汽車工程材料論文

1、汽車發(fā)動機(jī)缸體的選材及加工黃文濤（湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院）摘要 發(fā)動機(jī)是汽車最重要的組成部分，它的性能好壞直接決定汽車的行駛性能，故有汽車心臟之稱。而缸體又是發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)零件，通過它把發(fā)動機(jī)的曲軸連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)以及供油、潤滑等系統(tǒng)連接成一個整體。一般四沖程汽油發(fā)動機(jī)的熱效率為20%-25%，即使是高性能的發(fā)動機(jī)，其熱效率也不到30%。大量的熱量散失，其中排氣損失約占總能量的40%左右，運(yùn)動機(jī)件的摩擦損失10%左右，最后20%是冷卻損失。本文將綜述介紹該零件在不同汽車公司的材料選擇和制造工藝，同時也將展望未來可能應(yīng)用在發(fā)動機(jī)缸體上的新材料。英文摘要 A very popular

2、subest abred for investigation at present is the application of high temperature ceramics-new high temperature structural materials as subetites for metals in the manufacture of engines. The authors present the outstaying features,mufacturing.關(guān)鍵詞 汽車發(fā)動機(jī)缸體；鑄鐵；鋁合金；陶瓷；性能；制備；正文1 零件的工作條件、失效方式及性能發(fā)動機(jī)是汽車最重要的

3、組成部分，缸體是發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)零件，通過它把發(fā)動機(jī)的曲軸連桿和配氣機(jī)構(gòu)以及供油、潤滑等系統(tǒng)連接成一個整體，缸體內(nèi)部氣缸與活塞相連，長期處于高溫、高壓、潤滑不良條件下工作。氣缸外部與大氣相連，因此需要冷卻。帶走大量的熱能。氣缸在工作過程中容易因?yàn)槟p、剝落、拉缸、腐蝕、氣蝕而失效。因此，發(fā)動機(jī)氣缸應(yīng)達(dá)到耐高溫、耐磨、熱脹系數(shù)小、抗熱脹性能好、化學(xué)穩(wěn)定性能好等諸多要求。而隨著對汽車輕量化和保護(hù)環(huán)境的要求，發(fā)動機(jī)氣缸材料日新月異。2 國內(nèi)車用發(fā)動機(jī)市場需求我國汽車產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅速，主要汽車企業(yè)（集團(tuán)）2011年年底形成整車產(chǎn)能1 841萬輛，相應(yīng)發(fā)動機(jī)產(chǎn)能已達(dá)到年產(chǎn)1 671萬臺。隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)

4、展和人民生活水平不斷提高，我國汽車國產(chǎn)化進(jìn)程不斷加快，汽車消費(fèi)需求旺盛，汽車保有量保持快速增長趨勢。2006年至2010年，汽車保有量年均增加951萬輛；據(jù)分析，目前中國的汽車保有量為7 000多萬輛，到2020年將達(dá)到2億輛，也就是每年將凈增1 300萬輛，考慮到汽車報廢等因素，每年凈增量將在2 000萬輛左右。巨大的汽車市場保有量，必將促進(jìn)汽車發(fā)動機(jī)缸體市場的大發(fā)展，現(xiàn)在常用的有灰鑄鐵、鋁合金，而隨著近幾年工藝的進(jìn)步，蠕墨鑄鐵和鎂合金也逐漸使用到發(fā)動機(jī)缸體中。陶瓷發(fā)動機(jī)也在緊密地研制中，已經(jīng)生產(chǎn)出了樣機(jī)，而隨著技術(shù)的發(fā)展，相信未來以鈦合金和復(fù)合材料為首的高強(qiáng)度、低密度的材料也會逐漸運(yùn)用到發(fā)

5、動機(jī)缸體中。3 灰鑄鐵汽缸體材料3.1 灰鑄鐵材料簡介灰鑄鐵由于具有良好的鑄造工藝性能和機(jī)械性能，優(yōu)越的耐磨性、減振性和導(dǎo)熱性，而且生產(chǎn)方便，價格便宜，在很多工業(yè)領(lǐng)域的鐵系零件中被選為復(fù)雜形狀零件的首選材料，特別是發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋。鑄鐵鑄件一般占各類鑄件總產(chǎn)量的75%以上；而灰鑄鐵產(chǎn)量又占鑄鐵件總產(chǎn)量的75%以上。發(fā)動機(jī)缸體一般采用HT250或者更高牌號的低合金鑄鐵，金相組織為98%以上的珠光體；為保證良好的鑄造工藝性能，在化學(xué)成分的控制上采用較高的碳膽量（3.9%-4.1%CE），在化學(xué)成分中絕大多數(shù)含有Cr0.15%-0.40%和Cu0-0.8%，有的還含有Mo、Ni、Sn等元素，以提高鑄

6、件本體的強(qiáng)度、硬度極其均勻性以及薄斷面處的珠光體量（一般大于95%），鑄鐵本體監(jiān)測點(diǎn)硬度以185HB-235HB居多，很少低于180HB。3.2 熔化工藝和設(shè)備缸體鑄造所用的熔煉設(shè)備大多為沖天爐中頻感應(yīng)爐雙聯(lián)熔煉，也有采用中頻感應(yīng)爐中頻感應(yīng)爐雙聯(lián)熔煉，而使用變頻感應(yīng)爐作為保溫爐的企業(yè)亦在不斷增加。為了節(jié)能和環(huán)保，部分企業(yè)的沖天爐采用水冷熱風(fēng)除塵方式，用具有高發(fā)熱值的鑄造焦取代冶金焦，以提高鐵液溫度，保證鐵液質(zhì)量，增強(qiáng)熔化效率。一汽鑄造公司的沖天爐熔化過程控制采用微機(jī)等集散式控制系統(tǒng)。哈爾濱東安機(jī)械廠、上汽通用和安徽奇瑞等許多車間的熔化設(shè)備多數(shù)以中頻爐為主。從熔煉質(zhì)量看，這些熔煉設(shè)備都能滿足供貨

7、需求，與世界先進(jìn)水平基本接近。隨著工業(yè)廢鋼的生產(chǎn)量增加，國內(nèi)已經(jīng)采用以廢鋼增碳的熔化工藝來生產(chǎn)缸體等薄壁高強(qiáng)度合金鑄鐵件，這為提高鑄件質(zhì)量和穩(wěn)定生產(chǎn)提供了可靠的保證。一汽鑄造公司使用國產(chǎn)10 t中頻熔化爐，采用廢鋼增碳熔化技術(shù)生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵，鑄件各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國際同類水平，抗拉強(qiáng)度達(dá)230-320 MPa，硬度達(dá)180-220 HB，內(nèi)腔清潔度要求小于3 000 mg。目前，大批量流水線生產(chǎn)的汽車鑄造行業(yè)采用大噸位中（變）頻爐熔化也是一種趨勢。如安徽蕪湖奇瑞60萬臺發(fā)動機(jī)缸體鑄造及原一汽大宇發(fā)動機(jī)有限公司鑄鐵廠（現(xiàn)為上海通用煙臺動力）熔煉爐和保溫爐全部采用美國應(yīng)達(dá)8 t容量的中頻爐和20 t

8、容量的保溫爐。近10年來，隨著靜態(tài)變頻裝置的發(fā)展，其效率和安全性能不斷提高而投資呈逐年下降的趨勢，使得鑄造廠采用中頻感應(yīng)電爐來代替工頻感應(yīng)電爐熔煉鐵合金和非鐵合金變得越來越普遍。3.3 造型工藝和設(shè)備缸體是發(fā)動機(jī)上最關(guān)鍵、最復(fù)雜的鑄件，其壁厚最薄處往往不到3 mm，缸體鑄件生產(chǎn)應(yīng)用最廣的仍然是濕型粘土砂，具有成型性能好、能耗低、噪音小、污染少、效率高、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)的靜壓造型線及氣沖造型線使用較為廣泛。近年來，國內(nèi)外造型線制造廠家對造型機(jī)的不斷改進(jìn)，先后已出現(xiàn)氣沖加壓實(shí)、氣流增益氣沖加壓實(shí)、靜壓加壓實(shí)、主動多觸頭壓實(shí)、成型擠壓等加砂方式，砂型硬度更加均勻化，成為缸體鑄件生產(chǎn)首選的造型設(shè)備。另外

9、，對于發(fā)動機(jī)缸體鑄件年產(chǎn)量萬臺左右的廠家，如濰柴四川柴油機(jī)廠和康明斯四川五糧液等大中型柴油機(jī)缸體鑄造企業(yè)，均采用pepset自硬砂工藝和三乙胺冷芯盒工藝，這也是節(jié)能低碳的最佳選擇。國內(nèi)清華大學(xué)、濟(jì)南鑄鍛所等早已研制靜壓造型線，蘇州鑄造機(jī)械廠和保定維爾的靜壓造型線以及無錫華佩線已有數(shù)條投入使用，但他們在整線性能和鑄型質(zhì)量一致性方面還顯得不足。因此，國內(nèi)汽車鑄件生產(chǎn)所用造型線多以進(jìn)口為主，濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所捷邁鑄造工程公司為揚(yáng)動股份有限公司提供了一條砂箱尺寸為1 000 mm×750 mm×320 mm的靜壓造型線，該線主機(jī)選用德國HWS公司的靜壓造型機(jī)，輔機(jī)由國內(nèi)提供，是

10、國內(nèi)單主機(jī)布線生產(chǎn)率最高的造型線，代表了當(dāng)今世界的最高造型技術(shù)水平。氣沖造型問世幾十年，其技術(shù)發(fā)展也在不斷提高和進(jìn)步，與其它現(xiàn)代化濕型砂造型方法一樣，都是追求提高砂型緊實(shí)的均勻性，從而保證砂型表面光潔，尺寸精確，內(nèi)部致密。3.4 制芯工藝和設(shè)備目前，國內(nèi)汽車鑄造廠缸體生產(chǎn)所用砂芯如水套砂芯、曲軸箱砂芯、缸筒與頂端砂芯、前后端面砂芯等依各廠條件不同，分別采用冷芯盒制芯、熱芯盒制芯或覆膜殼芯制芯。冷芯盒工藝因其芯砂流動性、潰散性、生產(chǎn)率、節(jié)能和砂芯精度優(yōu)于其它制芯工藝，在國內(nèi)汽車發(fā)動機(jī)缸體鑄造行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。從今后趨勢看，其應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。另外，采用鎖芯工藝，利用砂芯上開設(shè)的工藝孔，二次填砂

11、固化，使多個砂芯組合為一個整體組合砂芯，然后整體涂料、烘干，這樣鑄件尺寸精度可大大提高，總體尺寸誤差不超過0.3 mm。多數(shù)廠家采用計(jì)算機(jī)控制的“制芯中心”使全部制芯過程實(shí)現(xiàn)自動化。制芯等設(shè)備主要有德國蘭佩冷芯制芯機(jī)、西班牙洛拉門迪制芯中心、日本浪速等，國產(chǎn)熱芯設(shè)備有單工位、兩工位、四工位等，殼芯設(shè)備有K763/874殼芯機(jī)等，可滿足復(fù)雜、薄壁、高精度鑄件對砂芯質(zhì)量的要求。3.5 砂處理工藝和設(shè)備砂處理工藝對鑄件產(chǎn)量和質(zhì)量至關(guān)重要。在大批量流水線生產(chǎn)條件下，型砂周期循環(huán)使用，國內(nèi)汽車行業(yè)都非常重視反復(fù)使用過程中型砂性能的變化規(guī)律，力求選擇好的砂處理工藝流程，并采用逐級多點(diǎn)檢測和自動控制。隨著高

12、壓、氣沖及靜壓造型工藝對型砂要求嚴(yán)格性的不斷提高，相當(dāng)多廠家進(jìn)口了大容量高速混砂設(shè)備，如一汽二鑄廠采用2套200t/h砂處理單元，分別都配有美國國家工程公司辛普森22G高效混砂機(jī)和連續(xù)雙盤冷卻器，整個系統(tǒng)配有各種檢測儀器，通過中央控制室模擬控制；哈爾濱東安發(fā)動機(jī)公司和天津內(nèi)燃機(jī)廠等引進(jìn)日本新東公司SSD型砂處理系統(tǒng)，回砂采用測溫加水（MIA）和測濕加水（MIC）裝置以及型砂成型性控制儀，配以先進(jìn)的檢測系統(tǒng)，通過自動化監(jiān)控向靜壓造型線提供合格的型砂；上海通用、煙臺動力、安徽奇瑞等公司采用塔式結(jié)構(gòu)的砂處理單元，使用國外公司的高效混砂機(jī)，舊砂冷卻系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，并將舊砂破碎、磁選、篩分、增濕

13、冷卻、輔料定量、混砂等工藝布置在24 m×24 m×25 m左右的空間內(nèi)，這也是目前國外較先進(jìn)的布置形式。常州法迪爾克公司開發(fā)的MXC 30120 t/h系列變頻式冷卻混砂機(jī)實(shí)現(xiàn)了混砂機(jī)創(chuàng)新性的突破，在沈陽華晨、常柴股份等20余家發(fā)動機(jī)鑄造廠得到推廣。其砂處理系統(tǒng)布置簡單，減少了設(shè)備、廠房的基礎(chǔ)投入；采用調(diào)速變頻，降低能耗，型砂混制更均勻；充分發(fā)揮膨潤土的效率，降低加入量，有效控制型砂溫度。國內(nèi)一些汽車發(fā)動機(jī)鑄造廠由于使用砂芯數(shù)量較多，落砂時有大量潰散砂芯（這些砂芯幾乎都是樹脂砂芯）流入到舊砂中，使舊砂量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過砂系統(tǒng)的容納量，迫使必須拋棄大量的舊砂以保持砂處理系統(tǒng)平衡，在

14、所拋棄的舊砂中，不僅有芯頭、清理的廢砂以及除塵細(xì)粉，還有許多落砂時不易破碎的型砂塊，形成混合型舊砂。如果把這種混合型舊砂作為廢砂（廢棄物）拋棄，不僅造成了資源浪費(fèi)，而且廢棄舊砂堆放既占場地，又污染環(huán)境，還需大量的運(yùn)輸費(fèi)用。為減少這類混合型舊砂的產(chǎn)生，有的發(fā)動機(jī)缸體鑄造廠采用熱法再生：如哈爾濱東安汽車發(fā)動機(jī)公司引進(jìn)意大利的熱法再生設(shè)備已在生產(chǎn)中應(yīng)用；一汽鑄造公司引進(jìn)日本熱法再生和機(jī)械再生結(jié)合技術(shù)，處理芯砂和型、芯砂混合砂已在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。粘土濕型舊砂再生技術(shù)的應(yīng)用近年來有了突破，實(shí)踐證明濕型粘土舊砂經(jīng)熱法再生后的LOI值、熱膨脹率、發(fā)氣量、角形系數(shù)及灰分含量等指標(biāo)都優(yōu)于新砂。但就目前國內(nèi)鑄造行

15、業(yè)現(xiàn)狀而言，粘土濕型砂熱法再生技術(shù)的推廣仍不如預(yù)期的那么廣泛，僅有宜賓五糧液康明斯發(fā)動機(jī)缸體鑄造廠以及東風(fēng)、一拖等大型鑄造廠、長三角地區(qū)的吳江、昆山等地建有熱法焙燒爐用于舊砂再生。最近國外流行一種集鑄造與熱處理于一體，即落砂、再生和熱處理三合一的工藝，國內(nèi)已陸續(xù)有一些采用自硬砂工藝生產(chǎn)鋁缸體的鑄造廠在落砂清理工序中推廣這種工藝。在焙燒爐中，砂型和砂芯的樹脂粘結(jié)劑所含有的許多能量在與爐中高溫及富氧氣氛接觸燃燒后會被釋放，而伴隨著粘結(jié)劑的燃燒，砂型和砂芯中的型砂就會散落下來。爐頂安裝的軸流風(fēng)扇產(chǎn)生的高速氣流向下吹向缸體鑄件，將散落的型砂帶向爐底。高速氣流流過不規(guī)則形狀的缸體鑄件會產(chǎn)生壓差，這種壓差

16、引起鑄件內(nèi)部和外部的氣流擾動，從而將松動的型砂帶走。與此同時，高速風(fēng)扇也使?fàn)t內(nèi)氣流分布達(dá)到最佳狀態(tài)，從而使?fàn)t內(nèi)溫差保持在很小的范圍內(nèi)。鑄件從清潔鑄造三合一系統(tǒng)出來后，在完成了固溶熱處理的同時，型砂和芯砂都已去除干凈。型（芯）砂在漏斗形爐底上被收集在一起。爐底裝有流態(tài)床，用于對型（芯）砂進(jìn)行最后清理。粘結(jié)劑殘留的微粒被分離并被排放。型（芯）砂在爐內(nèi)被完全再生，經(jīng)過氣力輸送到造型、制芯工部。爐內(nèi)廢氣集中排放，通過旋風(fēng)分離器、灼燒器、換熱器，最后經(jīng)過袋式過濾除塵器，清潔后的氣體才被排放到大氣?？傊?，新建鑄造工廠必須考慮舊砂再生處理；對已建成投產(chǎn)的鑄造工廠，可增加舊砂再生，或?qū)⑴f砂集中到就近專業(yè)處理工

17、廠再生后使用。這已經(jīng)是一種發(fā)展趨勢，是國家節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的需要。3.6 清理工藝和設(shè)備目前，缸體鑄件經(jīng)去除澆冒口后，在清理線上打磨外表面，然后進(jìn)入鼠籠式拋丸室清理，已是一種常規(guī)工藝。生產(chǎn)多品種缸體時，部分廠家采用夾持式高效拋丸清理機(jī)進(jìn)行拋丸。普遍采用各種自動化和機(jī)械化專用清理線和高效缸體鼠籠拋丸機(jī)以及機(jī)械手對缸體進(jìn)行整體清理，然后用手工對缸體逐個精整及吹凈水套內(nèi)腔殘留物。經(jīng)尺寸檢查，氣密性試驗(yàn)，銑加工定位點(diǎn)及終檢后，進(jìn)行涂漆或其它防銹處理，成為合格缸體鑄件。以鋼丸代替鐵丸進(jìn)行拋丸清理，采用機(jī)器人分揀缸體鑄件，采用澆冒口去除機(jī)去除澆冒口以及采用X射線和超聲波探傷儀檢驗(yàn)內(nèi)部缺陷等方法已為越來

18、越多的廠家采用。天津豐田等鑄造廠都對金屬爐料進(jìn)行拋丸、破碎、凈化和稱量，以提高熔化效率和鐵液質(zhì)量。4 蠕墨鑄鐵材料4.1 蠕墨鑄鐵材料簡介蠕墨鑄鐵發(fā)現(xiàn)與1948年，但是由于生產(chǎn)工藝不成熟，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量，所以一直未能廣泛使用，直到21世紀(jì)，先進(jìn)的生產(chǎn)工藝使得蠕墨鑄鐵可以穩(wěn)定生產(chǎn)，誅魔主題應(yīng)用于復(fù)雜工件（如發(fā)動機(jī)缸體）的大批量聲場才有了可能?，F(xiàn)在奧迪（Audi）、達(dá)富（DAF）、福特（Ford）、現(xiàn)代（Hyundai）、曼（MAN）、奔馳（Mercedes）、標(biāo)致（PSA）、大眾（Volkswagen）和沃爾沃（Volvo）等世界著名汽車廠商已經(jīng)開始使用蠕墨鑄鐵作為其發(fā)動機(jī)氣缸的材料，年產(chǎn)量已

19、經(jīng)達(dá)到100000多t。鑄鐵機(jī)械性能的高低是有其金相組織所決定的。由于灰鑄鐵中的片狀石墨長且薄，表面平坦，端部尖銳，在承受載荷時，尖銳的端部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為鑄件破壞的起點(diǎn)，造成鑄件的強(qiáng)度和韌性下降；石墨雖然是優(yōu)良的固體潤滑劑，能防止劇烈的磨損，但其平坦的表面易造成石墨脫落，同時尖銳的端部產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，反而會引起磨損的加劇，所以片狀石墨的存在，使得為了滿足更高的使用要求而繼續(xù)提高灰鑄鐵強(qiáng)度、韌性和耐磨性變得極為困難。蠕墨鑄鐵的石墨形狀與片狀石墨相比，其長度較短而厚，端部較圓，長厚比在10以下（灰鑄鐵一般為50-100），且表面粗糙，較圓的端部能抑制裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展，粗糙的表面能限制石墨的脫

20、離，與灰鑄鐵和鋁合金相比，蠕墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度提高了75%，彈性模量提高了40%，疲勞強(qiáng)度提高了100%。表4.1.1給出了蠕墨鑄鐵（RuT）以及灰鑄鐵（HT）和鋁的力學(xué)和物理性能。表4.1.1 蠕墨鑄鐵（RuT）以及普通灰口鐵（HT）和鋁的力學(xué)和物理性能性質(zhì)單位 RuT450 HT250 HT300 A390.0抗拉強(qiáng)度MPa450250300275彈性模量GP長率%1-2001旋轉(zhuǎn)-彎曲疲勞強(qiáng)度（20）MPa210110125100旋轉(zhuǎn)-彎曲疲勞強(qiáng)度（225）MPa20510012035熱傳導(dǎo)W/m-k364639130熱膨脹Um/m-k12121218密度g/cm

21、37.17.17.12.7布氏硬度BHN 103000215-255190-225215-255110-1504.2 蠕墨鑄鐵在氣缸上的應(yīng)用蠕墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)的成功開發(fā)導(dǎo)致了在歐洲，亞洲和美洲的批量生產(chǎn)。表4.2.1給出了已宣布批量生產(chǎn)蠕墨鑄鐵的項(xiàng)目。表4.2.1 批量生產(chǎn)蠕墨鑄鐵的項(xiàng)目No.汽車制造公司發(fā)動機(jī)資料蠕墨鑄鐵部件1奧迪3.0L V6柴油發(fā)動機(jī)缸體2奧迪4.2L V8柴油發(fā)動機(jī)缸體3奧迪6.0L V12柴油發(fā)動機(jī)缸體4卡特彼勒重型柴油發(fā)動機(jī)氣缸襯套5達(dá)富12.6L I-6柴油發(fā)動機(jī)缸體6達(dá)富12.9L I-6柴油發(fā)動機(jī)缸體和缸蓋7福特-坡薩2.7L V6柴油發(fā)動機(jī)缸體8福特3.6L

22、V8柴油發(fā)動機(jī)缸體9福特-屋太尚9.0L I-6柴油發(fā)動機(jī)缸體和缸蓋10現(xiàn)代3.0L V6柴油發(fā)動機(jī)缸體11現(xiàn)代3.9L I4柴油發(fā)動機(jī)缸體12現(xiàn)代5.9L I-6柴油發(fā)動機(jī)缸體13國際11.0L I6柴油發(fā)動機(jī)缸體14國際13.0L I6柴油發(fā)動機(jī)缸體15強(qiáng)迪雷9.0L I6柴油發(fā)動機(jī)缸襯16曼（MAN）10.5L I6柴油發(fā)動機(jī)缸體17曼（MAN）12.4L I6柴油發(fā)動機(jī)缸體18奔馳12.0L V6柴油發(fā)動機(jī)缸體19奔馳16.0L V8柴油發(fā)動機(jī)缸體20奔馳10-15L HDEP I6系列缸蓋21瑞諾特3.0L V6柴油發(fā)動機(jī)缸體22沃爾沃重型柴油發(fā)動機(jī)缸體目前蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)量相當(dāng)于每年

23、約500000個發(fā)動機(jī)量。目前蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)主要集中在歐洲，并局限于柴油發(fā)動機(jī)，但在世界其他地區(qū)，一些新的項(xiàng)目正在展開研究，并且蠕墨鑄鐵的應(yīng)用已擴(kuò)大到其他部件。美國3大汽車制造公司（通用、福特和克萊斯勒）中的每一個都已宣布V形柴油發(fā)動機(jī)缸體要被應(yīng)用于越野車（SUV）和客商兩用車（Pick-up），并且都于2009年在北美鑄造廠生產(chǎn)?，F(xiàn)在已經(jīng)有超過30款不同設(shè)計(jì)的柴油發(fā)動機(jī)以及超過2000000個發(fā)動機(jī)量的缸體和缸蓋在2010年生產(chǎn)。4.3 蠕墨鑄鐵在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用在蠕墨鑄鐵發(fā)動機(jī)缸體開發(fā)的初期階段，許多的開發(fā)研究都集中在如何降低重量方面。表4.3.1列出了由鑄造企業(yè)和汽車制造業(yè)在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)

24、方面取得的、在降低重量方面的成果。與灰口鑄鐵相比，在相同功率的情況下，其質(zhì)量大大降低。表4.3.1 蠕墨鑄鐵缸體重量相對于灰口鐵缸體重量的降低發(fā)動機(jī)尺寸/升發(fā)動機(jī)類型灰口鐵發(fā)動機(jī)重量/kg蠕墨鑄鐵發(fā)動機(jī)重量/kg重量降低百分?jǐn)?shù)/%1.6I-4 汽油35.42529.41.8I-4 柴油38.029.522.42.0I-4 汽油31.826.616.42.5V-6 賽車56.545.020.42.7V-6 柴油未知未知（15）3.3V-8 柴油未知未知（10）3.8V-8 柴油未知未知（20）4.0V-8 柴油未知未知（15）4.2V-8 柴油未知未知（20）4.6V-8 汽油72.759.61

25、8.09.2I-6柴油15814011.412.0V-6 柴油24021510.414.6V-8 柴油40835214.2相對于現(xiàn)在，蠕墨鑄鐵的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到降低尺寸和提高功率。蠕墨鑄鐵擁有相對于灰口鑄鐵及鋁兩倍的疲勞強(qiáng)度，可大大地增加發(fā)動機(jī)的負(fù)荷強(qiáng)度。表4.3.2比較了四個用蠕墨鑄鐵和灰口鐵制造的、相同的柴油發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)徑的變形情況（用百分?jǐn)?shù)表示）。表4.3.2 蠕墨鑄鐵和灰口鑄鐵制造的缸體的氣缸內(nèi)徑變形比較發(fā)動機(jī)尺寸/L發(fā)動機(jī)類型蠕墨鑄鐵相對于灰口鐵的改善（%）1.8I-4 汽油發(fā)動機(jī)181.8I-4 柴油發(fā)動機(jī)202.2I-4 汽油發(fā)動機(jī)284.6V-8 汽油發(fā)動機(jī)22德國歐寶（OPEL）公

26、司在1995年成功開發(fā)了蠕墨鑄鐵缸體，并于HT250鑄鐵缸體進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。表4.3.3及表4.3.4分別為歐寶公司生產(chǎn)的V6（2.5L）和I4（1.6L）發(fā)動機(jī)缸體的效果比較。表4.3.3 V-6（2.5L）發(fā)動機(jī)缸體效果比較項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)缸體（HT250）1995年賽車缸體（蠕墨鑄鐵）效果（%）氣缸間的壁厚/mm73-57.1衍磨面粗糙度Ra/um0.320.18-43.8氣缸圓柱度/um32.098.97-71.8氣缸部位磨損量/比率10060-40質(zhì)量/kg56.545.0-20.4功率/PS168457+172缸體質(zhì)量/功率/（kg·PS-1）0.3360.100-70.2表4.

27、3.4 I-4 發(fā)動機(jī)缸體效果比較項(xiàng)目HT250大批量生產(chǎn)型蠕墨鑄鐵試生產(chǎn)型效果（%）鑄件重/kg40.430.0-25.7加工后重/kg35.425.0-29.5衍磨面粗糙度Ra/um0.3200.160-50功率/PS1061060缸體質(zhì)量/功率/（kg·PS-1）0.3320.233-29.8缸體缸徑/mm79780缸體長X高/mm389X243.5389X243.504.4 蠕墨鑄鐵與灰口鐵的比較根據(jù)歐寶公司的實(shí)驗(yàn)證明，與灰口鑄鐵相比，蠕墨鑄鐵缸體有以下優(yōu)勢：一發(fā)動機(jī)功率：蠕墨鑄鐵缸體與灰鑄鐵缸體相比，缸徑變形小且均勻。并可降低活塞環(huán)的張力，能夠減小摩擦，降低缸套的磨損和機(jī)油

28、消耗；二缸徑的膨脹：臺架實(shí)驗(yàn)表明，蠕墨鑄鐵缸體與灰鑄鐵缸體相比，缸徑的膨脹小18%-28%，因此可降低機(jī)油消耗以及有害氣體的泄漏；三缸徑的怨毒：蠕墨鑄鐵剛性高，所以裝上缸蓋后缸徑的圓度比灰鑄鐵至少好40%；四密封性：蠕墨鑄鐵缸體的缸徑應(yīng)變小。與灰鑄鐵相比漏氣及機(jī)油消耗均大大降低；五漏油：與灰鑄鐵相比，蠕墨鑄鐵的拋光好，發(fā)動機(jī)和壓油部件的漏油可減少20%；六輕量化：蠕墨鑄鐵的強(qiáng)度和剛性都搞，留有改進(jìn)設(shè)計(jì)、減輕重量的足夠余地，歐寶I-4（1.6L）發(fā)動機(jī)缸體改進(jìn)設(shè)計(jì)后，缸體重量減輕了30%；七噪聲、振動：減振性與灰鑄鐵大致相同，而噪聲減少8%-18%；八氣缸間壁厚：蠕墨鑄鐵強(qiáng)度可達(dá)灰鑄鐵的兩倍，有

29、利于壁厚的減薄，如歐寶V6缸體壁厚由原7mm減為3mm。5 鋁合金汽缸體材料5.1 鋁合金材料簡介早在20世紀(jì)50年代，就已經(jīng)有生產(chǎn)鋁合金發(fā)動機(jī)汽缸體的壓鑄機(jī)。我國砂型鑄造汽油機(jī)鋁合金缸體的歷史也可以追溯到80年代。但是，隨著汽油機(jī)氣缸最大爆發(fā)力的逐步提升，當(dāng)年的鋁合金氣缸無論從材料性能，還是從結(jié)構(gòu)上都無法滿足要求，于是曾有一段時間鋁合金氣缸逐漸淡出。但是，隨著材料科學(xué)的發(fā)展與設(shè)計(jì)水平的提高，近來甚至最先進(jìn)的轎車柴油機(jī)都不乏重新采用鋁合金氣缸的實(shí)例。包括羅孚的k系列發(fā)動機(jī)，寶馬的M52直列六缸發(fā)動機(jī)，日產(chǎn)的VQ發(fā)動機(jī)，捷豹的-AJV8發(fā)動機(jī)、奔馳的V6和V8發(fā)動機(jī)、邁巴赫的V12發(fā)動機(jī)、大眾的

30、W12發(fā)動機(jī)、通用的LS1和北極星V8發(fā)動機(jī)、標(biāo)致的2升四缸發(fā)動機(jī)和通用的新型直列四缸發(fā)動機(jī)等等都是采用鋁合金制造。其中奔馳V6轎車柴油發(fā)動機(jī)的鋁合金氣缸每年生產(chǎn)批量已超過20萬件。今天有許多中小型發(fā)動機(jī)，甚至柴油機(jī)，已經(jīng)在大批量生產(chǎn)中采用了鋁合金氣缸。德國大眾汽車的Lupo1.2L TDI渦輪增壓直噴式柴油發(fā)動機(jī)的氣缸就是一例。包括法拉利、蘭博基尼在內(nèi)的眾多跑車廠商，甚至一級方程式賽車的發(fā)動機(jī)也是用鋁合金制造的氣缸。5.2 鋁合金的鑄造工藝鋁合金缸體的鑄造工藝從原理上可以分成多次使用的鑄型（金屬型）和一次使用的鑄型（砂型）。砂芯的制造方法也有所不同。當(dāng)今在大批量生產(chǎn)中最為常用的是砂型鑄造和壓

31、鑄。砂型鑄造在成型方面提供了最大的自由度，可以采用封閉的氣缸連接面（閉式頂板）。如果生產(chǎn)件數(shù)較高（年產(chǎn)20萬件以上），那么采用壓鑄是一種經(jīng)濟(jì)的解決方案。壓鑄能以高效的生產(chǎn)速度、精細(xì)的表面質(zhì)量和精確的尺寸實(shí)現(xiàn)鑄件薄壁結(jié)構(gòu)。然而，由于熔融金屬充型壓力很高不能使用砂芯，水套通常必須往上敞開（開式頂板）。這意味著氣缸筒嚴(yán)重變形?，F(xiàn)在，甚至直噴式才有機(jī)都可以做到敞開式頂板結(jié)構(gòu)。此外，壓鑄快速的充型過程易導(dǎo)致氣泡的生成，以致無法通過熱時效硬化改善力學(xué)性能。這個缺點(diǎn)可以利用擠壓鑄造來避免。因?yàn)檫@種工藝采用的壓力較低，使得充型過程明顯地減緩，有可能進(jìn)行補(bǔ)縮。此外，壓住對于水套的長度有著間接的影響由于氣缸直徑、

32、拉桿螺栓的位置、密封法蘭最小寬度以及必須的通常為0.5°的起模斜度等因素，實(shí)際制成的壓鑄機(jī)體的水套通常至多只能覆蓋活塞行程的70%。這會降低通過活塞環(huán)的熱流量，提高機(jī)油的熱負(fù)荷。在機(jī)體結(jié)構(gòu)方面，壓鑄有一些局限性。不過這些均可通過技術(shù)手段加以控制。機(jī)體是否采用壓鑄的工藝，首先還是取決于生產(chǎn)量。對于高負(fù)荷的發(fā)動機(jī)來說，選擇砂型鑄造更能通過合適的造型工藝、合金優(yōu)化和熱處理來生產(chǎn)可靠、耐久的發(fā)動機(jī)機(jī)體。從零件成本來看，充分利用砂型鑄造在成型方面較大的自由度，還可以將各種功能整形到氣缸中去，在總體上減輕質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。5.3 鋁合金與鑄鐵的比較鋁合金與鑄鐵相比，主要優(yōu)勢體現(xiàn)在密度低，導(dǎo)熱性

33、好。其次其加工工藝性優(yōu)勢明顯。例如：在加工鋁合金時，機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到10000r/min，高精密機(jī)床甚至可以達(dá)到20000r/min。而傳統(tǒng)的鑄鐵加工在機(jī)床功率不變的情況下，15機(jī)床要有大的扭矩，因而機(jī)床的轉(zhuǎn)速就得下降。一般的鑄鐵加工，常用到的機(jī)床的轉(zhuǎn)速都是在3000r/min，很少部分可以使用到6000r/min以上的。因此在機(jī)加工方面，鑄鋁材料的加工為鑄鐵材料的兩倍。其次由于加工鋁合金缸體的切削力比鑄鐵材料小很多，對加工夾具的剛性要求也比鑄鐵工件的加工低得多，因而夾具所用油缸的直徑、數(shù)量也少。由于結(jié)構(gòu)偏向簡單，夾具的設(shè)計(jì)和制造成本也為之降低。表5.3.1給出了鑄鐵材料和鋁合金材料加工

34、參數(shù)表。表5.3.1 鑄鐵材料和鋁合金材料加工參數(shù)表序號加工內(nèi)容刀具直徑齒數(shù)鑄鐵材料加工刀具參數(shù)鋁合金材料加工刀具參數(shù)刀具材料Vcm/minNr/minFzmm/rFmm/r刀具材料Vcm/minNr/minFzmm/rFmm/r1粗銑1258合金2506370.17866PCD100025480.240762精銑1258合金3007640.12734PCD150038220.1236693鉆孔6.81合金12056200.21124合金20093670.218734攻絲81HSS3011941.251493HSS5019901.2524485鏜孔602合金25013270.06159PCD1

35、80095540.0611466絞孔164合金407960.1318PCD600119430.14777通過商標(biāo)可知，鋁合金材料的加工可實(shí)現(xiàn)5倍于鑄鐵的加工，進(jìn)給速度可以達(dá)到10倍以上。同時鋁合金可采用壓鑄工藝生產(chǎn)，加工余量本來就比鑄鐵少很多，而加工速度又有了很大提高。所以鋁合金工件工藝有點(diǎn)很明顯：加工時間短，效率高，效果明顯。同時高速精銑帶來的還有加工精度高：由于鑄鋁材料加工切削速度高，吃刀量很小，剪切變形區(qū)域窄，變形系數(shù)小，切削力下降大概30%-90%。刀具和工件受熱影響小。切削產(chǎn)生的熱量大部分被告訴流出的鋁屑所帶走，因此工件和刀具的熱變形小，有效地提高了加工精度。表5.3.2給出了缸體曲

36、軸孔加工后精度對比。表5.3.2 缸體曲軸孔加工前后精度對比工件材料直徑圓度mm直線度mm粗糙度備注鑄鐵H30.0050.005Ra 1.25研磨鑄鋁H60.0030.005Rz6精鏜鎂合金因?yàn)樾再|(zhì)與鋁合金類似，在此便不一一闡述。6 氮化硅陶瓷材料6.1 輕盈性氮化硅陶瓷的密度為鋼的2/5，比鋁的密度還要小，同時還可以省去冷卻系統(tǒng)，可以大大減輕發(fā)動機(jī)的重量，從而達(dá)到輕量化的目標(biāo)。6.2 絕熱性 7 T8 t' m  T1 c; Z陶瓷材料與金屬材料相比，導(dǎo)熱率要低很多，所以陶瓷發(fā)動機(jī)可以成為“ 絕熱發(fā)動機(jī)”。用導(dǎo)熱率低的材料做氣缸、活塞、缸蓋，可以組成對外散熱很少的

37、燃燒室系統(tǒng)，以此提高發(fā)動機(jī)的燃燒質(zhì)量和做功效率；這是陶瓷材料做發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)在理論上最迷人的地方。使用陶瓷材料做的發(fā)動機(jī)輸出功率比較大. Y$ K9 m; C% P( k1 J4 d) o，特別是冷機(jī)性能較好?？梢韵胂螅涸诟妆谔岣邷囟冗€減少散熱的情況下，缸內(nèi)的燃燒質(zhì)量會因散熱少而有所提高；特別是淬熄層會大幅度地減少，燃燒室周邊的燃汽也可以參與燃燒，當(dāng)然會有節(jié)約燃油增加功率和減少排放污染的效果。6 e$ - R6 $ E' r5 A( E# k6.3 抗磨性從理論上來講，陶瓷材料本身由高溫?zé)Y(jié)而成，應(yīng)該具有耐高溫、抗氧化、堅(jiān)硬、耐磨等性能。但是實(shí)際上陶瓷材料的材質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是類似粉末冶金，

38、不是通常金屬的那種緊密材質(zhì)，便對它的抗磨性與堅(jiān)韌性產(chǎn)生了懷疑。- r2 A/ w& 4 C) s* o7 E按說粉末材質(zhì)應(yīng)該是便于含油有利于潤滑的，是不是目前配給的潤滑油不符合其不同的高溫特性？還是因?yàn)樗荒蜎_擊的材質(zhì)特性受不了活塞環(huán)磨擦沖刷在微觀上的沖擊產(chǎn)生破損？是不是陶瓷缸體需要配置另類特別設(shè)計(jì)的活塞環(huán)才行？這些都是今后需要研究的課題。6.4 潤滑性雖然過去有陶瓷材料潤滑性較好的說法，但是其真實(shí)性有待考量。因?yàn)樘沾墒且环N粉末燒結(jié)出的材料，其原材料類似可以做磨刀油石的鋼玉細(xì)沙泥，除非其材質(zhì)細(xì)膩到某種程度，或是有表面涂層和加工到一定的表面粗糙度。否則氣缸內(nèi)壁在工作時與活塞環(huán)高速摩擦，勢

39、必會降低工作效率甚至?xí)p壞活塞。* Z8 - g# d0 t3 U- L通常機(jī)械運(yùn)動件在金屬與金屬的配合中，接觸面除了尺寸和光潔度外，材質(zhì)和潤滑油都有講究。一般接觸面小的那一端容易磨損，多用比較光滑堅(jiān)硬的材質(zhì)；接觸面大的那一面多用硬度略微低一點(diǎn)的材料，最好還是具有自行磨光潤滑的材料，免得過早將小面積的那端磨損。4 |0 t  y( M' a6 Z' 1 _4 R按上述常規(guī)理論，在發(fā)動機(jī)的氣缸與活塞的設(shè)計(jì)上，活塞環(huán)就是一個最容易受到加倍磨損的嚴(yán)重薄弱環(huán)節(jié)。在一般的金屬氣缸里，一個缸體在其使用壽命期間，可以用到兩個活塞和四套活塞環(huán)；如果陶瓷氣缸的材質(zhì)太硬或是缺少

40、自行光潔能力，活塞環(huán)的壽命勢必會大大降低。還有一個問題就是陶瓷材料導(dǎo)熱率很低，也就是絕熱性能很好，做氣缸有嚴(yán)重的缸壁溫度過高問題，除了要小心殘余熱點(diǎn)誘發(fā)油汽早燃外，最傷腦筋的是需要特別耐高溫的潤滑油！一般用在金屬氣缸中的潤滑油在此已經(jīng)不行。所以陶瓷氣缸還存在一個問題就是高溫潤滑油的使用。- ! b  I: o6 7 T. ?' 6.5 耐用性 9 P  m2 I  ) ) f2 e氮化硅陶瓷強(qiáng)度可以一直維持到1200不下降，但是一但工作溫度超過1200，材料的力學(xué)性能便會急劇下降，而發(fā)動機(jī)氣缸工作溫度最高可以達(dá)到1800-22

41、00，在這種情況下陶瓷發(fā)動機(jī)氣缸的壽命會急劇下降。6.6 散熱性: J+ o5 h' B; / o9 A% i% E# Y即使是用耐高溫和低導(dǎo)熱率的材料來做氣缸和燃燒室系統(tǒng)，也要考慮到適當(dāng)?shù)纳釂栴}，要不然燃燒室的溫度越來越高，進(jìn)入氣缸的油汽不等火花塞點(diǎn)火就會在燃燒室內(nèi)受熱被過早引燃。陶瓷材料的導(dǎo)熱率較低，這時對內(nèi)部熱量的輸出散發(fā)又有點(diǎn)問題了。如果從發(fā)動機(jī)的需要來講，燃燒室系統(tǒng)倒不必全部都用象陶瓷這樣缺少韌性的材料，只要缸體、缸蓋、活塞等幾個接觸燃燒高溫的零部件在表面上有點(diǎn)陶瓷那樣的抗熱隔熱特性就行，因此最好的做法應(yīng)該是在高溫接觸表面使用氮化硅陶瓷涂層。9 m2 J5 w1 v  k1 e8 D6 z:   o& _$ a0 p& m6.7 協(xié)調(diào)性- n& t3 h% M  K9 T1 d& k# |. O有了上述的這么些問題后，陶瓷氣缸的實(shí)際應(yīng)用就不是一件簡單的事，要講究與