東風商用車技術(shù)中心工藝研究所 （湖北十堰 442001） 樊曉光 趙俊平 吳永強 魯福來

隨著柴油發(fā)動機輕量化、高功率、高爆壓化的發(fā)展，發(fā)動機各關(guān)鍵零部件承受越來越苛刻的機械、熱負荷，這對發(fā)動機關(guān)鍵零部件的性能提出了更高的要求。在較高的機械、熱負荷下，傳統(tǒng)的鑄造鋁合金活塞出現(xiàn)了多種形式的失效。針對這些失效形式，國外多家活塞制造商提出對活塞熱負荷、機械負荷最嚴重的部位進行重熔強化處理，可以提高活塞使用壽命8倍以上。通過自主開發(fā)，我們完成了對某發(fā)動機鑄造鋁合金活塞的局部強化處理工藝，并采用自主設(shè)計的活塞單品試驗系統(tǒng)，對比研究了局部強化對活塞熱疲勞壽命的影響。

1.試驗

（1）鋁合金活塞喉口重熔處理 活塞采用自主開發(fā)的鋁硅合金材料，企業(yè)內(nèi)部牌號S04，主要化學成分如表1所示。采用重力鑄造方式生產(chǎn)，加工為重熔強化處理留出一定余量。

表1 S04鋁合金材料化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

采用鎢極氬弧加熱方式進行重熔強化處理，重熔參數(shù)：交流，脈沖5Hz，電流120～200A，氬氣流量6～8L/min，重熔速度90mm/min，重熔過程中控制活塞溫度不超過200℃。

金相及相關(guān)檢驗在東風商用車技術(shù)中心工藝研究所檢測中心進行。重熔后精加工至成品活塞。

（2）活塞熱疲勞試驗 根據(jù)活塞實際工作環(huán)境，我們確定了活塞熱疲勞試驗方案，并開發(fā)了熱疲勞試驗臺架。在活塞喉口部位安裝熱電偶，控制試驗過程中活塞的溫度。試驗臺架有兩個工位：一個為加熱工位，另一個為冷卻工位。將活塞固定，采用火焰加熱方式對活塞頂面及喉口加熱，當溫度達到設(shè)定溫度后，活塞自動移動到冷卻工位，對活塞頂面及喉口進行噴水快冷，冷卻到設(shè)定溫度后，活塞自動移動至加熱工位再進行加熱，反復循環(huán)進行活塞單體熱疲勞試驗。

熱疲勞試驗采用自主開發(fā)的活塞單品熱疲勞試驗臺架進行，控制活塞喉口關(guān)鍵部位溫度在120～390℃之間循環(huán)。定期檢查裂紋長度，確定裂紋長度，測試活塞疲勞次數(shù)。

2.試驗結(jié)果

（1）重熔層參數(shù) 圖1是鋁合金活塞喉口重熔宏觀照片，可以看出重熔部位A位于喉口，顏色較基體B略淺。從金相檢測可以看出初晶硅尺寸有較大程度的細化。選擇同一視場內(nèi)20個最大的初晶硅，測量其最大長度，并取平均值作為初晶硅平均尺寸。未經(jīng)重熔強化的部位初晶硅尺寸明顯比重熔區(qū)域大。圖2總結(jié)了重熔區(qū)和非重熔區(qū)初晶硅顆粒尺寸測試結(jié)果。測試20點平均結(jié)果表明，普通鑄造活塞初晶硅尺寸約38.08μm，重熔區(qū)初晶硅平均尺寸約5.35μm，細化為非重熔區(qū)的14%。據(jù)相關(guān)文獻介紹，鋁合金活塞產(chǎn)生熱疲勞裂紋的根源就是初晶硅與α-Al基體之間的熱膨脹系數(shù)差。細化初晶硅尺寸，可以通過減小初晶硅與α-Al基體之間的作用力，降低鋁合金活塞熱疲勞開裂的趨勢。

圖1 重熔區(qū)和非重熔區(qū)

圖2 重熔區(qū)與非重熔區(qū)初晶硅尺寸對比

（2）活塞熱疲勞試驗結(jié)果 準備未重熔活塞以及局部重熔強化的鋁合金活塞，采用上述的熱疲勞試驗方法進行熱疲勞試驗。如圖3所示，鋁活塞經(jīng)過熱疲勞試驗產(chǎn)生自燃燒室穿過喉口延伸至上頂面的裂紋時認為活塞熱疲勞失效，此時活塞所經(jīng)過的熱疲勞次數(shù)作為該活塞的熱疲勞壽命。圖4總結(jié)了未重熔強化鋁合金活塞以及重熔強化活塞的熱疲勞試驗結(jié)果，可以看出重熔強化使得鋁合金活塞的熱疲勞壽命明顯提高。

圖3 熱疲勞裂紋照片

圖4 熱疲勞試驗結(jié)果

第一組為未重熔活塞，同樣的試驗參數(shù)下重復3只，產(chǎn)生前述長度的裂紋時對應(yīng)的熱疲勞次數(shù)分別為200、255、162次，平均熱疲勞壽命為206次。第二組為重熔強化活塞，同樣試驗條件下重復進行5只次試驗，相同裂紋長度對應(yīng)熱疲勞壽命分別為972、688、806、972、2039次，平均熱疲勞壽命為1096次，比沒有重熔強化的活塞提高4倍。

圖5是沒有重熔處理的鋁合金活塞經(jīng)過前述熱疲勞試驗循環(huán)200次后的裂紋狀況，可以看出經(jīng)過冷熱沖擊以及較大溫度梯度之后，活塞頂部出現(xiàn)了三條長度相當?shù)牧鸭y。

圖5 沒有重熔強化活塞熱疲勞試驗200次裂紋

圖6 是喉口部位經(jīng)過重熔強化處理的鋁合金活塞經(jīng)過806次熱疲勞循環(huán)之后的裂紋狀況，可以看出裂紋產(chǎn)生在上頂面與喉口圓弧交界的地方，隨著試驗進行不斷擴展，最終有一條裂紋穿過了喉口（圖6中右上所示），另外兩條穿過頂面而沒有穿過喉口。

圖6 局部重熔強化活塞熱疲勞試驗806次后裂紋

3.結(jié)語

隨著現(xiàn)代柴油發(fā)動機油耗和排放要求的不斷提高，鋁合金活塞局部承受越來越高的熱負荷和機械負荷?；钊植恐厝蹚娀夹g(shù)，能夠通過細化鋁合金增強相的尺寸達到提高局部強度的作用，同時細化初晶硅尺寸，能夠有效降低熱疲勞裂紋產(chǎn)生的趨勢，從而提高活塞的使用壽命。

該技術(shù)于2011年初成功應(yīng)用于批量生產(chǎn)，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。另外，我們認為該技術(shù)不只局限于S04材料，可以推廣應(yīng)用于其他鋁合金材料。

（20121120）