浅谈锻造钢质模锻活塞的发展趋势

UoUGSl9U · 发表于 2019-8-5 14:11

浅谈锻造钢质模锻活塞的发展趋势

徐皓1，王涛2

1.重庆工程职业技术学院（重庆402246)

2.安庆中船柴油机有限公司（安徽安庆246005)

【摘要】活塞是汽车发动机汽缸体中作往复运动的关键部件，它广泛用于轿车、卡车、摩托车、船泊、军用坦克等动力系统中。随着汽车整车对发动机的动力性、经济性、环保性及可靠性的要求越来越严格，尤其我国实现国五排放标准以后，钢质模锻活塞凭借着自身性能优势和寿命长的特点，钢质模锻活塞需求量将与日俱增，而目前钢质模锻活塞锻件毛坯的锻造供应商却屈指可数，这无疑给国内许多尚待转型升级的锻造企业提供了巨大的市场空间。同时随着国家大力提倡供给侧改革，如何紧抓机遇，尽快实现产品转型、升级，让企业重新焕发生机是锻造行业企业家们必须深思的问题。
关键词:锻造活塞;发动机;发展趋势

1 引言
众所周知,活塞是汽车发动机汽缸体中作往复运动的关键机件。如果说发动机是机车的动力心脏，那活塞连杆与曲轴就是发动机的心脏了,它广泛用于轿车、卡车、摩托车、船泊、军用坦克等动力系统中。随着汽车整车对发动机的动力性、经济性、环保性及可靠性的要求越来越严格,活塞已发展成为集轻质高强度新材料、异型外圆复合型面、异型销孔等多项新技术于一体的高技术含量的产品，以保证活塞的耐热性、耐磨性、平稳的导向性和良好的密封功能，减少发动机的摩擦功损失，降低油耗、噪声和排放。为满足以上的功能要求，活塞制造所用的材料分为:铸铁活塞(见图1)、铝合金活塞(见图2)、钢质模锻活塞及组合活塞等,而钢质模锻活塞又有两种类型作为代表，一种是Mono钢质模锻活塞（见图3),另一种是Ferro 钢质模锻活塞(见图4)。下文就着重谈谈锻造钢质模锻活塞的优势与发展趋势。

2 钢质模锻活塞发展
世界上最早的汽车发动机活塞是铸铁的，中国也是一样。后来，铝合金材料以其质轻、良好热传导性及较低膨胀系数等特点得到车用发动机企业的青睐并开始了产业化制造。最早的钢质模锻活塞应用于 1955年德国著名内燃机E LS B ETT公司单缸柴油机上,ELSI3ETT公司于1977年首次申请专利，1984年该公司使用自动生产线生产钢质模锻活塞，2000年开始批量为美国卡特彼勒生产钢质模锻活塞。目前国外钢质模锻活塞已广泛应用于曼、卡特彼勒、康明期、戴姆勒、沃尔沃、奔驰、马克等公司的高性能中重型柴油机上。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就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，比如锻钢、陶瓷及复合材料等。而目前陶瓷、复合材料等活塞成本过高技术仍未完全成熟，尚需时日，所以钢质模锻活塞在今后会呈现井喷式需求，也成为国内各锻造厂商设计开发的热点之一。如今，锻钢活塞头毛坯多以开式热模锻为主，再对毛坯进行机械加工，成为活塞成品。其主要缺陷是机械加工破坏了产品金属流线，降低了产品性能，同时增加产品的制造成本。随着锻造成形技术的进步和优化，活塞锻造成形后，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械构件的成形技术。目前国内有锻造企业采用冷联锻近净成形工艺，
将近净成形技术应用于活塞头闭式模具热锻、冷锻精整及中空分流的近净锻造成形工艺，使活塞头锻造工艺更优质、高效、高精度、低成本。
3 钢质模锻活塞的优势
谈到钢质模锻活塞的优势就不得不谈到发动机的爆发压力，爆发压力是整个发动机行业改变游戏规则的一个非常关键的因素，爆发压力是发动机气缸里最高压力，它决定了发动机对外输出的功率及排放。欧美发达国家发动机爆发压力的演变爆发压力是发动机气缸里最高压力，它决定了发动机对外输出的功率及排放趋势。1961年只有1 lObar，2000年上升到 180bar,随后几年加速上升至240bar，预计2020年将达到270bar。而目前中国商用车在实施国五排放标准后，重型商用车的爆发压力就会达到180bar以上，接近钢质模锻活塞爆发压力区域。因此，我国实现国五排放标准以后，钢质模锻活塞生产制造厂家的需求量将与日俱增。
铝活塞质量轻、往复惯性小，制造成本低，但不能适应高强性能柴油机的要求，而钢质模锻活塞能够胜任，同时活塞压缩比小，能够降低发动机整体高度。钢的强度比铝的强度高很多，在满足相同使用需求的情况下，钢活塞的高度可以降低，壁厚也可以很薄。这一点对主机厂来说非常重要，可以减轻发动机重量、节省材料、降低成本。并且铝活塞和钢活塞相比，热膨胀系数更高。一旦发动机运行起来变热了，铝活塞和缸套之间的间隙会非常小，接近零，而钢活塞可以保证比较大的间隙。间隙小会导致摩擦损失比较高。所以钢活塞可以承受更高的温度和更高的爆发压力，可以让发动机厂具备进一步提高发动机燃烧温度和燃烧压力的条件，从而进一步降低燃油耗，这一点铝活塞无法实现。
目前部分钢质模锻活塞采用了双摩擦焊结构，双摩擦焊结构是Mono steel系列钢活塞最关键的特性，其同时具有内部和外部两个摩擦焊点，焊接处材料承受了高温和高压作用、形成完美的晶粒间的结合，不会降低结构强度,这使得Mono steel系列钢活塞可以承受超过250bar的爆发压力。Mono steel系列钢活塞分为钢质活塞裙和钢质活塞头，Mono steel系列钢活塞设计了一个拥有大尺寸封闭式高置冷却通道，位置接近活塞喉部的机油冷却油道，如图5所示，从而保证这个区域的温度不会太高，使发动机燃烧室可以提升更高的温度。因此具备卓越抗高温性能，可承受重型商用车发动机的高气缸压力。
其次，钢质模锻活塞的喉口温度能降低多达501 〜100T。封闭式焊接油道结构最大负荷时仍能减少活塞环槽变形度高达80%，增强喉口设计疲劳强度高达4 倍，这样就能有效解决国五和国六标准对热负荷、机械负荷、摩擦磨损和缸套穴蚀等方面提出的高规格要求。
三是通常活塞只有3道环槽一两道气环、一道油环，而Mono steel系列钢活塞具有第四道环槽，如图 6所示。这相对较大的第四道环槽并不是用来安装活塞环，而是为降低活塞重量、控制发动机漏气量和油耗而专门设计。
四是钢质模锻活塞独特的销孔工艺极大地提高了钢质模锻活塞的可靠性，特殊的减重设计实现了钢质模锻活塞的轻量化设计，而低摩擦涂层则能显著降低活塞的摩擦损失，这些特点都大大提高了活塞的可靠性，同时降低了二氧化碳的排放。这种优势是铝合金等其它材料所不具备的。在欧盟NEDC工况检测中显示，与铝活塞相比,德国马勒公司钢质模锻活塞相当于节省了3%的燃料。通过减少摩擦损失和改进热力学，钢质模锻活塞在减少二氧化碳排放方面有着显著的潜力。钢质模锻活塞较传统活塞而言,可降低排放量3%至5%，同时可以提供更佳的燃效。而美国Federal-MoguK辉门)公司的Mono steel系列钢活塞高度可降低30%，同时减少摩擦损失，降低燃油耗。参照欧洲的驾驶路况，大约可降低1%的燃油耗。

钢质模锻活塞可以拥有这些优势的重要另一个因素就是它的尺寸：钢质模锻活塞更短。钢质模锻活塞比铝活塞硬度高，因而相同负荷的工作，钢质模锻活塞可以以更短的长度完成。这一点可能帮助发动机实现“瘦身”的功能。短活塞也就意味着接触活塞壁的面积变小，同时钢质模锻活塞在受热时膨胀面积小于铝活塞。上述两点特性可降低钢质模锻活塞在运作中所受的阻力。

UoUGSl9U · 发表于 2019-8-5 14:13

4 钢质模锻活塞在国内的发展趋势
据德国Rheinmetall(莱茵金属）公司调查显不（见图7)，新一代钢质模锻活塞在欧洲柴油乘用车上开始变得愈来愈受青睐。目前而言,钢质模锻活塞多见于中型以及重型卡车发动机上，继重型商用车和赛车发动机之后,钢质模锻活塞目前在欧美国家逐步被用于乘用车柴油发动机。德国马勒公司自2014年开始就为雷诺1.5L和1.6L柴油车供应钢质模锻活塞。德国 Rheinmelall(莱茵金属）公司奔驰 E350 Blue Tec V6 柴油发动机从2014年开始使用钢质模锻活塞。2016 年初，奔驰面向欧洲市场新添了使用钢质模锻活塞的4缸柴油发动机，搭载在柴油版奔驰E级车上。钢质模锻活塞的需求量还在增长。供应钢质模锻活塞的公司表示接到了另一家豪华车品牌的订单，这批钢质模锻活塞将供6缸柴油车使用。这些钢质模锻活塞生产将在2019年开动。目前全世界三大顶级活塞需求商纷纷抢占中国市场，通过独自或合资的方式，在中国内地建活塞加工厂或技术研发中心，加快推进了钢活塞在中国的本土化进程。譬如，德国MAHLE(马勒)在中国建立了全资子公司-马勒发动机零部件(南京)有限公司，缸径从至令130mm，公司产品主要供给国内发动机及汽车生产厂商。公司正在为上海大众汽车有限公司、上海柴油机股份公司、南京依维柯汽车有限公司、江苏南亚自动车有限公司、一汽：无锡柴油机厂、广西玉柴机器股份有限公司、韩国现代集团等客户开发新型环保型发动机用的试制及配套活塞。美国Federal-Mogul (辉门）公司在上海建立了辉门亚太技术中心，技术工程团队参与钢活塞的具体设计研发。并根据市场发展趋势规划产能，满足中国客户的需求。2017第一条活塞加工生产线引人青岛工厂，之后随着市场需求的增长不断进行投入。 2017年世界著名军工企业德国RheinmelalK莱茵金属)公司金属汽车事业部与河南中原内配股份有限公司签订“年产180万只大马力用钢质活塞”项目，项目计划投资10亿元人民币。国内车用活塞制造企业及研发机构也在从事锻钢材料活塞的研究及产业化，比如国内最大的渤海活塞公司已经启动了“高功率低排放发动机锻钢活塞技术研发与产业化”项目等，形成了 MAHLE、Federal-Mogul、KS世界二大顶级钢质活塞零件加工商和国内渤海活塞公司为龙头企业的格局，但钢质模锻活塞锻件毛坯的锻造供应商却屈指可数，这无疑给目前许多尚待转型升级的锻造企业提供了巨大的市场空间。

UoUGSl9U · 发表于 2019-8-5 14:15

5 结束语
综上所述，在新经济、新常态的市场环境下，不少锻造企业经过多年洗礼，锻造行业已步入稳定期，锻件产品不但面临饱和状况，还出现了增长下滑态势。尽管趋势如此，但并不意味着我国的锻造产业会一直这样。随着国家大力提倡供给侧改革，如何紧抓机遇，与时俱进尽快实现产品转型、升级，让企业重新焕发生机是每个企业家必须深思的问题。俗话说:“没有倒闭的行业，只有倒闭的企业”。目前国内只有少数锻造企业已经在批量化生产钢质模锻活塞,但实际产能还远远满足不了市场潜在需求。目前人工热模锻压力机锻造生产线上批量生产常规钢质模锻活塞，当班8h的锻件产量为1，100只左右，若是在全自动热模锻压力机锻造生产线上批量生产常规钢质模锻活塞，当班8h的锻件产量为1，500只左右。钢质模锻活塞生产效率的高低依然由“人、机、料、法、环、测”等6大生产要素决定。而钢质模锻活塞机械加工，对于制造加工技术和设备要求较高，自然利润附加值也高。伴随着日益严苛的排放法规给重型发动机带来了更高热负荷和机械负荷的挑战，同时还需要适应燃烧系统和排气系统技术改进所带来的变化，实现废热回收利用并提高燃油经济性，国内外市场即将迎来钢活塞需求爆发期。随着钢质模锻活塞在国内外市场呈现出井喷式需求，相信这一契机将会给国内的锻造企业和加工企业带来新的利润增长点。

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