影响铝合金缸体与铸铁缸套结合性能因素的分析

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1、影响铝合金缸体与铸铁缸套结合性能因素的分析张翼，王宏远，魏柳林，张炳荣（奇瑞汽车股份有限公司，安徽省芜湖市241009）摘要：为了解决发动机铝合金缸体和铸铁缸套的结合问题，需要制定出能全面正确反应界面结合程度的评价方法用以控制产品质量。本文研究了不同铸造工艺下缸套的结合情况，并对结合间隙进行了对比、分析。结果表明：压力铸造下缸套的结合质量明显优于重力铸造，凝固压力是影响结合程度的主要因素；重力铸造时铝液和铸铁的润湿性能影响结合，润湿性能好能够改善结合效果；铸造工艺的控制、缸套的外壁形状对结合性能有直接影响。关键词：

2、缸套；结合间隙；压力铸造；重力铸造1前言轻量化是现在汽车工业一直追求的目标，因此铝合金材料的日益广泛应用已经成为一种趋势。目前，铝合金已成为汽车工业第三大最常用材料，仅次于钢和铸铁。铝合金具有良好的力学性能，高比刚度、比强度和优异的铸造性能；铝合金的密度低，仅为铁的1/3；具有很好的散热能力，其热传导率为123～170W/（m·K），是铁的4倍；具有良好的耐腐蚀性能和切削加工性能。铝合金缸体是发动机轻量化措施的重要目标，此举一方面实现节能降耗，另一方面还能够提高功率输出。但是缸体的全铝化会产生一系列问题，缸壁和活塞

3、环之间的摩擦系数非常大[1-3]；铝合金的耐磨损、耐高温性能差。目前，国内外铝合金发动机普遍采用内置铸铁缸套来满足发动机气缸恶劣的工作环境的要求：耐高温、高压、腐蚀、磨损、震动、疲劳、抗变形等方面。内置缸套虽满足了上述要求，但具体铸造工艺过程如压力、温度、冷却系统的布置、补缩通道的设计、缸套材料以及外壁形状等因素都将会影响铝合金缸体和铸铁缸套的结合情况，从而影响发动机的冷却、油耗、排放等综合性能。为此，研究影响缸套结合性能的因素以及正确全面评价结合程度，对于提高发动机缸体质量将具有积极的意义。2实验材料与方法选用4

4、缸直列机型缸体为试验载体，成型工艺分别为高压和重力铸造。缸体材料为AlSi6Cu4，缸套材料为HT250。水泵所在端为缸体前端面，从前往后依次定义各气缸为1#，2#，3#，4#缸。因为本次实验所用缸体的活塞行程都位于水套高度内，所以气缸热源区域集中于水套处。此处的结合质量对整个气缸散热影响非常大，所以实验选取距离火力面20mm、45mm、70mm三处截面为分析面，并依次定义为1、2、3号面。间隙的测量点选在各截面缸体和缸套的结合处，每隔45度选取一个测量点，每个截面共8个点，如图1所示。图1试样解剖面和测量点位置3

5、实验结果与讨论3.1压力对缸套结合性能的影响3.1.1两种铸造方式下的间隙比较图2显示的是压铸和重力铸造工艺下的缸套结合处金相照片，图3为实验中测得的两种工艺下各缸结合间隙值的对比图，结果表明压铸下缸套的结合质量明显优于重力铸造。a压力铸造b重力铸造图2压力、重力铸造下的金相照片压力铸造时，熔融的铝液在压力作用下高速充入型腔，整个过程充填充分，并且在很短的时间内凝固成型，整个凝固过程中所承受的压强高达几十兆帕。因为高压的存在，可以在很大程度上减小凝固收缩的影响提高铝液和缸套的结合。相对于压铸，重力铸造工艺无外在压力

6、补给，凝固时压力仅来自于铝液自身的重力势能，所以结合效果要差很多。如图3所示，重力铸造下缸体与缸套的结合间隙是压力铸造间隙的十几倍。结合间隙值μm图3压力、重力铸造下的结合间隙值对比3.1.2重力铸造间隙值比较图4所示重力铸造工艺下的4个缸各截面的间隙值比较，除个别情况外，间隙值的整体规律是：4个缸从1号面往3号面的间隙均是逐渐增大。贴合间隙μm图4重力铸造各截面结合间隙值对比铸造模拟的结果有助于解释这个现象，对重力铸造的过程进行模拟，铸液中压力的分布情况如图5所示，模拟结果与实验结果相吻合。此浇注系统在实现顺

7、序凝固的前提下，位于铸型最下端的1号面所受压力最大，同时又最靠近底模处，散热速度快，促使该处的结合面以更快的速度冷却凝固，因此结合性能最好。从1号面到3号面压力是逐渐减小的，所以结合间隙有所增大。123图5重力铸造模拟的铸液压力3.2铸造工艺控制对结合性能的影响3.2.1重力铸造工艺与缸套结合的关系在重力铸造过程中，随着铝液温度的下降其粘度会随之增大，使得填充缸套外壁缝隙的能力减弱。对工艺中影响到铸液温度的因素进行分析如下：（1）缸套预热温度。若缸套预热温度偏低，那么充型时铝液温度就会发生瞬间大幅度的下降，粘度陡增

8、从而严重降低充填能力。如果一味升高缸套预热温度来提高铝液的充型能力，预热温度过高会使缸套组织发生转变，基体组织由珠光体转变为铁素体，强度、硬度会有所降低从而影响到缸套的性能[4]。（2）充型平稳性。对重力铸造充型过程进行模拟如图6所示，可以看到，铸液填充4个气缸型腔的过程并不是一致的，铸液先到达3、4缸而后再充入2、1缸，在充型过程中铸液的温度在散失，所以在