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2.1 铝合金活塞
铝合金的突出优点是密度小，可大大减少活塞的质量及往复运动的惯性力，因此铝合金活塞常常应用于中、小缸径的中、高速内燃机上，尤其以汽车发动机中居多。在同样强度的情况下，它比钢铁材料轻许多。因此，采用铝合金制作的活塞工作过程中产生的惯性小，对高速内燃机的减振和降低内燃机的比质量有着重要的意义。此外，质量较低的铝合金活塞运动时，对缸壁的侧压力和冲击力也较小，这样可以减小活塞组与缸壁以及活塞销的摩擦力，并降低它们的磨损量。铝合金的另外一个优点是导热性好，工作时，活塞表面温度比铸铁的低，而且活塞顶部的积炭也较少。迄今曾经使用过的铝活塞材料大致有4类：Al-Cu-Ni-Mg系、A1-Cu-Si系、共晶型A1-Si-Cu-Mg系及过共晶型AI-Si-Cu-Mg系，前两类由于存在线膨胀系数大、比重大、体积不稳定的缺点早已被淘汰，目前国内使用的铝活塞材料主要是共晶型铝硅合金，如ZLi08(ZAlSil2Cu2Mg)、ZLl09(ZAlSil2Cul MglNil)。随着发动机性能的不断提高，共晶型铝硅合金已越来越难以达到使用性能要求，在汽油机和天然气发动机中，过共晶铝硅合金的使用越来越多。过共晶型铝硅合金含硅量高达17%~26%，合金比重减小，线膨胀系数降低，抗磨性及体积稳定性相应提高，是较理想的活塞材料。国外已将此材料广泛用于活塞生产，随着高功率及增压内燃机的出现，国内也有少数单位开始应用。
但过共晶铝硅合金也有不足之处，未经过变质处理的过共晶铝硅合金中存在粗大块状初晶硅和粗大长针状共晶硅组织，使基体严重割裂，恶化机械性能，同时切削加工性能也很差，这也是过去这种合金应用受到限制的主要原因。解决这一问题的关键在于如何对合金进行变质细化处理，这是近年来人们研究这类材料的重点。另一不足之处是降低了活塞的导热率，这对于汽油发动机影响更大。不过通过适当的热处理可以得到改善，但热处理会增加活塞的成本。
2.2 铸铁活塞
现代内燃机尤其是柴油机，为了大幅度地提高其热效率，增压程度不断地提高，这使得气缸内部的热负荷明显增大。这使铝合金活塞本身所固有的热强度不高、线膨胀系数较大的缺点越来越严重，铝合金活塞在柴油机上的使用范围受到明显的限制。为此，在一些大负荷的柴油机上，开始采用热强度和耐磨性较高而线膨胀系数较低的铸铁活塞。铸铁的密度约为铝合金的3倍。与铝合金相比，它有较低的热膨胀系数及较高的高温力学性能。活塞重量的增加至少可以部分补偿为铸铁活塞显著提高的热强度，热强度的提高可以容许更小的截面积。通常，铸造活塞用的铸铁，其金属基体以珠光体为宜。其中，所含的石墨以片状、点状和球状分布均可。另外，在铸造状态下，其显微组织中可能具有奥氏体或贝氏体。对内燃机用的活塞铸铁，除上述要求外，还应具有晶粒度的稳定性以及抗热裂纹和腐蚀—疲劳损伤的性能。试验表明：具有细小弥散的金属基体和石墨的铸铁，尤其是含有Cr、Ni、Mo、V、Cu等合金元素的合金铸铁，能提高铸铁抗上述破坏的能力。其中，强度最高的为球墨铸铁活塞。在日本的大、中缸径柴油机中，球铁活塞或蠕墨铸铁活塞的产量要远远大于灰铸铁的产量。铸铁活塞主要应用在大、中缸径的低、中速内燃机上。
2.3 铸钢活塞
铸钢的机械强度高，耐热性、耐蚀性以及耐磨性均优于铝合金和铸铁，具有高的弹性模量，优良而稳定的高温性能和比较低的线膨胀系数等优点，但缺点是密度大、加工麻烦、成本高，对缸套的磨损严重。为使活塞质量更轻，通常将钢制活塞的结构设计得十分复杂，活塞体断面很薄。由于省去了大量的材料，整个活塞的质量比目前镶嵌耐热奥氏体铸铁环槽的铝合金活塞约轻30%，具有实际应用价值。制造工艺上，需要设计好铸造工艺，以使得活塞体中较薄的截面都能准确铸成且成品率较高，同时变形小。目前，熔模精密铸造法是较理想的铸造工艺。由于钢制活塞铸成之后还必须经过热处理，以获得较高的耐磨性，为了防止活塞结构上设计的薄壁部位在热处理过程中产生过大变形，以保证活塞功能的正常发挥，需要严格控制其热处理工艺过程。此外，许多钢种制成的该种薄壁活塞在热处理时还易产生表面氧化脱碳太大的缺点而不适用。能较好地满足活塞要求的是沉淀硬化型马氏体不锈钢，其中尤其以17-4PH钢(美国钢材牌号)的效果为最好。目前实际生产中很少全部用铸钢做活塞，而是在一些强化程度高的柴油机上用铸造合金钢做活塞头部，用铸铝做活塞裙部，制成钢顶铝裙的组合式活塞，该结构的活塞已经在超长冲程低速发动机上得到了应用。
2.4 镶体活塞
为解决铝活塞的硬度随着温度升高而大幅度下降的问题，采取在活塞的环槽处镶一导热系数较小且热膨胀系数与活塞基体合金相近的材料制成的环槽圈，这样既强化了环槽，又对活塞热量外流起了限制作用。镶体材料大多采用耐蚀高镍铸铁。新近研发了另一种优于耐蚀高镍铸铁的镶体材料，含有铬、镍的烧结奥氏体铁基合金，而且渗入了铜或铜基合金。事实证明，用烧结金属或合金粉粒制造的镶体更容易获得令人满意的、接近铝合金热膨胀系数的奥氏体组织。但是镶体活塞恶化活塞环槽处的热流动，在镶圈和铝合金界面上容易产生热疲劳裂纹，活塞的疲劳强度、抗咬合性能降低；使用铸铁镶圈，还导致活塞重量增加，成本提高，切削性能变差。
2.5 陶瓷活塞
陶瓷是用于汽车发动机上的新材料，具有质量轻、耐磨、绝热性好、高温强度大等优点。活塞陶瓷化的主要优点有：①可实现部分或全绝热，从而取消冷却系统并且回收废气能量以降低油耗；②降低高强化柴油机活塞的温度，特别是环槽的温度；③改善排放。全陶瓷活塞目前还无成功的应用实例，但组合式陶瓷活塞已在特种发动机上得到了一定的应用。活塞的陶瓷化大致有两种方式，一种是采用陶瓷镶块，材料有钛酸铝和氧化锆，以及反应烧结氮化硅等，另一种方法是采用陶瓷涂层，常用材料为氧化锆。据报道日本已开发出陶瓷涂层和双层陶瓷结构活塞，美国福待公司等还试验过全陶瓷活塞，取消了活塞环与陶瓷气缸套配对在无润滑条件下工作。由于陶瓷的脆性，复杂的制造技术和高成本，要使陶瓷活塞大规模地应用于内燃机，还需要做许多工作。 2.6 铝基复合材料活塞
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发表于 2008-7-12 14:08:59
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