活塞材料

发动机缸体内活塞的材质。

为了使活塞有足够的强度和刚度，质量要小，导热性好和有较小的摩擦系数，活塞材料普遍采用硅铝合金。柴油机活塞则多用铜镍镁铝合金。

1）碳化硅颗粒增强铸铝活塞
粒度为5μm-10μm，含量为5％-7％的SiC陶瓷颗粒，经过特殊处理后用流变铸造法加入到ZLl09中然后挤压铸造成型，可用于活塞的整体或局部增强。该材料的热导率及热膨胀系数各为0．32w／(m·℃1和18×10-6／℃。国内研制的碳化硅颗粒局部增强铝合金活
塞经上海50型拖拉机田间试验证明，第一道环槽导热得到了较大改善，燃烧喉口得到加强，耐磨性比镶奥氏体铸铁圈的活塞要好，活塞质量也得到了加强。

2）氧化铝、硅酸铝和硼酸铝短纤增强铝合金活塞(CFR)
该材料采用陶瓷纤维氧化铝或硅酸铝、硼酸铝短纤维增强基体材料(一般为共晶性或亚共晶性Al—Si合金)的活塞(CFR活塞)，与基体铝合金相比，在300℃时的抗拉强度极限提高20％以上，热膨胀系数降低15％，导热率降低25％，而密度基本不变，耐磨性能优异，热稳定性好、具有更好的高温综合性能[6]。采用挤压铸造工艺生产的局部增强复合材料活塞．界面结合牢固可靠，成品率高，工艺宽容好，特别适合于经增压、强化的工作条件苛刻的柴油发动机。

目前，硼酸铝单晶纤维团粒化坯体，强化活塞第一道环槽和顶部的二冲程汽油机用铝基复合材料活塞，已经在舷外机和摩托雪橇上得到了应用。国外日本丰田ART公司以年产CFR活塞达百万只[7]；国内东南大学材料学院与跃进集团及南京金陵汽车配件厂合作的NJ433发动机采用增强基体材料的活塞，通过了1000小时台架试验；与玉柴机器公司、德国马勒(南京)公司合作的YC6112发动机活塞顶部燃烧室周边增强，现已通过一系列试验及技术鉴定并达到批量化生产，迄今已经生产复合材料活塞毛坯20万件。形成年产数千万元的复合材料活塞产业，使陶瓷纤维增强铝基复合材料在我国的汽车发动机行业进入了工业应用阶段。

3）国内外其它活塞材料的研究应用
随着大马力汽车发动机快速发展，尤其是重型柴油发动机涡轮增压、中冷技术的应用以及大缸径高压缩比、低排放要求的不断提高。传统铝合金活塞材料已无法满足其使用要求，因而国内外众多活塞材料研究机构和制造商推出了许多新型活塞材料。

钢顶铝裙材料
与铸铝相比，铸钢的机械强度高、耐磨性能好，但加工麻烦，密度大，成本高，对缸套的磨损严重。因此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(如40CrMo、4Crl0Si2Mo)做活塞头部，用铸铝做活塞裙部，从而构成了所谓的钢顶铝裙的组合式活塞。该结构的活塞已经在超长冲程的L-GB／GBE系列的低速发动机上得到了应用。法国Renault公司制造的重型商用车用420马力DCill发动机也采用了这种结构的活塞。图6所示为德国Mahel活塞有限公司制造的重型商用车用钢顶铝裙的组合式活塞。

陶瓷材料
陶瓷是各种氧化物、氮化物、碳化物等无机非金属材料的通称。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。五十铃汽车公司所研制的绝热发动机已运行了3500h。据介绍，它的活塞是采用Si3N4活塞头部，用一钢卡环与铸铁裙部连接，头部与裙部之间设置空气隙，并安装一隔热衬垫。这种设计的活塞隔热效果较佳，头部最高温度为700℃，裙部却只有100℃～200℃。但由于陶瓷的性能特点、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，还需要做许多研究工作。

树脂基复合材料
树脂基复合材料作为一种新型的工程材料已广泛应用于国民经济的许多领域，如铸造用的玻璃纤维增强塑料模具和军工用的导弹头锥。美国西密歇根大学采用30％短切石墨纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料(260℃下抗拉强度可达102MPa，延伸率仅为7．2％)制造活塞。因此材料的耐热温度较低，故在活塞顶部等离子喷涂了一层Mg-A12O3尖晶石热障涂层。尔后将该活塞装在了功率为3．7kW转速为3800r／min的二冲程风冷小型发动机上进行了1500小时台架试验。尽管活塞顶部出现烧蚀，但该复合材料在制造小型活塞仍具有一定的生命力。

碳及碳纤维增强碳基复合材料
石墨具有自润滑性好、导热率高、耐热性能优良、尺寸稳定性好、热膨胀系数小、体积密度低等特点。但普通石墨的力学性能不高，使其在活塞材料上一直难于应用。随着等静压成型技术和细结构高强度石墨的发明，综合性能良好的高强度石墨材料在活塞上的应用才真正具有了可能性和现实性。碳纤维增强碳基复合材料除了石墨材料所具有的一切理化性能外具有最优异的高温性能——在1700~C的惰性环境下抗弯强度为571．9MPa。美国赛车公司在2．4KW发动机32小时全负荷性能台架试验中发现碳纤维增强碳基复合材料的活塞明显优于铝合金活塞，且活塞顶面完好无损。其成本分析报告指出：按年产25万只碳基复合材料的活塞计算．每只活塞成本为14美元，如果将年产量扩至100万只则单只活塞成本可降到9．1美元，而铝合金活塞的单只成本为6～12美元，由此可见，碳基复合材料活塞有着广阔的应用前景。