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 林雪冬．  何弢  盧建波  葉京川

（1．重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院；2．重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處）

摘要  采用離心鑄造工藝制備了初生Si／Mg2 Si顆粒增強(qiáng)Al-Si- Mg復(fù)合材料汽缸套，研究了鋁合金缸套-缸體的低壓鑄造成形工藝。以臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，定量計(jì)算了鋁缸套-缸體的導(dǎo)熱性能。結(jié)果表明，通過(guò)控制鋁合金缸套的預(yù)熱溫度'調(diào)整鋁液充型壓力并裝填耐火棉能夠解決低壓鑄造成形中的跑火問(wèn)題，保證充型完整。相比鑄鐵缸套缸體，鋁合金缸套

具有更佳的導(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱能力至少為鑄鐵缸套的2倍。

關(guān)鍵詞  鋁合金缸套-缸體；低壓鑄造；導(dǎo)熱性能

 為進(jìn)一步達(dá)到環(huán)保節(jié)能的目標(biāo)，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、活塞大多已采用鋁合金。然而，現(xiàn)行的絕大部分摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、通用機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)和小排量汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套-缸體依然采用鑄鐵缸套與鋁合金缸體鑲鑄。由于鑄鐵缸套低壓鑄造效果欠佳，因此開(kāi)展了全鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸套-缸體的制備技術(shù)研究。

 在前期的研究中，采用離心鑄造工藝成功制備了初生Si/Mg。Si顆粒增強(qiáng)Al-Si-Mg合金鑄件，獲得了硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)鑄件內(nèi)壁的鋁合金缸套，探討了該種合金缸套的微觀組織及力學(xué)性能。本課題在Al-Si-Mg缸套的研制基礎(chǔ)上，研究了鋁合金缸套-缸體的低壓鑄造成形工藝，并在臺(tái)架試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)導(dǎo)熱模型，推算出全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)汽缸的內(nèi)表面溫度，驗(yàn)證了鋁合金缸套-缸體在導(dǎo)熱方面的優(yōu)越性，為實(shí)現(xiàn)全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)缸套-缸體的推廣應(yīng)用提供參考。

1  試驗(yàn)方法

1.1  缸套及模具結(jié)構(gòu)

圖1為600 mL單缸水冷發(fā)動(dòng)機(jī)缸套及鑄造模具結(jié)構(gòu)圖。

1.2試驗(yàn)材料及毛坯的離心鑄造

 試驗(yàn)以工業(yè)純Al、純Si、純Mg及Al-18Si-l. 2Mg合金為原料，在井式電阻爐中加熱熔煉配制Al-23S1-7Mg合金漿料。毛坯離心鑄造工藝：澆注溫度為710～760℃，模具溫度為150～200。C，離心轉(zhuǎn)速為3 000～3 500 r／min。

1.3鋁合金缸套-缸體低壓鑄造

 600 mL水冷發(fā)動(dòng)機(jī)缸套，與鋁合金缸體的鑲鑄采用低壓鑄造工藝。缸套-缸體材料為ZL113Y鋁合金，采用立式低壓鑄造機(jī)。低壓鑄造時(shí)，熔體（鋁液）獲得的充型壓力相對(duì)較小，為了保證充型完整，需要延長(zhǎng)熔體的凝固時(shí)間，使其充滿型腔。預(yù)熱低壓鑄造模具，并盡量提高缸套的預(yù)熱溫度，延緩熔體的凝固時(shí)間。將5kW的電阻絲插入鋁合金缸套的缸孔中對(duì)其預(yù)熱，缸套外壁包裹耐火棉隔熱，預(yù)熱溫度為250～300。C。模具預(yù)熱溫度為350～400℃。

低壓鑄造過(guò)程中熔體壓力隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖2。

 其中，AB段為進(jìn)水加壓，此時(shí)熔體在持續(xù)加大的壓力下被送至澆口處；BC段為充型過(guò)程；CD段為加壓過(guò)程，此階段壓力被加大至設(shè)定最大值0. 05 MPa; DE段為保壓段，在最大壓力條件下保持較長(zhǎng)時(shí)間，以保證充型完整；最后是EF降壓階段，此時(shí)，鑄件已成形，卸壓取件。鋁液澆注溫度為695℃。

2  結(jié)果與討論

2.1  鋁合金缸套加工

 鋁合金缸套的微觀組織主要有初生Si相、初生Mg2 Si相、共晶Si、共晶Mg2 Si以及基體a相。其中，在鑄件內(nèi)層的初生顆粒增強(qiáng)區(qū)域，初生Si、Mg。Si顆粒的體積分?jǐn)?shù)可達(dá)30%。

鋁合金缸套經(jīng)熱處理后，端部車(chē)削量控制在5 mm以內(nèi)。在表面車(chē)削時(shí)，應(yīng)保持較大的進(jìn)刀量，并適當(dāng)降低機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速，盡可能使外表面粗糙，并車(chē)削螺旋槽（見(jiàn)圖3），設(shè)計(jì)槽深為1～2 mm，槽距為3～5 mm。

 缸套在低壓鑄造前均要進(jìn)行預(yù)熱前處理。由于鋁合金的熔點(diǎn)比鑄鐵低，其預(yù)熱溫度一般不超過(guò)300℃。Al-Si-Mg合金的線膨脹系數(shù)為20. 48×10-6/℃(20～300℃)，而鑄鐵的線膨脹系數(shù)一般為(8.5～11.6)×10-6/℃(20～300℃)，二者相差較大，鋁缸套受熱更易膨脹。因此，在車(chē)削鋁合金缸套內(nèi)孔時(shí)，其尺寸偏差范圍一般取公差下偏差，使得鋁合金缸套的內(nèi)孔尺寸在總體上相比于鑄鐵偏小。

2.2缸套-缸體的低壓鑄造

圖4為鋁合金缸套-缸體低壓鑄造后的成形效果圖。可以看出，缸套內(nèi)孔中充滿了鋁合金，說(shuō)明低壓鑄造過(guò)程中出現(xiàn)了跑火，鋁液在缸套的兩端分別凝固，堵塞了缸孔。跑火原因是鋁合金的強(qiáng)度及剛度不夠。在圖4a中可以看到部分冒口，將冒口所在端視為缸體下部。從低壓鑄造模具的設(shè)計(jì)上可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)模、定模合模時(shí)，缸套被定位。同時(shí)，缸套上、下兩個(gè)端面位置也將分別緊貼動(dòng)模、定模模具內(nèi)腔表面，在“動(dòng)模一缸套一定模”間形成封閉空間，以避免鋁液進(jìn)入。當(dāng)缸套為鑄鐵材質(zhì)時(shí)，經(jīng)預(yù)熱后，鑄鐵缸套仍具有良好的剛度，與動(dòng)模、定模形成良好的封閉效果，并經(jīng)受住低壓鑄造過(guò)程中鋁液較大的壓力滲透；而當(dāng)缸套變成鋁質(zhì)后，由于其本身強(qiáng)度、剛度相對(duì)較差，且經(jīng)預(yù)熱后力學(xué)性能進(jìn)一步降低，以至于在鋁合金缸套與低壓鑄造模具之間無(wú)法形成良好的密封環(huán)境，導(dǎo)致低壓鑄造過(guò)程中鋁液由缸體下部滲入到缸套內(nèi)部（見(jiàn)圖4a），并未完全填充整個(gè)缸孔(見(jiàn)圖4b)。另外，鋁合金缸套在低壓鑄造時(shí)，鋁液應(yīng)由缸體下部向缸體上部充型，并最終將缸套頂端完全包裹。顯然，在圖4b中，缸套的頂端未能被鋁液完全包裹。分析認(rèn)為，鋁合金缸套較低的預(yù)熱溫度導(dǎo)致其在低壓鑄造時(shí)吸收了較多的熔體（鋁液）熱量，降低了鋁液的流動(dòng)性及充型能力。由于鋁合金材質(zhì)耐熱性較差，其預(yù)熱溫度有限，因此，要提高鋁液的充型能力，應(yīng)適當(dāng)提高低壓鑄造機(jī)的工作壓力。通過(guò)多次工藝參數(shù)調(diào)整，最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)充型壓力設(shè)定至0. 065 MPa時(shí)，鋁液能夠完全充型。

圖5是改進(jìn)工藝后鋁合金缸套-缸體低壓鑄造成形過(guò)程。為了解決跑火問(wèn)題，同時(shí)兼顧鋁合金缸套較高的預(yù)熱溫度（會(huì)降低缸套的強(qiáng)度），在缸套缸孔中裝填了耐火棉并預(yù)熱。從圖5可以看出，低壓鑄造后缸孔內(nèi)壁上仍然粘連有少許鋁渣，但這并不影響缸體后續(xù)的加工。

圖6是低壓鑄造鋁合金缸套-缸體的剖面圖。其中，圖6a是缸套預(yù)熱溫度較低時(shí)(<150℃)，進(jìn)行低壓鑄造成形后鑄件的剖面，即缸套-缸體間的界面結(jié)合宏觀效果圖�？梢钥吹�，鋁合金缸套與缸體之間的結(jié)合面有結(jié)合痕跡；而將缸套的預(yù)熱溫度提高到250。C后，按照同樣的工藝參數(shù)再次進(jìn)行低壓鑄造，缸套與缸體之間實(shí)現(xiàn)了較為理想的結(jié)合，見(jiàn)圖6b。

2.3  缸套-缸體導(dǎo)熱性能的定量計(jì)算

 與鑄鐵缸套相比，鋁合金缸套導(dǎo)熱性能要好，鑄鐵缸套的導(dǎo)熱系數(shù)為55 W/(m．K)，低壓鑄造鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)為177 W／(m．K)，是鑄鐵缸套導(dǎo)熱系數(shù)的3倍。較高的導(dǎo)熱系數(shù)有利于缸體的整體散熱。

 低壓鑄造成形后的全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)缸體在重慶嘉陵發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中心進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，安裝鋁合金缸套的發(fā)動(dòng)機(jī)在其工作趨于平穩(wěn)狀態(tài)后，其溫度比原來(lái)的鑄鐵缸套發(fā)動(dòng)機(jī)低12～16℃。根據(jù)這一結(jié)果，對(duì)兩種材料缸套的導(dǎo)熱性能進(jìn)行了計(jì)算。

運(yùn)用串聯(lián)熱阻疊加的原則，則可得到通過(guò)兩層圓筒壁的熱流量公式為：

式中，Z為圓筒壁的高度；t1為圓筒內(nèi)壁溫度；t3為圓筒外壁溫度；Ai、A2分別為內(nèi)外兩層材料的導(dǎo)熱系數(shù)；d1、d2、d3分別為圓筒內(nèi)孔（內(nèi)圓）直徑，兩層材料結(jié)合面處所在圓直徑及圓筒外圓直徑。將缸套-缸體低壓鑄造組合體看作兩層圓筒壁，測(cè)量缸套經(jīng)低壓鑄造后的組合體的厚度約為18 mm，而600 mL發(fā)動(dòng)機(jī)缸套內(nèi)徑為86mm，外徑為101 mm，則：d1=86 mm，d2=101  mm,d3=122 mm。設(shè)穩(wěn)態(tài)下兩種材料缸套發(fā)動(dòng)機(jī)均為最大輸出功率，燃燒室內(nèi)瞬間無(wú)熱量損失，即鋁合金缸套與鑄鐵缸套內(nèi)壁溫度均為x℃，鋁合金缸套組合體外壁溫度為y℃。依據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，則取鑄鐵缸套組合體外壁溫度為(y+12)℃，即：t1=z℃，t3=y oC，t’3=(v+12)℃。對(duì)于低壓鑄造鋁合金缸套，其導(dǎo)熱系數(shù)A，=170 W/(m．℃)，A2 =177 W／(m．℃)；對(duì)于低壓鑄造鑄鐵缸套，其導(dǎo)熱系數(shù)A 7．=55 W／(m．。C)，A/2一177 W／(m．℃)。代入式(1)，則得鋁合金缸套的熱流量Q鋁和鑄鐵缸套的熱流量Q鐵：

則有：

即鋁合金缸套的導(dǎo)熱性能至少為鑄鐵缸套的2倍。

3  結(jié)語(yǔ)

 (1)采用離心鑄造工藝制備了初生Si/Mg2 Si顆粒增強(qiáng)Al- Si-Mg復(fù)合材料汽缸套，并對(duì)鋁合金缸套-缸體進(jìn)行了低壓鑄造成形。

 (2)將鋁合金缸套的預(yù)熱溫度控制在250～300℃，充型壓力達(dá)到0. 065 MPa，并在缸套腔體中裝填耐火棉，低壓鑄造后鋁液能夠完全充型并能解決成形中的跑火問(wèn)題，鋁合金缸套-缸體間呈現(xiàn)良好的界面結(jié)合。

 (3)相比鑄鐵缸套-缸體，鋁合金缸套具有更好的導(dǎo)熱性能。由多層圓筒壁的導(dǎo)熱模型計(jì)算出鋁合金缸套的導(dǎo)熱性能至少為鑄鐵缸套的2倍。