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鋁基復合材料在活塞上應用趨勢

Tag：鋁基復合材料  
        一、前言
       活塞是引擎的心臟，因其在高溫、高壓、腐蝕、磨損、高速運動等條件下工作，對活塞材料的要求很高�，F(xiàn)代引擎設計廣泛采用增壓等強化技術(shù)，現(xiàn)有的鋁合金活塞已難以滿足使用要求。而用鋁基復合材料制造之汽車活塞比鋁合金活塞具有較高的耐磨性、高溫強度、疲勞強度和抗咬合性能，同時具有熱膨脹系數(shù)更小，導熱性更好等特點，故在汽車引擎的應用漸增。
       二、鋁復合材料汽車活塞之發(fā)展歷程
       最早將鋁復合材應用于活塞的是豐田汽車，1980年代就已經(jīng)用硅酸鋁纖維增強鋁基復合材料成功地制造了引擎活塞抗磨環(huán)，用Al2O3長纖維增強鋁基復合材料制造汽車連桿等零組件。過去活塞環(huán)溝部為了避免與活塞環(huán)摩擦產(chǎn)生磨耗與黏著，于是采用對這方面有良好特性，而且熱膨脹也比較接近母材鋁的鎳抗鑄鐵，但是這種材料的缺點為較重而且熱傳導差。
雖然鋁以重量輕為其特色，但是在強度、剛性與硬度等方面就比鐵系材料差。為了解決這樣的問題，于是開發(fā)了鋁基復合材料，將陶瓷等材質(zhì)的纖維或粒子分散于鋁合金中，來提升鋁合金的機械性質(zhì)。復合材料有強化塑料和強化金屬之分，前者稱為纖維強化樹脂（FRP），后者稱為金屬基復合材料（MMC）。而在MMC當中，以纖維強化的又稱為纖維強化金屬（FRM），而使用粒狀強化材的則稱為粉末金屬復合材料（PMC）。豐田汽車的金屬基復合材料活塞開發(fā)歷史可分為三階段
       1.第一世代：豐田汽車是利用立式擠壓鑄造機以100MPa以上的高壓將氧化鋁與二氧化硅短纖維復合化來克服鎳抗鑄鐵的缺點。
       2.第二世代：為了因應更高溫化的需求，除了氧化鋁與二氧化硅短纖維之外，利用高壓含浸時的原位（in-situ）反應將耐黏著性優(yōu)異的金屬間化合物NiAl3復合化，其反應式為：Ni(S) + Al(L) → NiAl3 (S)，原本的原料粉末經(jīng)反應后會膨脹到5倍的體積，而隨著耐黏著性的提升，生產(chǎn)性也可以跟著提高。
       3.第三世代：近年來，為了因應更高一層的高溫化需求，已不再采用之前的氧化鋁與二氧化硅短纖維，而是采取將低Cr鋼粉和高速鋼粉混合，容積率高達70%的高壓含浸復合化作法。而且在第三世代也開始出現(xiàn)新的強化部位，例如活塞頂部因燃燒室形狀之故，會暴露于嚴苛的熱循環(huán)疲勞環(huán)境中，已經(jīng)采用金屬基復合材料加以強化。至于強化材料，由于短纖維的強度不足，于是開始對須晶進行研究，而且開發(fā)出新的氧化鋁藍玉髓須晶（alumina boria whisker），由于是利用須晶與基底中的Mg起反應來防止劣化，因此在須晶的表面改質(zhì)處理上要進一步研究。
美國的Duralcan公司亦用SiCp/Al復合材料制造了汽車活塞和齒輪箱等。美國的DWA公司則采用SiCp/Al基復合材料制造了摩托車活塞，解決了該活塞的耐磨性問題，裝有該活塞的摩托車在一年內(nèi)參加了100次的越野賽后，仍無明顯磨損。采用硅酸鋁纖維增強鋁硅合金〔(55％Al2O3‧45％SiO2)/(Al-Si)〕制造引擎活塞在歐洲亦已獲得應用，SiC晶須增強鋁硅合金復合材料活塞也在試用中。
       三、汽油引擎活塞的鋁復合材強化法
       汽油引擎用的活塞有頂活塞環(huán)槽盡可能靠近活塞上面的特征，且其裙部較柴油引擎活塞為短。最近汽油引擎用活塞的鋁復合材技術(shù)也已經(jīng)開發(fā)了，但其強化材是使用氧化鈦粒子，這是因為氧化鋁纖維價格昂貴，每公斤要價5000～10000日元，但氧化鈦粒子價格則大為便宜，每公斤只要200～300日元。粒子狀強化材預制件的成形大致上是采取與傳統(tǒng)相同的方法，不同的是除了粒子狀的強化材和黏結(jié)劑之外，還混合了石墨。石墨在燒結(jié)的時候會燃燒而消失，同樣可以做出多孔質(zhì)的預制件，而且體積率達到20%，比纖維狀強化材或金屬系強化材都要來得大。
       因為頂活塞環(huán)槽靠近活塞上面的關(guān)系，故比柴油引擎的熱負荷低的汽油引擎亦有必要提升活塞環(huán)槽的耐磨耗性。若頂活塞環(huán)槽遠離活塞上面的話，活塞環(huán)槽的溫度就會下降，其磨耗也會減少。但是就減低排氣中的HC含量而言，頂活塞環(huán)是越靠近活塞上面越好，因為滲入活塞與汽缸所夾的狹縫空間里的混合氣會燃燒不完全，而這就是產(chǎn)生HC排放的一個原因。
       因此，為了讓頂活塞環(huán)的位置靠近活塞上面，就必須提升活塞環(huán)槽的耐磨耗性，而要因應這個課題就是使用鋁復合材。這項技術(shù)雖然目前尚未采用于量產(chǎn)引擎上，但為了因應排氣法規(guī)的嚴格化趨勢，應該是遲早都會被采用的。汽油引擎用活塞并不要求像柴油引擎那樣的預制件強度，這是因為熱負荷低的汽油引擎，除非是增壓引擎否則也可以不需要冷卻通道的緣故，因此并不需要具備保持鹽砂芯的強度。
       馬自達汽車的鋁復合材低壓鑄造技術(shù)，是比傳統(tǒng)的制造方法可以大幅降低成本的復合材料制造法，現(xiàn)在基于輕量化的考慮而要求鋁化的零件增多了，其中需要有耐磨耗性的零件也不在少數(shù)，這個時候采用鋁復合材是有效的，不過此時成本的提高就變成是一大障礙了。因此廉價的鋁復合化技術(shù)應該會促進零件的鋁化才是，那么馬自達汽車繼活塞之后究竟會將此技術(shù)應用在什么零件上就值得觀察。此外，豐田汽車已經(jīng)將纖維強化鋁合金應用于柴油引擎活塞的頂活塞環(huán)槽及皮帶輪（belt pulley）的輪轂（boss）部上，而本田汽車則是已將纖維強化鋁合金和粉末強化鋁合金應用在汽缸襯套上。
       四、結(jié)語
       目前各公司都已經(jīng)有各種實用化的MMC材料，而應用MMC的零組件也已經(jīng)從引擎、車體與底盤，進一步擴展到電裝品零件了，也發(fā)揮了耐磨耗、強度與剛性，以及熱的性質(zhì)等各式各樣的特性。至于制造方法方面，不只是鑄造，也發(fā)展到應用粉末冶金了；不過這些的應用例在量的方面還是很少，這是因為MMC在成本上比較高的緣故。特別是復合化纖維和顆粒等原材料的價格昂貴，原材料費用在最終制品的成本當中所占的比例若是沒有辦法盡可能降低的話，其下場就是失去競爭力。因此未來除了進行低成本原材料的探索和開發(fā)之外，在零組件制造方法上也希望開發(fā)出能便宜地復合化的方法來。

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