离心“蘑菇头”气缸套对石墨形态的试验影响研究*

刘建军 吴 龙 高 浩

(1－三明学院机电工程学院 福建三明 365004 2－三明机械CAD工程研究中心3－福建三明高新技术产业开发区博士后工作站 4－福建汇华集团东南汽车缸套有限公司)

引言

全铝发动机由于散热快、节能减排效果显著，是汽油发动机的发展方向。镶嵌铸铁缸套的全铝发动机，比传统的铸铁发动机重量减少30%，中低速扭矩提高10%，高速端功率提高8%，燃油经济性提高5%。在限定NOx排放量的基础上，HC排放量最大可减少25%;然而铸铝与铸铁热膨胀率不统一，变形一致性出现问题，这是铸铝缸体在铸造工艺上的一个难题［1、2］。

1 技术性能

笔者开发的产品通过在缸套表面形成“蘑菇头”，加大铝液与缸套外表面的接触面积来解决这个难题。此种“蘑菇头”缸套研发成功首先应用在汇华集团与浙江吉利集团合作开发的“中国龙”“FC－1”车铝缸体发动机上。此发动机虽然只有1．8L排气量，却拥有2．4L功率输出，耗油少，功率大，与丰田最近宣布的世界最高水平的发动机一致。该产品经过教育部科技查新工作站NO．5的查新、闽教科评字2013［34］的评审意见以及福建省产品质量检验研究院的检测报告得出:国内无同类产品，“蘑菇头”气缸套的横截面如图1所示。技术性能指标能够满足发动机的要求，技术成果达到国内领先水平。该产品国内缸套企业都没有生产，只有一家日资企业——安庆帝伯格茨缸套有限公司生产同类产品，与同类产品比较如表1所示。

图1 “蘑菇头”气缸套横截面图

表1 与国外同类产品的性能比较

此种缸套金相组织要求严格，缸套磨损面上石墨为，A型4～7级，至少占50%;B型4～7级，不超过50%。但是由于此种缸套外圆没有加工，对于金属型离心铸造，壁厚只有8mm，这么薄的缸套，要想得到A型石墨，难度很大。为了得到较佳的石墨形态，笔者采用均匀实验设计方法对涂料保温性能、浇注工艺、熔炼工艺等参数进行优化［3］。

2 涂料保温性能的研究

石墨组织是在共晶转变过程形成的，促进A型石墨形成，铁水凝固过程中应尽量缓慢，要求涂料必须有很好的保温性能，涂料保温性能研究如下。

2．1 材料的选择

提高涂料的保温性能耐火材料要尽量选取耐火度高、传导系数小、流淌性好、热化学稳定性好、颗粒细、成本低的材料。配置的涂料要具有很好的悬浮性、流淌性和耐高温性。涂料的主要成份——石英粉必须引起高度重视，不仅对粒度有严格的要求，而且对SiO2含量有严格要求［4］。

SiO2含量大于96%，(Fe2O3+FeO)小于 1%，(CaO+MgO)小于1%，含泥量小于2%，耐火度大于1700℃，密度2．5 ～2．6(×103kg/m3)。要保证涂料有很好的悬浮性、流淌性，就要求必须有合适的膨润土。要使膨润土和石英粉加水以后能胀开象一朵花一样，从而保证涂料充分搅拌后，无团块状出现。笔者选择了胶质价高的红火山膨润土和信阳膨润土，粒度指标为95%通过200目筛子，(SiO2+Al2O3)含量大于80%。

2．2 涂料配比研究

选材很重要，但配比也是关键。涂料要有很好的悬浮性能，但不能太稠，太稠则涂料喷涂性能太差。红火山膨润土悬浮性能非常好，涂料强度高，但增稠效果太强，涂料太稠，涂料喷不出来。加入少则涂料强度低，悬浮性能差。为了解决这个矛盾，须两种膨润土搭配，总加入量以及配比试验如表2所示。

表2 膨润土配比试验表

结果表明膨润土总量6%，红火山膨润土3%和信阳膨润土3%;膨润土总量5%，红火山膨润土3%和信阳膨润土2%及红火山膨润土2．5%和信阳膨润土2．5%三种搭配方案都能满足悬浮性和喷涂性能。按照最容易喷的原则，选择了红火山膨润土2．5%和信阳膨润土2．5%的配比。

2．3 石英粉配比及水加入量研究

如果只选择单一粒度的石英粉，就象一个一个乒乓球堆积在一起，中间有很多缝隙，保温性能差，两种以上的石英粉搭配就象乒乓球之间缝隙倒入了砂子，明显可以提高涂料保温性能［5］。笔者选取200目和320目石英粉搭配。水加入量对涂料保温性能也非常敏感，水太多，涂料太稀，降低模具温度，产生过冷石墨;水太少，涂料浓，喷不出来。研究如表3所示。

表3 石英粉配比及水加入量试验表

结果表明:

1)同样的加水量，200目和320目石英粉各一半47．5%，金相组织最好。

2)外加入75% ～80%的水，蘑菇头和石墨组织最好。

2．4 涂料配置工艺的研究

1)膨润土搅拌时间

定量加入水，搅拌1h、2h、3h、4h观察膨润土悬浮情况，4h膨润土充分溶解悬浮。

2)石英粉搅拌时间

膨润土搅拌好后，加入石英粉，通过观察涂料的悬浮性和均匀性，得到结论:石英粉需至少搅拌2h以上。

3)调节剂A的加入

调节剂热水熔化后加入，搅拌 5min、10min、15min，观察发泡情况，搅拌10min最合适。

最后涂料过滤，加入涂料桶。

2．5 涂料厚度的研究

涂料厚度影响涂料的保温性能、出模性能、蘑菇头分布、金相组织、废品率等，笔者对涂料厚度进行了研究，如表4所示。

3 浇注工艺的研究

图2为硼铸铁典型的微分热分析曲线［6］。曲线上每一个峰值对应着一个新相的析出的凝固过程，dT1/dt为顶点的第一个峰值对应着初生奥氏体的结晶。dT2/dt为顶点的第二个峰值对应着奥氏体－石墨的共晶凝固。要稳定得到A型石墨，必须在第一、二个峰值有较低的冷却速度，这就要求有足够的来水时间，但来水时间过长，生产效率太低。来水时间研究如表5所示。

表4 涂料厚度对性能指标的影响

结果表明:涂料厚度在0．8～1．2mm范围内为最佳。

图2 硼铸铁的典型微分热分析冷却曲线

表5 来水时间对石墨组织形态的影响

结果表明:来水时间大于15s，满足要求。从生产效率考虑，选择来水时间为15s。

4 熔炼工艺研究

4．1 硅的合理搭配

铸铁铁液的冶金质量是获得优质铸铁件的基础，因此必须重视铁液的冶金质量。碳和硅是铸铁的主要成份，又是强烈促进石墨化的元素。碳含量太高，石墨长度容易超长，因此笔者没有进行调整。硅增加硬度只有碳的三分之一，在生产中主要对硅含量进行了调整，试验如表6所示。

表6 硅对石墨组织形态的影响

结果表明:硅含量控制在2．5～2．7%石墨优良，对铁素体和碳化物没有影响。硬度也控制在中线，为最佳范围。

4．2 改变炉料组成

废钢杂质含量少，经过高温熔炼后，可以消除微量元素的影响。废钢在重新熔化过程中，吸收N和B形成BN，BN可作为晶核核心，改善孕育，优化石墨组织。本项目保证每一批料中加入至少10%的废钢后，石墨组织明显改善，A型石墨达到80%以上。

4．3 孕育处理的研究

孕育处理是在铁液进入铸件型腔前，把孕育剂附加到铁液中以改变铁液的冶金状态，从而改善铸铁的冶金性能。它可以控制石墨形态，减少过冷石墨和共生铁素体的形成，以获得中等大小的A型石墨。瞬时孕育也有它独特的好处，它可以增加石墨核心，延长孕育衰退时间。瞬时孕育一般采用75SiFe，其粒度小于1mm。对其加入量进行了研究如表7所示。

表7 瞬时孕育对金相、浇注温度的影响

结果表明:0．15% ～0．2%的瞬时孕育量为最佳控制范围，此时A型石墨至少85%以上。

5 结论

通过生产实验对涂料保温性能、浇注工艺、熔炼工艺等参数进行优化，得到结论如下:

1)涂料配方:0．15 ～0．17%的调节剂 A+47．5%的200目石英粉+47．5%320目石英粉+0．25%红火山膨润土 +0．25%信阳膨润土，外加水 75%～80%;

2)涂料配置工艺:加入水和膨润土搅拌4h，再加入石英粉搅拌2h，再加入调节剂A搅拌10min，过滤加入涂料桶;

3)涂料厚度在0．8～1．2mm范围内为最佳;

4)来水时间为15s，满足性能要求;

5)熔炼工艺:化学成份控制:C:3．20～3．3;S:0．03 ～0．05;Mn:0．7 ～ 1．1;P:0．2 ～ 0．3;Cr:0．2 ～0．3;B:0．05 ～0．06;Si:2．5 ～2．7;

炉料搭配:至少加入10%的废钢;

瞬时孕育:加入0．15% ～0．2%的粒度小于1mm的75SiFe瞬时孕育。

该产品小批量向浙江吉利集团供货。经过浙江吉利集团台架试验，本产品从外观、金相组织、耐磨性和活塞环配副性都能满足发动机的要求。

1 翟宁．低频振动刮削式微坑加工机理及实验研究［J］．小型内燃机与摩托车，2012，41(3):36～39

2 周华祥，宁朝阳．低排放高热效率长寿命气缸套的改进［J］．小型内燃机与摩托车，2008，37(3):54～58

3 周超梅，解生泽，李俊玲．气缸套离心铸造工艺与性能研究［J］．汽车工艺与材料，2003(4):20～21

4 缪兴平，夏园．离心铸造干湿式缸套毛坯余量对石墨形态影响［J］．内燃机与配件，2012(2):13～14，22

5 汪立亮，徐淼．内燃机气缸套新材料的开发［J］．小型内燃机与摩托车．2000，29(4):41－44

6 尹英杰．离心球墨铸铁套石墨组织的改进［J］．大型铸锻件，2006(2):19～21