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1、影響鋁合金缸體與鑄鐵缸套結合性能因素的分析張翼，王宏遠，魏柳林，張炳榮（奇瑞汽車股份有限公司，安徽省蕪湖市241009）摘要：為了解決發(fā)動機鋁合金缸體和鑄鐵缸套的結合問題，需要制定出能全面正確反應界面結合程度的評價方法用以控制產(chǎn)品質(zhì)量。本文研究了不同鑄造工藝下缸套的結合情況，并對結合間隙進行了對比、分析。結果表明：壓力鑄造下缸套的結合質(zhì)量明顯優(yōu)于重力鑄造，凝固壓力是影響結合程度的主要因素；重力鑄造時鋁液和鑄鐵的潤濕性能影響結合，潤濕性能好能夠改善結合效果；鑄造工藝的控制、缸套的外壁形狀對結合性能有直接影響。關鍵詞：
2、缸套；結合間隙；壓力鑄造；重力鑄造1前言輕量化是現(xiàn)在汽車工業(yè)一直追求的目標，因此鋁合金材料的日益廣泛應用已經(jīng)成為一種趨勢。目前，鋁合金已成為汽車工業(yè)第三大最常用材料，僅次于鋼和鑄鐵。鋁合金具有良好的力學性能，高比剛度、比強度和優(yōu)異的鑄造性能；鋁合金的密度低，僅為鐵的1/3；具有很好的散熱能力，其熱傳導率為123～170W/（m·K），是鐵的4倍；具有良好的耐腐蝕性能和切削加工性能。鋁合金缸體是發(fā)動機輕量化措施的重要目標，此舉一方面實現(xiàn)節(jié)能降耗，另一方面還能夠提高功率輸出。但是缸體的全鋁化會產(chǎn)生一系列問題，缸壁和活塞
3、環(huán)之間的摩擦系數(shù)非常大[1-3]；鋁合金的耐磨損、耐高溫性能差。目前，國內(nèi)外鋁合金發(fā)動機普遍采用內(nèi)置鑄鐵缸套來滿足發(fā)動機氣缸惡劣的工作環(huán)境的要求：耐高溫、高壓、腐蝕、磨損、震動、疲勞、抗變形等方面。內(nèi)置缸套雖滿足了上述要求，但具體鑄造工藝過程如壓力、溫度、冷卻系統(tǒng)的布置、補縮通道的設計、缸套材料以及外壁形狀等因素都將會影響鋁合金缸體和鑄鐵缸套的結合情況，從而影響發(fā)動機的冷卻、油耗、排放等綜合性能。為此，研究影響缸套結合性能的因素以及正確全面評價結合程度，對于提高發(fā)動機缸體質(zhì)量將具有積極的意義。2實驗材料與方法選用4
4、缸直列機型缸體為試驗載體，成型工藝分別為高壓和重力鑄造。缸體材料為AlSi6Cu4，缸套材料為HT250。水泵所在端為缸體前端面，從前往后依次定義各氣缸為1#，2#，3#，4#缸。因為本次實驗所用缸體的活塞行程都位于水套高度內(nèi)，所以氣缸熱源區(qū)域集中于水套處。此處的結合質(zhì)量對整個氣缸散熱影響非常大，所以實驗選取距離火力面20mm、45mm、70mm三處截面為分析面，并依次定義為1、2、3號面。間隙的測量點選在各截面缸體和缸套的結合處，每隔45度選取一個測量點，每個截面共8個點，如圖1所示。圖1試樣解剖面和測量點位置3
5、實驗結果與討論3.1壓力對缸套結合性能的影響3.1.1兩種鑄造方式下的間隙比較圖2顯示的是壓鑄和重力鑄造工藝下的缸套結合處金相照片，圖3為實驗中測得的兩種工藝下各缸結合間隙值的對比圖，結果表明壓鑄下缸套的結合質(zhì)量明顯優(yōu)于重力鑄造。a壓力鑄造b重力鑄造圖2壓力、重力鑄造下的金相照片壓力鑄造時，熔融的鋁液在壓力作用下高速充入型腔，整個過程充填充分，并且在很短的時間內(nèi)凝固成型，整個凝固過程中所承受的壓強高達幾十兆帕。因為高壓的存在，可以在很大程度上減小凝固收縮的影響提高鋁液和缸套的結合。相對于壓鑄，重力鑄造工藝無外在壓力
6、補給，凝固時壓力僅來自于鋁液自身的重力勢能，所以結合效果要差很多。如圖3所示，重力鑄造下缸體與缸套的結合間隙是壓力鑄造間隙的十幾倍。結合間隙值μm圖3壓力、重力鑄造下的結合間隙值對比3.1.2重力鑄造間隙值比較圖4所示重力鑄造工藝下的4個缸各截面的間隙值比較，除個別情況外，間隙值的整體規(guī)律是：4個缸從1號面往3號面的間隙均是逐漸增大。貼合間隙μm圖4重力鑄造各截面結合間隙值對比鑄造模擬的結果有助于解釋這個現(xiàn)象，對重力鑄造的過程進行模擬，鑄液中壓力的分布情況如圖5所示，模擬結果與實驗結果相吻合。此澆注系統(tǒng)在實現(xiàn)順
7、序凝固的前提下，位于鑄型最下端的1號面所受壓力最大，同時又最靠近底模處，散熱速度快，促使該處的結合面以更快的速度冷卻凝固，因此結合性能最好。從1號面到3號面壓力是逐漸減小的，所以結合間隙有所增大。123圖5重力鑄造模擬的鑄液壓力3.2鑄造工藝控制對結合性能的影響3.2.1重力鑄造工藝與缸套結合的關系在重力鑄造過程中，隨著鋁液溫度的下降其粘度會隨之增大，使得填充缸套外壁縫隙的能力減弱。對工藝中影響到鑄液溫度的因素進行分析如下：（1）缸套預熱溫度。若缸套預熱溫度偏低，那么充型時鋁液溫度就會發(fā)生瞬間大幅度的下降，粘度陡增
8、從而嚴重降低充填能力。如果一味升高缸套預熱溫度來提高鋁液的充型能力，預熱溫度過高會使缸套組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，基體組織由珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，強度、硬度會有所降低從而影響到缸套的性能[4]。（2）充型平穩(wěn)性。對重力鑄造充型過程進行模擬如圖6所示，可以看到，鑄液填充4個氣缸型腔的過程并不是一致的，鑄液先到達3、4缸而后再充入2、1缸，在充型過程中鑄液的溫度在散失，所以在
