高強度鋁合金活塞時效性能與工作溫度關系的研究

陳 慧

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201208)

活塞是發動機的關鍵部件，在氣缸內承受高溫、高壓爆炸氣體的沖擊并作往復運動，從而帶動曲軸旋轉。活塞在工作時，承受高溫高壓交變沖擊的同時，還要承受一定的機械負荷及熱負荷，因此對活塞材料具有特殊的要求：熱膨脹系數小、密度小、熱傳導性好，并具有足夠的高溫強度、耐蝕性、耐磨性、尺寸穩定性等[1- 2]。在用于制造發動機活塞的各類材料中，鑄造鋁合金的高溫力學性能良好，質量小，且便于回收利用，因而成為目前大多數汽油機活塞材料的主要選擇。通常情況下，活塞主要有鋁- 銅- 鎳- 鎂系合金、鋁- 硅- 銅系合金、鋁- 硅- 鎳- 鎂系合金、過共晶鋁- 硅系合金等，目前，使用最多的活塞材料是鋁硅系合金[3]。

發動機運行過程中，除了活塞的正常磨損，由活塞異常高溫、材質的高溫性能等因素造成的發動機失效是目前汽車廠商迫切需要解決的問題。此外，由于對活塞實際工作溫度的測量方法也不完善[4]，整裝發動機氣缸的工作環境也不能被植入溫度檢測裝置，因此，目前僅局限于模擬推算，對活塞在實際工作中的異常過熱等現象均難以定性。基于此，本文結合活塞的實際工況，研究了活塞在不同工作溫度下的時效性能，以期為活塞零件的選材及熱處理工藝的制定提供借鑒。

1 試驗材料與方法

氣缸燃燒室中燃氣溫度最高可達2 200 ℃左右，活塞作為發動機熱負荷較大的組件之一，在工作過程中活塞頂部溫度理論最高達到400 ℃左右[5- 6]。為模擬活塞受熱負荷后其實際性能與功能所受到的影響，研究其在不同溫度工作后的性能演變機制，將活塞分別在250、300、350、400 ℃保溫24及48 h。這一將活塞進行高溫加熱并保溫一定時間使合金性能發生變化的處理過程，也稱為鋁合金的人工時效。通過研究該高強度鋁合金活塞在不同溫度時效24及48 h后的硬度和顯微組織變化，得到該鋁合金活測時效性能與溫度之間的關系，進而推測該材質活塞在使用過程中性能的變化。

試驗用活塞材料為鋁- 硅- 銅系高強度鑄造鋁合金，對活塞進行本體取樣，采用SPECT- ROMAXx直讀光譜儀進行化學成分分析，其結果滿足技術要求，見表1。活塞外形如圖1所示。

表1 活塞的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the piston(mass fraction) %

將常溫及在250、300、350、400 ℃分別保溫24和48 h的活塞試樣沿截面剖開(如圖2所示)，采用BRIN200BE布氏硬度計對圖2中1～9處的硬度進行測量。

對在不同溫度時效的活塞試樣的截面進行金相分析，試樣經0.5%HF(體積分數)溶液侵蝕后，利用EPIPHOT 300金相顯微鏡進行觀察。

圖1 活塞外觀Fig.1 Appearance of the piston

圖2 硬度測量部位示意圖Fig.2 Schematic of positions for hardness measurement

2 試驗結果

2.1 硬度

活塞試樣在250、300、350、400 ℃時效24和48 h后，其不同部位的硬度分別如表2和表3所示。

2.2 金相分析

活塞試樣的室溫及在250、300、350、400 ℃時效24和48 h后的顯微組織如圖3～圖7所示。

表2 活塞在不同溫度時效24 h后的硬度Table 2 Hardness of the piston aged at different temperatures for 24 h HBW 5/250

表3 活塞在不同溫度時效48 h后的硬度Table 3 Hardness of the piston aged at different temperatures for 48 h HBW 5/250

圖3 活塞的室溫組織Fig.3 Microstructures of the piston at room temperatures

圖4 活塞在250 ℃時效不同時間后的組織Fig.4 Microstructures of the piston aged at 250 ℃ for different times

3 分析與討論

從表2和表3中可見，在相同溫度人工時效后活塞不同部位的硬度差異不大，對活塞不同部位的硬度求平均值可得硬度隨時效溫度的變化規律，如圖8所示。由圖8可見，在250、300 ℃時效的活塞與室溫時效的相比，其硬度急劇下降，在300 ℃時最低；在350、400 ℃時效的活塞，其硬度又呈回升趨勢，且在400 ℃時效的硬度與250 ℃時效的相當。此外，在300及350 ℃時效的活塞的硬度隨時效時間的變化甚微，但在250和400 ℃時效的活塞的硬度隨時效時間的延長而明顯降低。

圖5 活塞在300 ℃時效不同時間后的組織Fig.5 Microstructures of the piston aged at 300 ℃ for different times

圖6 活塞在350 ℃時效不同時間后的組織Fig.6 Microstructures of the piston aged at 350 ℃ for different times

在不同溫度時效的活塞的組織基本相似，均為α(Al)相+初生Si相+共晶Si相+CuFeAl7相+Al2Cu相+AlCuNi相+少量Mg2Si相[7]等。進一步觀察可發現，350和400 ℃時效的活塞試樣組織中，CuFeAl7相、Al2Cu相以及AlCuNi相的相界更圓滑。

綜合硬度及金相分析，可知影響活塞在不同溫度時效性能的因素主要有：

(1)時效時間。時效溫度相同，保溫時間越長，硬度越低，在250和400 ℃時效處理后硬度隨時間延長而降低更為明顯；時效溫度為350 ℃時，隨著保溫時間的延長，組織中的合金相界面變得更加圓潤、光滑。

圖7 活塞在400 ℃時效不同時間后的組織Fig.7 Microstructures of the piston aged at 400 ℃ for different times

圖8 活塞硬度均值隨時效溫度和時間的變化Fig.8 Variation of average hardness of the piston with aging temperature and time at temperature

(2)合金元素[8]。Si、Mn在Al中固溶度較小且隨溫度變化不大；Mg在Al中固溶度較大，但由金相照片可知Mg與Al形成化合物后隨溫度變化不大；Cu的化合物在一定溫度時效后有較明顯變化。

(3)時效溫度[9]。不同溫度時效，析出相的臨界晶核大小、數量、成分以及聚集長大的速率均不同。溫度合適的情況下，具備一定速度的擴散條件，形成合理的原子偏聚區，亦稱G.P.區，時效會達到一定的強度和硬度；時效溫度過高，擴散較快，過飽和固溶體中析出相的臨界晶核尺寸較大，時效后強度和硬度會偏低，成為過時效。但是如果時效溫度偏低，擴散速度不足會造成G.P.區不易形成，時效后強度和硬度也會偏低。

(4)鋁合金的回歸現象。鋁合金經淬火、自然時效后，重新加熱到一定溫度，然后快冷至室溫，合金會變軟，再在室溫下仍會自然時效。合金在自然時效時形成的G.P.區較小，加熱到一定溫度后，這些小尺寸的G.P.區重新溶入基體，快冷至室溫，合金恢復到近似淬火狀態，仍可進行自然時效[10- 12]。如本試驗中將Al- Si- Cu合金加熱到200～300 ℃時會出現強度及硬度降低的現象。300 ℃時效的活塞試樣的硬度最低，將活塞放在自然環境中自然時效2個月，再進行布氏硬度測量，測得300 ℃/24 h時效的活塞試樣的HBW值為：77.5，77.6，77.9；300 ℃/48 h時效的活塞試樣的HBW值為：75.4，75.7，75.8，與之前人工時效的活塞試樣硬度差異不大，可見試樣未出現回歸現象。

4 高溫下溶質原子擴散機制推測

目前普遍認為，鋁合金時效硬化是溶質原子偏聚形成硬化區的結果[12- 13]。鋁合金經固溶淬火后形成過飽和固溶體，過飽和固溶體為一種不穩定狀態，要向平衡態轉變。由于合金基體中空位的存在，加速了溶質原子的擴散速率，從而形成溶質原子偏聚區。溶質原子偏聚區又稱為G.P.區，試樣人工時效過程中，溶質原子的擴散過程可以概括為兩種：

(1)溶質原子由G.P.區向固溶相中擴散，隨著時效溫度的升高，組織向平衡態轉變的速率提升。

(2)由于G.P.區的形成，遠離G.P.區的區域形成了溶質原子的貧乏區，同時溫度升高，溶質溶解度增大，溶質原子由共晶相向固溶相中擴散。

在250～300 ℃，過程(1)的速率遠遠高于過程(2)，溫度相對偏低，溶質溶解度變化未達到或者與過飽和固溶體中溶解度相當，過程(2)幾乎不發生，即G.P.硬化區的溶質擴散起主要作用，硬度明顯降低，在300 ℃左右時出現最低值；在300～400 ℃，過程(1)的速率加快，但溶質溶解度也迅速增大，即G.P.區迅速減少的同時，由共晶相向固溶體中的溶質擴散也加快，固溶強化作用增強，因而硬度提高。

5 結論

(1)活塞在低于400 ℃時效時的顯微組織基本一致，均為α(Al)相+初生Si相+共晶Si相+CuFeAl7相+Al2Cu相+AlCuNi相+少量Mg2Si相等；高于350 ℃時效時，隨著時效時間的延長，合金相界趨于圓潤。

(2)隨著時效時間的延長，活塞的硬度顯著降低；隨著時效溫度的升高，硬度先降低后升高，在300 ℃左右最低。

(3)試驗活塞未出現鋁合金的回歸現象，建議參考活塞的實際工作溫度重新選定其時效溫度及時間。