林雪冬． 何弢 卢建波 叶京川
（1．重庆工程职业技术学院机械工程学院；2．重庆工程职业技术学院教务处）
摘要 采用离心铸造工艺制备了初生Si／Mg2 Si颗粒增强Al-Si- Mg复合材料汽缸套，研究了铝合金缸套-缸体的低压铸造成形工艺。以台架试验数据为依据，定量计算了铝缸套-缸体的导热性能。结果表明，通过控制铝合金缸套的预热温度'调整铝液充型压力并装填耐火棉能够解决低压铸造成形中的跑火问题，保证充型完整。相比铸铁缸套缸体，铝合金缸套
具有更佳的导热性能，其导热能力至少为铸铁缸套的2倍。
关键词 铝合金缸套-缸体；低压铸造；导热性能
为进一步达到环保节能的目标，汽车发动机缸体、活塞大多已采用铝合金。然而，现行的绝大部分摩托车发动机、通用机械发动机和小排量汽车发动机缸套-缸体依然采用铸铁缸套与铝合金缸体镶铸。由于铸铁缸套低压铸造效果欠佳，因此开展了全铝合金发动机缸套-缸体的制备技术研究。
在前期的研究中，采用离心铸造工艺成功制备了初生Si/Mg。Si颗粒增强Al-Si-Mg合金铸件，获得了硬质颗粒增强铸件内壁的铝合金缸套，探讨了该种合金缸套的微观组织及力学性能。本课题在Al-Si-Mg缸套的研制基础上，研究了铝合金缸套-缸体的低压铸造成形工艺，并在台架试验获得的数据的基础上，通过导热模型，推算出全铝发动机工作时汽缸的内表面温度，验证了铝合金缸套-缸体在导热方面的优越性，为实现全铝发动机缸套-缸体的推广应用提供参考。
1 试验方法
1.1 缸套及模具结构
图1为600 mL单缸水冷发动机缸套及铸造模具结构图。
1.2试验材料及毛坯的离心铸造
试验以工业纯Al、纯Si、纯Mg及Al-18Si-l. 2Mg合金为原料，在井式电阻炉中加热熔炼配制Al-23S1-7Mg合金浆料。毛坯离心铸造工艺：浇注温度为710～760℃，模具温度为150～200。C，离心转速为3 000～3 500 r／min。
1.3铝合金缸套-缸体低压铸造
600 mL水冷发动机缸套，与铝合金缸体的镶铸采用低压铸造工艺。缸套-缸体材料为ZL113Y铝合金，采用立式低压铸造机。低压铸造时，熔体（铝液）获得的充型压力相对较小，为了保证充型完整，需要延长熔体的凝固时间，使其充满型腔。预热低压铸造模具，并尽量提高缸套的预热温度，延缓熔体的凝固时间。将5kW的电阻丝插入铝合金缸套的缸孔中对其预热，缸套外壁包裹耐火棉隔热，预热温度为250～300。C。模具预热温度为350～400℃。
低压铸造过程中熔体压力随时间的变化见图2。
其中，AB段为进水加压，此时熔体在持续加大的压力下被送至浇口处；BC段为充型过程；CD段为加压过程，此阶段压力被加大至设定最大值0. 05 MPa; DE段为保压段，在最大压力条件下保持较长时间，以保证充型完整；最后是EF降压阶段，此时，铸件已成形，卸压取件。铝液浇注温度为695℃。
2 结果与讨论
2.1 铝合金缸套加工
铝合金缸套的微观组织主要有初生Si相、初生Mg2 Si相、共晶Si、共晶Mg2 Si以及基体a相。其中，在铸件内层的初生颗粒增强区域，初生Si、Mg。Si颗粒的体积分数可达30%。
铝合金缸套经热处理后，端部车削量控制在5 mm以内。在表面车削时，应保持较大的进刀量，并适当降低机床的主轴转速，尽可能使外表面粗糙，并车削螺旋槽（见图3），设计槽深为1～2 mm，槽距为3～5 mm。
缸套在低压铸造前均要进行预热前处理。由于铝合金的熔点比铸铁低，其预热温度一般不超过300℃。Al-Si-Mg合金的线膨胀系数为20. 48×10-6/℃(20～300℃)，而铸铁的线膨胀系数一般为(8.5～11.6)×10-6/℃(20～300℃)，二者相差较大，铝缸套受热更易膨胀。因此，在车削铝合金缸套内孔时，其尺寸偏差范围一般取公差下偏差，使得铝合金缸套的内孔尺寸在总体上相比于铸铁偏小。
2.2缸套-缸体的低压铸造
图4为铝合金缸套-缸体低压铸造后的成形效果图。可以看出，缸套内孔中充满了铝合金，说明低压铸造过程中出现了跑火，铝液在缸套的两端分别凝固，堵塞了缸孔。跑火原因是铝合金的强度及刚度不够。在图4a中可以看到部分冒口，将冒口所在端视为缸体下部。从低压铸造模具的设计上可以发现，当动模、定模合模时，缸套被定位。同时，缸套上、下两个端面位置也将分别紧贴动模、定模模具内腔表面，在“动模一缸套一定模”间形成封闭空间，以避免铝液进入。当缸套为铸铁材质时，经预热后，铸铁缸套仍具有良好的刚度，与动模、定模形成良好的封闭效果，并经受住低压铸造过程中铝液较大的压力渗透；而当缸套变成铝质后，由于其本身强度、刚度相对较差，且经预热后力学性能进一步降低，以至于在铝合金缸套与低压铸造模具之间无法形成良好的密封环境，导致低压铸造过程中铝液由缸体下部渗入到缸套内部（见图4a），并未完全填充整个缸孔(见图4b)。另外，铝合金缸套在低压铸造时，铝液应由缸体下部向缸体上部充型，并最终将缸套顶端完全包裹。显然，在图4b中，缸套的顶端未能被铝液完全包裹。分析认为，铝合金缸套较低的预热温度导致其在低压铸造时吸收了较多的熔体（铝液）热量，降低了铝液的流动性及充型能力。由于铝合金材质耐热性较差，其预热温度有限，因此，要提高铝液的充型能力，应适当提高低压铸造机的工作压力。通过多次工艺参数调整，最终发现当充型压力设定至0. 065 MPa时，铝液能够完全充型。
图5是改进工艺后铝合金缸套-缸体低压铸造成形过程。为了解决跑火问题，同时兼顾铝合金缸套较高的预热温度（会降低缸套的强度），在缸套缸孔中装填了耐火棉并预热。从图5可以看出，低压铸造后缸孔内壁上仍然粘连有少许铝渣，但这并不影响缸体后续的加工。
图6是低压铸造铝合金缸套-缸体的剖面图。其中，图6a是缸套预热温度较低时(<150℃)，进行低压铸造成形后铸件的剖面，即缸套-缸体间的界面结合宏观效果图。可以看到，铝合金缸套与缸体之间的结合面有结合痕迹；而将缸套的预热温度提高到250。C后，按照同样的工艺参数再次进行低压铸造，缸套与缸体之间实现了较为理想的结合，见图6b。
2.3 缸套-缸体导热性能的定量计算
与铸铁缸套相比，铝合金缸套导热性能要好，铸铁缸套的导热系数为55 W/(m．K)，低压铸造铝合金的导热系数为177 W／(m．K)，是铸铁缸套导热系数的3倍。较高的导热系数有利于缸体的整体散热。
低压铸造成形后的全铝发动机缸体在重庆嘉陵发动机研发中心进行了台架试验。根据台架试验的温度监测结果，安装铝合金缸套的发动机在其工作趋于平稳状态后，其温度比原来的铸铁缸套发动机低12～16℃。根据这一结果，对两种材料缸套的导热性能进行了计算。
运用串联热阻叠加的原则，则可得到通过两层圆筒壁的热流量公式为：
式中，Z为圆筒壁的高度；t1为圆筒内壁温度；t3为圆筒外壁温度；Ai、A2分别为内外两层材料的导热系数；d1、d2、d3分别为圆筒内孔（内圆）直径，两层材料结合面处所在圆直径及圆筒外圆直径。将缸套-缸体低压铸造组合体看作两层圆筒壁，测量缸套经低压铸造后的组合体的厚度约为18 mm，而600 mL发动机缸套内径为86mm，外径为101 mm，则：d1=86 mm，d2=101 mm,d3=122 mm。设稳态下两种材料缸套发动机均为最大输出功率，燃烧室内瞬间无热量损失，即铝合金缸套与铸铁缸套内壁温度均为x℃，铝合金缸套组合体外壁温度为y℃。依据台架试验数据，则取铸铁缸套组合体外壁温度为(y+12)℃，即：t1=z℃，t3=y oC，t’3=(v+12)℃。对于低压铸造铝合金缸套，其导热系数A，=170 W/(m．℃)，A2 =177 W／(m．℃)；对于低压铸造铸铁缸套，其导热系数A 7．=55 W／(m．。C)，A/2一177 W／(m．℃)。代入式(1)，则得铝合金缸套的热流量Q铝和铸铁缸套的热流量Q铁：
则有：
即铝合金缸套的导热性能至少为铸铁缸套的2倍。
3 结语
(1)采用离心铸造工艺制备了初生Si/Mg2 Si颗粒增强Al- Si-Mg复合材料汽缸套，并对铝合金缸套-缸体进行了低压铸造成形。
(2)将铝合金缸套的预热温度控制在250～300℃，充型压力达到0. 065 MPa，并在缸套腔体中装填耐火棉，低压铸造后铝液能够完全充型并能解决成形中的跑火问题，铝合金缸套-缸体间呈现良好的界面结合。
(3)相比铸铁缸套-缸体，铝合金缸套具有更好的导热性能。由多层圆筒壁的导热模型计算出铝合金缸套的导热性能至少为铸铁缸套的2倍。
下一篇:返回列表
