铝基复合材料在活塞上应用趋势
http://www.cction.com 2008-08-07 16:52 中企顾问网
本文导读：活塞是引擎的心脏，因其在高温、高压、腐蚀、磨损、高速运动等条件下工作，对活塞材料的要求很高。现代引擎设计广泛采用增压等强化技术，现有的铝合金活塞已难以满足使用要求。而用铝基复合材料制造之汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、高温强度、疲劳强度和抗咬合
一、前言
活塞是引擎的心脏，因其在高温、高压、腐蚀、磨损、高速运动等条件下工作，对活塞材料的要求很高。现代引擎设计广泛采用增压等强化技术，现有的铝合金活塞已难以满足使用要求。而用铝基复合材料制造之汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、高温强度、疲劳强度和抗咬合性能，同时具有热膨胀系数更小，导热性更好等特点，故在汽车引擎的应用渐增。
二、铝复合材料汽车活塞之发展历程
最早将铝复合材应用于活塞的是丰田汽车，1980年代就已经用硅酸铝纤维增强铝基复合材料成功地制造了引擎活塞抗磨环，用Al2O3长纤维增强铝基复合材料制造汽车连杆等零组件。过去活塞环沟部为了避免与活塞环摩擦产生磨耗与黏着，于是采用对这方面有良好特性，而且热膨胀也比较接近母材铝的镍抗铸铁，但是这种材料的缺点为较重而且热传导差。
虽然铝以重量轻为其特色，但是在强度、刚性与硬度等方面就比铁系材料差。为了解决这样的问题，于是开发了铝基复合材料，将陶瓷等材质的纤维或粒子分散于铝合金中，来提升铝合金的机械性质。复合材料有强化塑料和强化金属之分，前者称为纤维强化树脂（FRP），后者称为金属基复合材料（MMC）。而在MMC当中，以纤维强化的又称为纤维强化金属（FRM），而使用粒状强化材的则称为粉末金属复合材料（PMC）。丰田汽车的金属基复合材料活塞开发历史可分为三阶段
1.第一世代：丰田汽车是利用立式挤压铸造机以100MPa以上的高压将氧化铝与二氧化硅短纤维复合化来克服镍抗铸铁的缺点。
2.第二世代：为了因应更高温化的需求，除了氧化铝与二氧化硅短纤维之外，利用高压含浸时的原位（in-situ）反应将耐黏着性优异的金属间化合物NiAl3复合化，其反应式为：Ni(S) + Al(L) → NiAl3 (S)，原本的原料粉末经反应后会膨胀到5倍的体积，而随着耐黏着性的提升，生产性也可以跟着提高。
3.第三世代：近年来，为了因应更高一层的高温化需求，已不再采用之前的氧化铝与二氧化硅短纤维，而是采取将低Cr钢粉和高速钢粉混合，容积率高达70%的高压含浸复合化作法。而且在第三世代也开始出现新的强化部位，例如活塞顶部因燃烧室形状之故，会暴露于严苛的热循环疲劳环境中，已经采用金属基复合材料加以强化。至于强化材料，由于短纤维的强度不足，于是开始对须晶进行研究，而且开发出新的氧化铝蓝玉髓须晶（alumina boria whisker），由于是利用须晶与基底中的Mg起反应来防止劣化，因此在须晶的表面改质处理上要进一步研究。
美国的Duralcan公司亦用SiCp/Al复合材料制造了汽车活塞和齿轮箱等。美国的DWA公司则采用SiCp/Al基复合材料制造了摩托车活塞，解决了该活塞的耐磨性问题，装有该活塞的摩托车在一年内参加了100次的越野赛后，仍无明显磨损。采用硅酸铝纤维增强铝硅合金〔(55％Al2O3‧45％SiO2)/(Al-Si)〕制造引擎活塞在欧洲亦已获得应用，SiC晶须增强铝硅合金复合材料活塞也在试用中。
三、汽油引擎活塞的铝复合材强化法
汽油引擎用的活塞有顶活塞环槽尽可能靠近活塞上面的特征，且其裙部较柴油引擎活塞为短。最近汽油引擎用活塞的铝复合材技术也已经开发了，但其强化材是使用氧化钛粒子，这是因为氧化铝纤维价格昂贵，每公斤要价5000～10000日元，但氧化钛粒子价格则大为便宜，每公斤只要200～300日元。粒子状强化材预制件的成形大致上是采取与传统相同的方法，不同的是除了粒子状的强化材和黏结剂之外，还混合了石墨。石墨在烧结的时候会燃烧而消失，同样可以做出多孔质的预制件，而且体积率达到20%，比纤维状强化材或金属系强化材都要来得大。
因为顶活塞环槽靠近活塞上面的关系，故比柴油引擎的热负荷低的汽油引擎亦有必要提升活塞环槽的耐磨耗性。若顶活塞环槽远离活塞上面的话，活塞环槽的温度就会下降，其磨耗也会减少。但是就减低排气中的HC含量而言，顶活塞环是越靠近活塞上面越好，因为渗入活塞与汽缸所夹的狭缝空间里的混合气会燃烧不完全，而这就是产生HC排放的一个原因。
因此，为了让顶活塞环的位置靠近活塞上面，就必须提升活塞环槽的耐磨耗性，而要因应这个课题就是使用铝复合材。这项技术虽然目前尚未采用于量产引擎上，但为了因应排气法规的严格化趋势，应该是迟早都会被采用的。汽油引擎用活塞并不要求像柴油引擎那样的预制件强度，这是因为热负荷低的汽油引擎，除非是增压引擎否则也可以不需要冷却通道的缘故，因此并不需要具备保持盐砂芯的强度。
马自达汽车的铝复合材低压铸造技术，是比传统的制造方法可以大幅降低成本的复合材料制造法，现在基于轻量化的考虑而要求铝化的零件增多了，其中需要有耐磨耗性的零件也不在少数，这个时候采用铝复合材是有效的，不过此时成本的提高就变成是一大障碍了。因此廉价的铝复合化技术应该会促进零件的铝化才是，那么马自达汽车继活塞之后究竟会将此技术应用在什么零件上就值得观察。此外，丰田汽车已经将纤维强化铝合金应用于柴油引擎活塞的顶活塞环槽及皮带轮（belt pulley）的轮毂（boss）部上，而本田汽车则是已将纤维强化铝合金和粉末强化铝合金应用在汽缸衬套上。
四、结语
目前各公司都已经有各种实用化的MMC材料，而应用MMC的零组件也已经从引擎、车体与底盘，进一步扩展到电装品零件了，也发挥了耐磨耗、强度与刚性，以及热的性质等各式各样的特性。至于制造方法方面，不只是铸造，也发展到应用粉末冶金了；不过这些的应用例在量的方面还是很少，这是因为MMC在成本上比较高的缘故。特别是复合化纤维和颗粒等原材料的价格昂贵，原材料费用在最终制品的成本当中所占的比例若是没有办法尽可能降低的话，其下场就是失去竞争力。因此未来除了进行低成本原材料的探索和开发之外，在零组件制造方法上也希望开发出能便宜地复合化的方法来。
活塞是引擎的心脏，因其在高温、高压、腐蚀、磨损、高速运动等条件下工作，对活塞材料的要求很高。现代引擎设计广泛采用增压等强化技术，现有的铝合金活塞已难以满足使用要求。而用铝基复合材料制造之汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、高温强度、疲劳强度和抗咬合性能，同时具有热膨胀系数更小，导热性更好等特点，故在汽车引擎的应用渐增。
二、铝复合材料汽车活塞之发展历程
最早将铝复合材应用于活塞的是丰田汽车，1980年代就已经用硅酸铝纤维增强铝基复合材料成功地制造了引擎活塞抗磨环，用Al2O3长纤维增强铝基复合材料制造汽车连杆等零组件。过去活塞环沟部为了避免与活塞环摩擦产生磨耗与黏着，于是采用对这方面有良好特性，而且热膨胀也比较接近母材铝的镍抗铸铁，但是这种材料的缺点为较重而且热传导差。
虽然铝以重量轻为其特色，但是在强度、刚性与硬度等方面就比铁系材料差。为了解决这样的问题，于是开发了铝基复合材料，将陶瓷等材质的纤维或粒子分散于铝合金中，来提升铝合金的机械性质。复合材料有强化塑料和强化金属之分，前者称为纤维强化树脂（FRP），后者称为金属基复合材料（MMC）。而在MMC当中，以纤维强化的又称为纤维强化金属（FRM），而使用粒状强化材的则称为粉末金属复合材料（PMC）。丰田汽车的金属基复合材料活塞开发历史可分为三阶段
1.第一世代：丰田汽车是利用立式挤压铸造机以100MPa以上的高压将氧化铝与二氧化硅短纤维复合化来克服镍抗铸铁的缺点。
2.第二世代：为了因应更高温化的需求，除了氧化铝与二氧化硅短纤维之外，利用高压含浸时的原位（in-situ）反应将耐黏着性优异的金属间化合物NiAl3复合化，其反应式为：Ni(S) + Al(L) → NiAl3 (S)，原本的原料粉末经反应后会膨胀到5倍的体积，而随着耐黏着性的提升，生产性也可以跟着提高。
3.第三世代：近年来，为了因应更高一层的高温化需求，已不再采用之前的氧化铝与二氧化硅短纤维，而是采取将低Cr钢粉和高速钢粉混合，容积率高达70%的高压含浸复合化作法。而且在第三世代也开始出现新的强化部位，例如活塞顶部因燃烧室形状之故，会暴露于严苛的热循环疲劳环境中，已经采用金属基复合材料加以强化。至于强化材料，由于短纤维的强度不足，于是开始对须晶进行研究，而且开发出新的氧化铝蓝玉髓须晶（alumina boria whisker），由于是利用须晶与基底中的Mg起反应来防止劣化，因此在须晶的表面改质处理上要进一步研究。
美国的Duralcan公司亦用SiCp/Al复合材料制造了汽车活塞和齿轮箱等。美国的DWA公司则采用SiCp/Al基复合材料制造了摩托车活塞，解决了该活塞的耐磨性问题，装有该活塞的摩托车在一年内参加了100次的越野赛后，仍无明显磨损。采用硅酸铝纤维增强铝硅合金〔(55％Al2O3‧45％SiO2)/(Al-Si)〕制造引擎活塞在欧洲亦已获得应用，SiC晶须增强铝硅合金复合材料活塞也在试用中。
三、汽油引擎活塞的铝复合材强化法
汽油引擎用的活塞有顶活塞环槽尽可能靠近活塞上面的特征，且其裙部较柴油引擎活塞为短。最近汽油引擎用活塞的铝复合材技术也已经开发了，但其强化材是使用氧化钛粒子，这是因为氧化铝纤维价格昂贵，每公斤要价5000～10000日元，但氧化钛粒子价格则大为便宜，每公斤只要200～300日元。粒子状强化材预制件的成形大致上是采取与传统相同的方法，不同的是除了粒子状的强化材和黏结剂之外，还混合了石墨。石墨在烧结的时候会燃烧而消失，同样可以做出多孔质的预制件，而且体积率达到20%，比纤维状强化材或金属系强化材都要来得大。
因为顶活塞环槽靠近活塞上面的关系，故比柴油引擎的热负荷低的汽油引擎亦有必要提升活塞环槽的耐磨耗性。若顶活塞环槽远离活塞上面的话，活塞环槽的温度就会下降，其磨耗也会减少。但是就减低排气中的HC含量而言，顶活塞环是越靠近活塞上面越好，因为渗入活塞与汽缸所夹的狭缝空间里的混合气会燃烧不完全，而这就是产生HC排放的一个原因。
因此，为了让顶活塞环的位置靠近活塞上面，就必须提升活塞环槽的耐磨耗性，而要因应这个课题就是使用铝复合材。这项技术虽然目前尚未采用于量产引擎上，但为了因应排气法规的严格化趋势，应该是迟早都会被采用的。汽油引擎用活塞并不要求像柴油引擎那样的预制件强度，这是因为热负荷低的汽油引擎，除非是增压引擎否则也可以不需要冷却通道的缘故，因此并不需要具备保持盐砂芯的强度。
马自达汽车的铝复合材低压铸造技术，是比传统的制造方法可以大幅降低成本的复合材料制造法，现在基于轻量化的考虑而要求铝化的零件增多了，其中需要有耐磨耗性的零件也不在少数，这个时候采用铝复合材是有效的，不过此时成本的提高就变成是一大障碍了。因此廉价的铝复合化技术应该会促进零件的铝化才是，那么马自达汽车继活塞之后究竟会将此技术应用在什么零件上就值得观察。此外，丰田汽车已经将纤维强化铝合金应用于柴油引擎活塞的顶活塞环槽及皮带轮（belt pulley）的轮毂（boss）部上，而本田汽车则是已将纤维强化铝合金和粉末强化铝合金应用在汽缸衬套上。
四、结语
目前各公司都已经有各种实用化的MMC材料，而应用MMC的零组件也已经从引擎、车体与底盘，进一步扩展到电装品零件了，也发挥了耐磨耗、强度与刚性，以及热的性质等各式各样的特性。至于制造方法方面，不只是铸造，也发展到应用粉末冶金了；不过这些的应用例在量的方面还是很少，这是因为MMC在成本上比较高的缘故。特别是复合化纤维和颗粒等原材料的价格昂贵，原材料费用在最终制品的成本当中所占的比例若是没有办法尽可能降低的话，其下场就是失去竞争力。因此未来除了进行低成本原材料的探索和开发之外，在零组件制造方法上也希望开发出能便宜地复合化的方法来。
