发动机铸铁材料导热性能研究

金通 袁福安 康明 涂欣达 刘诗逸

摘要：本文研究了发动机铸铁材料的组织和化学成分对其导热性能的影响。试验结果表明：灰铸铁的热扩散性能明显优于蠕墨铸铁，但随着温度的升高其差别越小;灰铸铁碳含量越高热扩散性能越好，蠕墨铸铁蠕化率越高热扩散性能越好;化学元素中Si能够明显降低铸铁热扩散性能，而其他合金元素对热扩散性能影响较小。

主题词：热应力;热扩散率;缸盖;铸铁

中图分类号：TG143    文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2021）002-0066-04

Abstract： The effect of microstructure and chemical composition on thermal conductivity of cast iron engine was studied.The results show that the thermal diffusivity of grey iron was better than that of vermicular iron， but the difference was smaller with the increase of temperature.The thermal diffusivity was better with the increase of carbon content of gray iron and vermicular rate of vermicular Iron. Si could significantly reduce thermal diffusivity of cast iron， but other alloying elements had little influence on the thermal diffusivity.

Key words： Thermal stress; Thermal diffusivity; Cylinder head; Cast iron

1     前言

汽車发动机作为核心零部件，也是工作环境最恶劣的部件之一，承受较大的机械负荷和热负荷。随着发动机的爆压不断提升，市场上经常出现疲劳失效开裂。目前高功率柴油发动机缸体缸盖普遍使用灰铸铁和蠕墨铸铁材质。蠕墨铸铁拥有较高的强度和刚度，而灰铸铁虽然力学性能较低，但拥有较好的导热性能。发动机材质除了需要有良好的力学性能外，还需要良好的导热性能，以快速传递热量，防止热机疲劳及变形的产生。铸铁的导热性能与力学性能一样，与其石墨性能、分布和化学成分有关。因此，研究铸铁组织成分对导热性能和力学性能的影响，对发动机选材具有重要的指导意义。

发动机缸盖受力比较复杂，同时承受缸盖螺栓预紧力、阀座压力、铸件残余应力、温度变化产生的热应力和爆压产生的机械应力。其中螺栓预紧力、阀座压力和残余应力为恒定载荷，其应力随发动机的运行不发生较大的变化。而热应力和机械应力为周期载荷，载荷随时间变化非常复杂。当缸盖某部位的应力值超过材料的许用应力时，便会发生失效风险。其中，缸盖失效主要是由热应力和机械应力造成的。缸盖的热应力要大于机械应力，特别是大缸径内燃机铸铁缸盖的热应力[1]。热应力是温度改变时，物体由于在外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力。热应力大小可参考以下公式[2]：

式中：B热-热应力，α-热膨胀系数，E-弹性模量，△T-温度变化，F形状系数，μ-泊松比。形状系数和泊松比随温度变化不大，灰铸铁和蠕墨铸铁的热膨胀系数基本一致。因此铸铁热应力大小主要取决于弹性模量和温度变化。温度变化由材料的导热性能决定，衡量材料导热性能高低的指标主要是热导率和热扩散率，两者关系如公式（2）所示：

式中：K-热扩散率式， λ-热导率，ρ-密度，Cp-比热容。其中热导率表征物体传导热量速度快慢的物理量，目前大部分研究主要关于铸铁的热导率，热扩散率研究较少。热扩散率表征物体温度变化快慢的物理量，物体的热扩散率越大，表明物体在加热或冷却中，温度区域均匀一致的能力越强。热扩散率更能反映物体的温差和冷却效率，因此，本文主要研究了铸铁中组织和成分对热扩散率的影响。

2    试验方法

材料导热性能的测试方法众多，大体可分为稳态法与瞬态法两大类。现有的稳态法（包括热流法、保护热流法、热板法等）仅适用于在中等温度下测量中低导热系数材料。瞬态法则应用范围较为宽广，尤其适合于高导热系数材料以及高温下的测试，其中最具代表性、应用范围最广泛的方法为闪光法，或称为激光闪射法，闪光法也是测试金属材料导热性能的最优方法[3]。

本文所用的测试方法为闪光法，采用耐驰LFA457 激光导热仪测试。其原理是，在一定温度下，激光源瞬间发射一束光脉冲，使样品一侧表面瞬时升温，并作为热端将能量以一维热传导方式向冷端（另一侧样品表面）传播，红外检测器连续测量冷端的温升过程得到半升温时间t1/2。理想条件下该温度下的热扩散率K可由公式（3）得出：

而对于实际测量过程中对理想条件的任何偏离需使用适当的数学模型进行计算修正。本文试验采用“Cowan+脉冲修正”进行热损耗修正。

试验材料采用中频炉进行熔炼，按照方案设计进行配料，将铁水化学成分调整到目标值后，进行孕育和蠕化处理，当温度达到1400℃时进行浇注。对铸造试样切割成直径12.7mm厚度3mm的导热试样，在热扩散仪上测试其在50℃、100℃、200℃、300℃和400℃温度下的热扩散系数，采用氦气进行保护。

3    试验结果及分析

铸铁的热扩散性能主要由组织和化学成分决定。组织由石墨、基体和碳化物等组成，铸铁的导热性能不仅与组织中各组成相的导热性能有关，还与其数量、形态和分布有关。铸铁中各组成相的导热性能相差极大，其中石墨的导热性能要远高于其他相，石墨对铸铁导热性能的高低有决定性的影响。而化学元素主要通过其加入量和存在形式来影响铸铁的组织形成，从而影响铸铁的导热性能[4， 5]。因此，本研究针对铸铁的组织和化学成分共进行两组试验。实验一：研究石墨的数量和形态对铸铁热扩散性能的影响。实验二：研究化学元素对铸铁热扩散性能的影响。

3.1   石墨组织对铸铁热扩散性能的影响

本研究通过试验发现： 石墨的形态和数量对铸铁导热有着重要的影响，在一定Si/C比情况下，灰铸铁的碳含量虽然远远低于蠕墨铸铁，但其热扩散率要高于蠕墨铸铁， 但随着温度的升高其差别越小;灰铸铁的碳当量越高热扩散率越高，蠕墨铸铁蠕化率越高热扩散率越高。不同铸铁材料的热扩散率和化学成分如表1和表2所示。

铸铁的大部分热量靠石墨传导，石墨量越多，导热性能越好。灰铸铁共晶团较大，不同共晶团的石墨彼此有一定的互相镶嵌和接触，而蠕墨铸铁共晶团较灰铸铁小，不同共晶团的石墨之间没有接触，蠕铁中石墨导热能力不如灰铸铁。随着蠕化率的降低，蠕虫状石墨逐渐变短而弯曲，端部更圆钝，部分蠕蟲状石墨衰退成球状石墨，球状热量需要通过铸铁基体才能进一步传导，球状石墨越多导热能力越差。

随温度的升高，灰铸铁和蠕墨铸铁的导热性能的都变小，而灰铸铁导热性能随温度变化速率下降更快。在50℃时，灰铸铁热扩散率比蠕墨铸铁高25%，而当温度提高到400℃时，其热扩散率仅比蠕铁高5%。这是因为随温度的升高，石墨要部分挥发，并且铸铁内部原子热运动加剧，阻碍热量的扩散，石墨对铸铁导热性能的作用减小。

3.2   化学元素对铸铁热扩散性能影响的研究

本研究通过试验发现：化学元素中Si元素明显恶化铸铁的导热性能，其他元素影响较小，可以通过调整合金元素含量，实现在不降低铸铁导热性能的前提下，明显提升其力学性能，保证铸铁材料的可靠性。

铸铁中的元素除C以外Si的含量最多，其含量对铸铁热扩散性能的影响如表3所示。从试验结果可知，Si严重恶化铸铁的热扩散性能。Si的含量由1.94%增加到2.35%，热扩散系数下降7%左右。Si虽然在凝固过程中促进石墨化，但Si易固溶于奥氏体或铁素体中，使热量的扩散在基体中受阻，恶化铸铁导热性能。对于缸体缸盖这类承受较大热疲劳的铸铁零件，其Si/C比对铸铁力学性能基本无影响，但对导热性能影响较大，因此此类零件易采用高C低Si化学成分。

一般情况下，凡是加入铸铁后能增加石墨数量的元素则有利于铸铁导热性能，而易形成碳化物的元素不利于导热。其他合金元素在铸铁中的加入量很少，基本可以分为两类：石墨化元素（Cu、Ni等）和碳化物形成元素（Cr、V、Nb等）。表4为灰铁1#缸盖成分优化前后的热扩散性能对比，表5为灰铁1#缸盖成分优化前后的力学性能对比。对灰铁1#缸盖材料中的石墨化元素Cu、Ni的含量分别降低0.3%、0.45%，同时碳化物形成元素Nb、V、Cr的含量分别增加0.04%、0.04%和0.1%，热扩散系数相差不大，但常温和高温力学性能可提升10%左右。因此，可以通过调整化学元素（C、Si除外）在不明显影响材料导热性能的基础上，大幅度提升其力学性能，提升材料的可靠性。

4    结束语

本试验系统研究了发动机铸铁材料的石墨组织和化学成分对其导热性能的影响，石墨的形态和数量对铸铁的导热性能具有非常显著的影响，而铸铁中其他化学成分的影响较小。灰铸铁的热扩散性能明显优于蠕墨铸铁，但随着温度的升高其差别越小;灰铸铁碳含量越高热扩散性能越好，蠕墨铸铁蠕化率越高热扩散性能越好;化学元素中Si能够明显降低铸铁热扩散性能，而其他合金元素对其影响较小。由于发动机用铸铁材料同时承受较大的机械负荷和热负荷，材料的选用和优化要根据实际情况同时兼顾其力学性能和导热性能，保证零件的可靠性。

参考文献：

[1]白亚平，李建平，田佳，等. 某型铸铁缸盖组织和性能分析[J]. 铸造技术，2016（10）：2132-2135.

[2] K、Roehrig，李和. 灰铸铁和球墨铸铁的热疲劳[J]. 国外机车车辆工艺，1980（6）：8-20.

[3]陈静，杨大壮，王涛. 基于一维稳态纵向导热法对几种铸铁材料热物理性能的研究[J]. 热加工工艺， 2018，47（22）：102-104.

[4]郭广文，马惠霞，张健. 铸铁的热物性测定及其与显微组织的关系[J]. 理化检验-物理分册，2005，41（1）.

[5]范洪远，李伟，唐正华. 铸铁的热导率与化学成分[J]. 中国铸造装备与技术， 2000，000（002）：13.