提高小型发动机气缸组件质量的探究

莫持标

（江门职业技术学院，广东江门 529090）

1 概述

气缸组件包括气缸体和气缸盖。气缸组件是小型发动机的主要零部件之一，对整机的性能影响很大。常用小型发动机气缸体是双金属镶铸件，含铸铁缸套和带散热片的铝合金Y112 外壳。原生产工艺上，要求对此种气缸体进行淬火和完全人工时效处理，实践表明，淬火和完全人工时效处理使气缸体表面严重起泡，缸套脱离，产生严重质量问题。因此，Y112铝合金气缸体作为一般压铸件不宜采用淬火和完全人工时效的热处理，即T6热处理[1]。

南方某汽油机厂在生产初期，小型发动机气缸盖低压铸件质量不理想，铸件不合格率曾一度超过40%，后经过多方研究和改进，使该铸件不合格率大幅降到10%以下。气缸盖所用材料为铝合金ZL104。铸件带有厚2 mm，高40～50 mm的散热片，而气缸盖壁厚度只有5～10 mm。影响气缸盖铸件质量的主要因素是铸造工艺和铸型排气条件，低压铸造出现的缺陷主要是夹气和夹渣等。合理设计铸型工艺是低压铸造获得优质铸件的必要条件。铸型工艺涉及的因素较多，主要有铸型材料如型砂、金属模型材料、浇注系统的结构、浇注位置与铸件结晶的确定、铸型排气通道的布置、铸型开与合情况、冷却条件的控制等。生产表明，气缸盖压力铸造（高压）能有效提高气缸盖铸造质量。

2 Y112铝合金压铸气缸体热处理试验

Y112 铝合金是我国编制的一种压铸铝合金。Y112是代号，牌号为YZAlSi9Cu4，成份如下：

名称Y112（代号）YZAlSi9Cu4 Si（%）7.5～9.5 Cu（%）3.0～4.0 Mg（%）0.1～0.3 Al（%）余量

小型发动机气缸体一般采用双金属镶铸件，外层金属为带散热片的铝合金，内层材料为硼钛或高磷铸铁的耐磨缸套[2]。

2.1 试验过程

以170F柴油机与本田CG125摩托车气缸体作为试验对象。170F柴油机气缸体与原装日本本田摩托车CG125 气缸体均为铝合金包铸铁双金属镶铸件。将170F整体气缸体和解剖开的本田摩托车CG125 半边气缸体装入炉，另外半边气缸体放在炉外。为了使铜达到固溶强化，需要把试验对象放在炉内加热至515 ℃～525 ℃，并在炉内保温较长时间后才能淬火。具体试验情况如下。

将试验对象放入炉中，控制炉内的温度：每小时升温约100 ℃，在515 ℃±5 ℃范围保温2 小时，取出试验对象观察并淬入温水中。

170F柴油机气缸体：铝合金表面起泡，缸套离层。

CG125 本田摩托车气缸体：铝合金表面起泡，入炉的半边气缸体比不入炉的半边增高大约2.5 mm。

2.2 试验情况分析

（1）对不采取特殊压铸工艺如真空压铸、充氧压铸、挤压铸等的一般压铸件，因为压射的铝合金液体在高压高速下充型，型腔内原有的气体在极短的时间内不能及时排出，被金属压缩包容在铸件内，就在工件内形成小气孔。这些小气孔在高温作用下就必然膨胀，导致气泡产生，铸件表面出现不平整或变形，直接影响铸件质量[3]。

170F柴油机气缸和本田CG125摩托车气缸在热处理T6淬火温度下产生气泡，表明一般压铸件不能采用T6 热处理。试验时候只保温了两小时，如果在生产中正式进行T6热处理，保温时间要超过两小时，工件将会出现更大的问题。

（2）因不同材料的热膨胀系数不同，T6热处理引起嵌镶压铸件尺寸变化，缸套脱离，产生严重质量问题；同时，经检测，本田CG125 摩托车气缸体属一般压铸件，并没有经过热处理而使用。两方面充分说明，采用一般压铸件生产的气缸体不能进行T6热处理。

（3）铝合金经过T6 热处理，性能可得到改善，能获得最大限度的硬度和强度。但对摩托车气缸体来说，铸铁缸套的耐磨性和铝合金外壳的散热性是主要的。所选择的铝合金在热处理前已具备较好的强度、硬度（其抗拉强度σb=2.4 MPa，硬度为HB85，延伸率δ=1%），其性能已满足使用要求，若再用T6热处理工艺进一步强化其强度和硬度，就显然没有必要。

（4）对摩托车铝合金气缸体进行T6 热处理，需时多耗电大，增加成本，影响效率，经济上显然也不合算。

3 气缸盖低压铸件的主要缺陷及改进

（1）气孔。铸件内部存在的气体所形成的孔洞。经统计分析，南方某汽油机厂气缸盖低压铸件上的气孔或夹气约占铸件总缺陷的40%。影响气孔或夹气主要是铸型的排气条件和浇注充型速度。气孔或夹气的形成往往在气缸盖叶片的“死角”处、顶部或通道旁。

要避免出现气孔或夹气，采取以下措施：①要控制金属液流速不能过快，同时要增设溢流槽和排气道；②气孔的产生还在于型芯炽透程度低，含水气量大，低压铸造用的模具在喷刷涂料时要预先加热到150 ℃～250 ℃，降低含水量，为了发挥模具或型芯表面涂料原有的气泡“蓄气库”作用，减少铸件产生气孔的可能性，模具涂料层厚度一般要控制在0.1～0.3 mm范围内，涂料过多或涂料中的稀释剂没有彻底挥发就合模浇注，也容易产生气孔；③对合金液充分排气，控制熔化温度和浇注温度；④开模过早也是形成这一缺陷的原因之一，故要注意不能开模过早。

（2）夹渣及氧化皮。此类缺陷约占铸件缺陷的20%。气缸盖低压铸件断面上有不规则的明孔或暗孔，孔内常被熔渣充塞，此类缺陷称为夹渣。氧化皮在低压铸件内部有不规则的点或小块，外形呈薄片、皱皮或团絮状。低压铸件夹渣和氧化皮主要是金属液含有杂物和氧化所致。

改进的主要措施：①使用洁净的合金材料，控制回炉料比例；②进行精炼除气，将合金液中的熔渣清除干净；③浇勺取液浇注时，应尽量避免混入熔渣或氧化皮；④适当降低保温温度和减少保温时间。

（3）缩孔和缩松。铸件内部收缩形成的孔洞，形状和分布不规则，大而集中的孔称为缩孔，小而分散的称为缩松。铸件壁厚变化大，冷却条件较差，补缩困难，容易出现内、外缩孔和缩松，约占铸件缺陷10%。缩孔和缩松通常在探伤或机械加工时才能被发现。产生缩孔和缩松的主要原因是浇注温度过低或金属液在铸型中顺序凝固条件较差；其次受合金液成份、铸型涂料厚度、冷却速度和铸型结构的影响。

改进的措施：①合金液冷凝过程未得到补缩而形成的缩孔，如因浇注温度不适宜（如温度过高），应保证合适的浇注温度，同时使模具保持适宜的工作温度，减少铸件收缩量；②如因铸件结构有热节，壁厚不均匀，则应改进设计，消除或减少热节；③如因浇注压力低，应提高压力，以利补缩；④如因溢流槽容量不足，溢口过薄，则应增加溢流槽容量，增厚溢口。

（4）浇不足。金属液未充满型腔，铸件表面有不规则的孔洞、凹陷、棱角不齐、轮廓不清或铸件形状不完整。此类缺陷约占铸件缺陷的20%。浇不足的主要原因是合金液流动性不良、金属液过早凝固、型腔困气使金属液充填受阻，造成充型不完全。

改进的措施：①提高浇注温度、模具工作温度，强化金属液的流动性和充型能力；②改善充型条件，在浇不足部位加设溢流槽或排气槽，在深凹型腔处可设通气塞，转角处取圆弧过渡；③修改浇注系统，改变充型模式，改善型腔排气。如内浇口截面太小，则应适当增大。

4 结论

（1）用于小型发动机气缸体压铸的Y112铝合合金含有铜、镁等元素，特别是铜含量较高，其三元化合物Al2CuMg 强化相的结构比较复杂，引起周围晶格变形比较大，强化效果也较大，能较好地形成合金中的时效强化相；经T6热处理可取得第二强化相，可获得最大限度的硬度和强度，但同时会导致其他严重质量问题。经试验和分析得出：对小型发动机气缸体一般压铸件，不进行T6热处理。

（2）小型发动机气缸盖低压铸件缺陷产生的原因是错综复杂的，有时同样的原因可能会产生不同的铸造缺陷；有时不同的原因可能导致相同的铸造缺陷。因此，要对铸件缺陷的成因作具体的分析，才能找出真正的原因，采取有效的改进措施益，保证铸件的质量。要获得优良的铸件，必须要有正确的铸造工艺。需要指出，小型发动机气缸盖的铸造，可采用压力铸造。采用压力铸造气缸盖容易获得组织致密、轮廓清晰的铸件，其表面质量和尺寸精度总体高于低压铸造的铸件。

［1］施廷藻，玉玉玮.铸造实用手册：第1 版［M］.沈阳：东北工学院出版社，1988.

［2］林本钊.对摩托车用汽缸压铸件要求T6热处理的探讨［J］.五邑大学学报：自然科学版，1998（2）：63-65.

［3］卢宏远，董显明，王峰.压铸技术与生产［M］.北京：机械工业出版社，2008.