝纤维与铝合金基体的界面连接形成优异的复合性能。另一种纤维增强材料是氧化铝纤维增强复合材料。 Al 2 O 3短纤维是预制的,Al 2 O 3短纤维通过压力浸渍法与铝合金基体复合。美国的Dura l ca n也使用S,I,Cp /,A,l复合材料制造汽车活塞和齿轮箱。美国DWA公司正在使用Si Cp / Al复合材料制造摩托车活塞解决活塞耐磨性的问题,活塞在100年的越野赛中配备了摩托车1年,没有明显的磨损。使用硅铝酸盐增强铝硅合金(55%Al 2,O 3 + 45%,Si,O 2)/(A-,1,Si)制造发动机活塞也已在欧洲应用,Si C晶须增强Al Si合金复合活塞也在试用。

两种陶瓷材料

2.1陶瓷活塞材料分类[5]

2.1.1按化学成分分类。 1)氧化物陶瓷:氧化物陶瓷是最早使用的陶瓷材料,其种类最广泛使用。最常用的是Al2O3,SiO2,MgO,ZrO2,CeO2,CaO和莫来石和尖晶石等,其中包括用于金属材料的铝和钢A12O3和SiO2。除了单一氧化物外,还有大量的氧化物复合氧化物陶瓷。常用的玻璃和陶瓷属于这一类; 2):碳化物质陶瓷的熔点高于氧化物,碳化物容易氧化,因此在制造和使用中防止。最常用的是SiC,WC,B4C,TiC等; (3)氮化物陶瓷:包括SiN4,TiN,BN,AlN等。 Si3N4具有优异的综合力学性能和高温性能; TiN BN具有高硬度;耐磨性; AIN具有热电性能,其应用越来越广泛; 4)其他陶瓷化合物:除了上述几种陶瓷和金属和分子材料外的无机化合物,包括硼化物陶瓷添加剂和具有光电性能的硫族化物陶瓷,其研究和应用越来越多。

  选择2.1.2陶瓷纤维

日本是最好的纤维生产国,我国开始相对较晚。日本纤维更均匀,渣球含量很少。国产纤维混合相对较多的渣球和个别粗纤维,预处理有一些困难,但其便宜,适合批量生产,通过试验,我们最多

选用国产纤维作为预成型坯的原料。

2.1.3预处理

在纤维加工一定长度后,渣球,粗纤维和短纤维在液体中分离,多次分离后,不合格纤维可以彻底分离,可以实现纤维预制棒的要求。

2.1.4预成型件成型

根据坯料坯料的质量。经过光纤经电子秤处理后,将一定质量的纤维称重成型,用一定比例的粘合剂溶液将纤维浆料混合成特定形状的压力为20MPa,压力为10分钟,去除水霉菌湿。当压制时,压力和保持时间更严格,压力太大,粘合剂被挤压,预制件的坯料会出现分层,裂纹和低强度的问题。压力太小预成型坯的强度太低,易折叠,不能形成严重的变形。当保持时间太短时,预成型件尺寸不稳定,预制坯坯容易回弹,内部质量不稳定。当制造纤维预制件时,纤维(VI)的体积分数是非常重要的参数,一般选择范围为5〜20%。纤维体积比越高越好,纤维预制棒难度过高,切削刀具磨损严重。我们对预制和燃烧室工作条件进行了大量实验。当陶瓷纤维部分加强了活塞燃烧室的121边缘时,当实用新型选择为6 = 15%时,效果最好。

干燥2.1.5预制件

干燥温度不宜过高,一般选择约100%,保温5小时。预成型件应保留一定量的粘合剂。预制件应具有足够的强度以便于机械加工。

2.1.6预制件加工

根据预制件尺寸要求成型。预成型件的硬度相对较低。测量工具难以确定预制件的实际尺寸,因此加工一般使用型材加工,可保证定型尺寸预制件的精度。

焙烧2.1.7预制件

将合格的纤维预制件放置在特殊的工具架上,并放置在箱式电阻炉中,以在高温下焙烧。每堆纤维预制棒不得超过10层。应提供堆和堆之间的间隙,并将热交换风机留在炉中以确保纤维预制件的均匀加热。烘烤温度为1200±10℃,保温时间为8.10小时后,将炉冷却至室温。


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