（材料加工工程专业论文）重力铸造汽车发动机缸体用新型铝硅合金变质处理的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 汽车工业正朝着轻量化、高速、舒适、节能、低排放的方向发展，发动机作 为汽车的心脏，重量约占整车重量的三分之一，其性能和重量直接关系到汽车的 价值。采用全铝发动机不但可以显著提高发动机的性能，还可减轻发动机的重量。 国内铝合金缸体的工业化生产发展缓慢主要受制于三个方面：缸体材料性能达不 到要求，重力铸造工业化生产工艺不成熟，生产装备落后。今后研究的重点，就 是要解决缸体材料的问题。 基于此，本论文通过优化复合变质处理进一步提高了新型亚共晶铝硅合金的 综合性能。采用金属型重力铸造法，探索了舢t i 5 b ，a 1 1 0 s r 和复合稀土单一变质 对该合金组织和性能的影响；利用正交试验法优化复合变质，并对复合变质合金 的组织和性能进行检测。采用了x 射线衍射仪( x r d ) 、扫描电镜( s e m ) 、光谱仪和 光学显微镜分析( o m ) 等手段以及基本的力学性能测试法对其进行了研究，获得的 研究结果如下： 1 、舢t i 5 b 变质处理后合金的抗拉强度和硬度都有显著提高，当t i = 0 0 4w t 时，抗拉强度、伸长率和布氏硬度都达到其最大值，分别为2 4 5 2 7 m p a 、2 5 3 5 和8 0 2 4 。r e 变质后合金伸长率有显著影响，当r e = 0 4 w t ，其最小值3 0 3 也 远远高于母合金的2 3 。s r 变质后，抗拉强度下降2 0 m p a 左右；对伸长率和硬度 的影响都比较小。 2 、组织方面：伽t i 5 b 变质后s i 相变为近球状；由于a 相依附于舢3 t i 上形核， 使晶粒得到了细化；条形a l c u 相由粗变细而且分布均匀，起到强化晶界的作用； 杂质f e 相形状变得圆整，削弱了负面影响。r e 变质后s i 相变为短棒状；r e 与 s i 、c u 形成了片状的t ( a 1 s i c u n d ) 相，而在a i c u 相中又与f e 等元素形成了t ( a i s i c u m n f e n i n d ) 相，形状更为纤细，严重割裂了铝基体；伸长率显著提高是 因为在6 4 0 富灿稀土相与灿形成共晶，这些共晶组织在晶界处形成骨架，起到 晶界强化作用。s r 变质效果最为理想，但对其熔体表面氧化膜分析表明，s r o 与 a 1 2 0 3 形成的复合氧化物s r a l 2 0 4 使氧化膜变得更加疏松、脆弱并极易开裂，造成 熔炼过程吸气严重，针孔率上升。 江苏大学硕士学位论文 3 、正交试验优化复合变质处理结果表明：选择抗拉强度指标的权值为w ，为 0 7 ，伸长率指标的权值为w 2 为0 2 ，硬度指标的权值为w 3 为0 1 进行综合分析结 果表明：复合变质剂的最佳配合为s r = 0 0 1 w t ，r e - - 0 3 w t ，t i = 0 0 4 w t 。 4 、优化复合变质处理后合金的力学性能检测结果为：抗拉强度2 3 2 m p a ，伸 长率2 6 6 ，布氏硬度7 8 4 ，流动性2 2 1 个格，综合性能有了明显的提高，满足 制备汽车发动机缸体的要求。金组织分析表明：三种变质剂的作用相互之间得到 了强化。a 相得到极大的细化且晶粒轮廓清晰，等轴晶占面积大；s i 相变成圆 点状或颗粒状，变质效果优异。其次，与s r 变质的合金相比，针孔率大大降低， 而且晶界处的金属间化合物尺寸大幅度减小，其形状变为羽毛状或近似羽毛状。 关键词：全铝发动机，单一变质，复合变质，显微组织，力学性能 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m o b i l ei n d u s t r yi sm o v i n gt ot h el i g h t w e i g h t ，h i g h - s p e e d ，c o m f o r t ，e n e r g y s a v i n g , l o w e m i s s i o nd i r e c t i o n ，t h eh e a r to f t h ee n g i n ea st h ec a rw e i g h sa b o u to n e - t h i r d o ft h ew e i g h to fv e h i c l e ，i t sp e r f o r m a n c ea n dw e i g h ti sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ev a l u eo f t h ec a r u s eo fa l u m i n u me n g i n en o to n l yc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v ee n g i n ep e r f o r m a n c e ， b u ta l s ot or e d u c et h ew e i g h to ft h ee n g i n e d o m e s t i ci n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fa l u m i n u m c y l i n d e rb l o c kt h es l o wd e v e l o p m e n to ft h r e em a i ns u b j e c ta r e a s ：t h ec y l i n d e rb o d y m a t e r i a lp e r f o r m a n c ec a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，t h eg r a v i t yc a s t i n gi n d u s t r i a l i z a t i o n t e c h n i q u eo fp r o d u c t i o ni sn o tm a t u r e ，t h ep r o d u c t i o ne q u i p m e n ti sb a c k w a r d t h ef o c u s o ff u t u r er e s e a r c hi st os o l v et h ep r o b l e mc y l i n d e rb l o c km a t e r i a l b a s e do nt h i s ，t h i st o p i cf u r t h e re n h a n c e dt h en e wt y p eo fh y p o e u t e c t i ca 1 - s ia l l o y o v e r a l lp e r f o r m a n c et h r o u g ho p t i m i z e dc o m p o u n dm o d i f i c a t i o np r o c e s s i n g u s i n gm e t a l m o l dg r a v i t yc a s t i n g ，e x p l o r e da 1 t i s b ，a 1 - 1 0 s ra n dt h ec o m p o u n dr a r ee a r t hs i n g l e m o d i f i c a t i o nt o t h i s a l l o yo r g a n i z a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c ei n f l u e n c e ；o p t i m i z e st h e c o m p o u n dm o d i f i c a t i o nb yt h eo r t h o g o n a lt e s t i n gm e t h o d ，a n dc a r r i e s o nt h e e x a m i n a t i o nt ot h ec o m p o u n dm o d i f i e da l l o y so r g a n i z a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c e h a s u s e dx - r a yd i f f r a c t o m e t e r ( x r d ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，t h es p e c t r o s c o p e a n dt h eb p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) a n a l y z e sm e t h o d sa sw e l la st h eb a s i cm e c h a n i c a l p r o p e r t i e st e s tm e t h o da n ds oo nt or e s e a r c hi t ，a n dt h er e s u l t so b t a i n e da r e a sf o l l o w s ： 1 、a f t e ra i t i s bm o d i f i c a t i o n ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n dh a r d n e s so ft h ea l l o yh a v e i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , w h i l et i = 0 0 4 w t ，t e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o na n db r i n e l l h a r d n e s si sr e a c h e di t sm a x i m u m ，r e s p e c t i v e l y2 4 5 2 7m p a ，2 5 3 5 a n d8 0 2 4 r e m o d i f i c a t i o n s i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c e st h e e l o n g a t i o n o ft h i s a l l o y , w h e n r e = 0 4 w t t h em i n i m u m3 0 3 a l s of a rh i g h e rt h a nt h e2 3 o fm a s t e ra l l o y s r m o d i f i c a t i o n ，t h et e n s i l es t r e n g t hd r o p sa b o u t2 0 m p aa n di sq u i t es m a l lt ot h e e l o n g a t i o na n dh a r d n e s s 2 、o r g a n i z a t i o na s p e c t ：a f t e ra 1 t i s bm o d i f i c a t i o n ，s ib e c o m e sn e a rs p h e r i c a l ；d u e t oc t p h a s ea t t a c h e do na 1 3 t i ，s ot h a tg r a i nh a sb e e nr e f i n e d ；b a rs h a p ea 1 c uc h a n g e s i l l 江苏大学硕士学位论文 f r o mt h i c k e n i n gt of i n ea n dp l a y sar o l ei ns t r e n g t h e n i n gc r y s t a lb o u n d a r y ；t h es h a p eo f i m p u r i t yf eb e c o m e sc i r c l e ，w e a k e n e dt h en e g a t i v ei n f l u e n c e a f t e rr em o d i f i c a t i o n ，s i b e c o m e ss h o r t s t i c k ；r ea n ds i ，c uh a v ef o r m e dl a m i n a t e dt ( a 1 s i c u n d ) ，b u ti na i c u w i t hf ce l e m e n t sa n ds o0 1 1h a sf o r m e dt ( a i s i c u m n f e n i n d ) ，t h es h a p ei sm o r es l e n d e r , h a s s e p a r a t e d t h ea l u m i n u mb a s e b o d ys e r i o u s l y ；t h ee l o n g a t i o n r e m a r k a b l e e n h a n c e m e n ti sb e c a u s ei nt h e6 4 0 * cr a r ee a r t hp h a s er i c ha 1a n da 1t of o r me u t e c t i c ， t h e s ee u t e c t i cs t r u c t u r e sf o r mt h es k e l e t o ni nt h ec r y s t a lb o u n d a r yp l a c e ，p l a y st h e c r y s t a lb o u n d a r yi n v i g o r a t i o ne f f e c t t h es rm o d i f i c a t i o ni sm o s ti d e a l ，b u ti n d i c a t e dt o i t sb a t hs u r f a c eo x i d ef i l ma n a l y s i s ，s r oa n da 1 2 0 3f o r mc o m p o u n do x i d ec o m p o u n d s r a l 2 0 4c a u s e st h eo x i d ef i l mb e c o m e sl o o s e r , f r a i la n de x t r e m e l ye a s yt oc r a c k ，c a u s e s t h es m e l t i n gp r o c e s si n s p i r a t i o nt ob es e r i o u s ，p i n h o l er a t er i s e 3 、o r t h o g o n a le x p e r i m e n tr e s u l t s s h o wt h a tt h e o p t i m i z a t i o n o fc o m p l e x m o d i f i c a t i o nt r e a t m e n t ：c h o o s i n gt h er i g h tv a l u ef o rt e n s i l es t r e n g t hi n d e xw 1 0 7 ， e l o n g a t i o ni n d e xw 2 0 2 ，h a r d n e s si n d e xw 3 0 1a n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ：c o m p o s i t em o d i f i e ro fb e s t - f i ti ss r = 0 0 1 w t ，r e = 0 3 w t ， t i = 0 0 4 w t 4 、t e s tr e s u l t so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ea l l o ya f t e rc o m p o u n dm o d i f i c a t i o n ： t e n s i l es t r e n g t h2 3 2 m p a ，e l o n g a t i o n2 6 6 ，b r i n e uh a r d n e s s7 8 4 ，l i q u i d i t y2 2 1 ，a m a r k e di n c r e a s ei no v e r a l lp e r f o r m a n c et om e e tt h ep r e p a r a t i o no fc a re n g i r l eb l o c k r e q u i r e m e n t s m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r ea n a l y s i ss h o w st h a t ：t h r e ek i n d so fm o d i f i e rh a s b e e ns t r e n g t h e n e dw i t he a c ho t h e f q - a ip h a s eh a v eb e e nc o n s i d e r a b l yr e f i n e da n dt h e g r a i no u t l i n ed e a r , e q u i a x e dg r a i n sa c c o u n tf o rl a r g ea r e a ；s ip h a s et u r n si n t ot h ed o t s h a p eo rg r a n u l a t e d ，m o d i f i c a t i o ne f f e c t i s o u t s t a n d i n g s e c o n d ，c o m p a r e dt o s r m o d i f i c a t i o n ，p i n h o l ew a ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ，a n dt h eg r a i nb o u n d a r yi n t e r m e t a l l i c c o m p o u n d ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e ds i z e ，i t ss h a p ei n t oaf e a t h e r yo rl i k ef e a t h e r y k e yw o r d s ：a l u m i n u me n g i n e ，s i n g l em o d i f i c a t i o n ，c o m p o u n d m o d i f i c a t i o n ，m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名： 阳。年i 旯 壶j 花磊 指导教师签名：司矗纸 2 0 t o 年6 只 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： e l 凝：加治年r 具 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早瑁了匕 1 1 课题研究的背景及意义 随着社会经济的飞速发展以及人们生活水平的不断提高，世界汽车工业正面 临越来越严峻的三大课题：能源，环保，安全。资料表明【1 】，世界原油产量的4 0 消耗于交通车辆的运行，并且矿物燃料燃烧放出的二氧化碳中有1 5 是由汽车尾 气造成的。据文献介绍【2 1 ，汽车所用燃料约6 0 消耗子汽车的自重，整车质量减少 1 0 ，不但可降低油耗6 8 ，还可使燃烧有效率提高5 ；而且，每少用1 升 燃料，不但可以减少2 5 k g c 0 2 的排放量，同时氮化物、硫化物等的排放量也会相 应减少。因此，减轻汽车自重以降低能耗，减少环境污染，提高汽车的燃料经济 性，节约有限资源，提高汽车行驶的平稳性、乘客的舒适性和安全性，成为各大 汽车厂商关注的焦点。汽车轻量化的途径主要有两条：一是结构优化设计，其基 本思想是在满足正常工作各项要求的前提下，设计重量最轻的结构；二是采用轻 量化材料，包括铝、镁、塑料等，但塑料制品回收存在环境污染，镁材料的价格 和安全性限制了它的广泛应用，因此铝材是实现汽车轻量化和现代化的关键材料 和主要途径【3 】o 铝合金的发动机缸体己经成为汽车轻量化的首选。这是因为铝合金缸体质量 轻，导热性良好，冷却液的容量可减少。启动后，缸体很快达到工作温度，并且 和铝活塞热膨胀系数完全一样，受热后间隙变化小，可减少冲击噪声和机油消耗。 和铝缸盖热膨胀相同，工作可减少冷热冲击所产生的热应力。由于目前轿车大多 采用发动机前置驱动，使用铝合金缸体缸盖减轻发动机的重量，有利于均衡前后 重量比，防止高速行驶过程的转向偏差现象，从而提高了轿车的操控性和安全性。 采用高性能铝合金缸体和缸盖的全铝制发动机，已经成为体现轿车技术水平的标 志之一。 1 1 1 国内外全铝汽车发动机的现状 我们日常所说的全铝发动机是指缸盖和缸体都是铝合金制造的发动机。很早 江苏大学硕士学位论文 以前的汽车发动机就开始大规模采用全铝缸盖了。这是因为缸盖的重量并不大， 不需要太复杂的冷却系统而且结构比较简单，汽车制造商青睐它并不是因为它重 量轻，而是因为它有更好的散热性能。随着发动机技术的发展，四气阀结构成为 发动机的主流设计趋势。与一起的两气阀发动机相比，每缸四气阀的气缸盖比每 缸两气阀的气缸盖在工作时要产生更多的热量，采用全铝缸盖是最好的解决办法。 所以有一些发动机用铝代替铸铁做汽缸盖，从而出现了铸铁缸体铝制缸盖这种结 构，但是这种结构现在在国外已经很少被采用了，这种发动机我们还是称作铸铁 发动机【4 1 。 目前，欧美发达国家轿车中的铝合金用量已经从1 9 9 0 年代占车重的5 5 提高 到目前的1 5 以上，这使得整车重量相应下降了2 0 ；2 0 0 7 年欧、美、日生产的 轿车发动机中9 5 以上的缸盖均为铝制，铝合金缸体的使用率也已经超过5 0 。 在国外，全铝发动机已经在大量的车型上被采用，并且从原来的高中档轿车向经 济型桥车拓展。例如罗孚的k 系列发动机，宝马的m 5 2 直列六缸发动机，日产的 v q 发动机，捷豹的a j v 8 发动机、奔驰的v 6 和v 8 发动机、通用的l s l 和北极 星v 8 发动机、标致的2 升四缸发动机和通用的新型直列四缸发动机等等都是采用 铝合金制造f 5 1 。 相对而言，国内在高性能铝制发动机的开发使用方面还存在着较大的差距。 国产发动机的铝合金缸盖的使用率为7 0 左右，而铝合金缸体的工业化生产尚处 起步价段。目前奇瑞等国产品牌车也开始了全铝发动机的开发和研制。国内的许 多小排量发动机也逐步采用全铝发动机，如国产铃木系列的发动机g 1 3 、k 1 4 等。 甚至包括一些国产发动机也采用铝合金材质了，最著名的就是东安动力开发的4 6 8 发动机，这款发动机被配备在哈飞路宝和昌河爱迪尔上，获得了很大的成功【6 川。 1 1 2 汽车发动机缸体用材料的发展 汽车发动机缸体( 以下简称汽缸体) 作为发动机中最重要的部件之一，其质 量约占整车重的1 8 ，结构复杂，壁厚不均匀且最薄处仅为3 - - - 5 m m ，而且在高温、 高压及润滑条件不良且有固体微粒和腐蚀介质工况条件下作高速相对运动，零件 内部产生很大的机械应力和热应力，同时承受强烈的摩擦磨损。因此，要求汽缸 体材料具有良好的综合性能。 2 江苏大学硕士学位论文 传统的发动机无论是缸体还是缸盖材料都是采用铸铁。起初，灰铸铁由于具 有良好的铸造工艺性能和机械性能，优越的耐磨性、减震性，而且生产方便，价 格便宜，自然成为汽缸体的首选材料。但是，灰铸铁的金相组织是影响其性能的 主要因素，特别是灰铸铁中碳元素的形态直接影响其合格率。当碳元素以石墨形 态出现时，虽然石墨本身是优良的润滑材料，能够防止剧烈的磨损，但其平坦的 表面易造成石墨脱落，同时片状石墨长且薄，表面平坦，端部尖锐，在承受负荷 时，尖锐的端部极易产生应力集中，产生裂纹并扩展，成为铸件破坏的起点，造 成铸件的强度和韧性下降，直接影响限制了灰铸铁的使用性能【1 1 。 表1 1 国内外常用铝缸体材料的化学成分 t a b l e1 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fa l u m i n u mc y l i n d e ru s e di nt h ew o r d 国家 鑫喜 质量分数，余为 s ic u m g m nf ez nn i t is n p bc r 杂质和 中国 z l l 0 48 0 1 0 50 7o 1 7 o 3o 2 o 51 0 0 3 一一0 0 10 0 5 一 一 3 8 0 07 5 9 03 o 4 00 10 52 03 00 5 0 3 5 一一0 5 美国 3 5 6 06 5 7 5 0 2 5 0 2 o 40 3 50 60 3 50 2 50 1 5 日本a c 4 b7 o 1 0 0 2 o 4 00 50 51 01 0o 3 50 2 o 1 0 20 2 一 德国 g d - a l s i l 21 0 5 1 3 51 00 3o 1 o 50 80 50 2o 1 50 1 0 2 一 o 1 5 为了改变片状石墨的形状，迅速提高汽缸体的性能，蠕墨铸铁应运而生。其 石墨形状与狄铸铁相比，长度较短而厚，端部较圆整，通常长厚比在1 0 以下( 灰 铸铁一般为5 0 - 1 0 0 ) ，且表面粗糙。较圆的端部能抑制裂纹的产生和扩展，粗糙 的表面能限制石墨的脱离，这种独特的石墨形状，可以大大提高抗拉强度、疲劳 强度、弹性模量和耐磨性等综合性能。 随着现代科学技术的进步和对节能减排要求的高度重视，铸铁件汽缸体就暴 露出许多先天的不足，例如重量大、散热性差、摩擦系数高等等。铝及其合金由 于具有质轻，耐磨，耐腐蚀，弹性好，比强度和比刚度高，抗冲击性能好，易表 面着色，良好的加工成形性以及极高的再回收、再生性等一系列优良特性而成为 汽车轻量化最理想的材料。而以s i 为主加元素，辅助添加c u 、m g 等元素的舢s i 合金，不但比重比传统铝合金更轻，且具有良好的高温强度、耐磨性、耐热性和 较低的热膨胀系数等优点，是代替铁基材料制备汽车发动机的理想材料。但是， 3 江苏大学硕士学位论文 目前国内铸造铝硅合金的铸态性能尚不尽人意。虽然通过热处理能够提高其力学 性能，但是同样会增加投资、降低生产效率、耗时耗能等，完全不符合当今汽车 工业的发展进程，更与人类社会对节约能源和环境保护的要求相违背。因此开发 种铸态下高强度高韧性的铝硅合金就显得十分必要。表1 1 和1 2 是国内外汽车 发动机缸体常用的铸造铝硅合金的化学成分及其力学性能。从中不难发现，我国 汽车发动机缸体用的铸造铝硅合金的性能同国外的相比还有较大的差距【8 。9 】。 表1 2 国内外常用铝缸体材料的力学性能f l o 】 t a b l e1 2t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l u m i n u mc y l i n d e ru s e di nt h ew o r d 1 1 3 铝制汽车发动机缸体的生产方法 由于铝合金发动机缸盖和缸体结构复杂，通常只能用铸造的方法成形。铝合 金缸盖，大都采用砂型或金属型重力铸造工艺，生产技术相对稳定和成熟。目前 铝合金缸盖方面的开发研究重点，主要集中在进一步提高铝合金材质的高温性能 以及缸盖铸件的制造精度两方面。 铝合金缸体的制造，相对而言要复杂得多，工业化生产方法目前仍处于探索、 改进和完善阶段。目前铝合金缸体的生产方法主要有压力铸造、金属型重力铸造、 c o s w r o t h 工艺、消失模工艺和精确砂型重力铸造等【1 1 】。 一、采用压铸工艺生产汽车发动机铝缸体【1 2 - 1 3 】 压力铸造是目前铝合金缸体铸件最主要的生产工艺。其生产率和工艺稳定性 较高，生产的铸件尺寸精度高、表面光洁度好、机械加工余量小，符合净成型和 循环经济的原则。而废品率相对较低( 废品率约为5 ) ，符合节材和节能的原则。 国外压铸单元均配备吸烟除尘净化装置处理喷涂脱模剂形成的油烟雾和蒸汽，使 其达标排放，符合绿色化清洁生产的原则。尽管如此，压铸工艺生产仍有以下几 点不足之处： 4 江苏大学硕士学位论文 1 、由于采用金属铸型和型芯，为了保证脱模和抽芯，对压铸铝缸体的形状和 结构有较大的限制。通常压铸出的铝缸体只能为开舱式结构，明显降低了缸体的 刚性，使发动机功率增大时噪声和振动水平变大。 2 、压铸时液态铝合金充型过程中的高速射流，必然会引起紊流卷气，从而导 致缸体铸件内部含气量高、致密性差。 3 、压铸铝缸体一般不能热处理来改善和提高机械性能。目前普通压铸铝合金 的结构强度和抗疲劳性能明显低于铸铁，这导致压铸铝缸体不得不加大壁厚和体 积。例如，c h r y s l e re a 8 2 7 压铸铝缸体的汽缸中心距从铸铁缸体的8 2 5 m m 提高到 8 8 m m 。 4 、压铸模具成本较高。例如宇部合型力2 5 0 0 0 k n 压铸机缸体模具约为6 5 2 1 万日元，折合人民币约4 3 5 万元。 二、采用金属型重力铸造生产汽车发动机铝缸体 金属型重力铸造是指在重力作用下，液体金属充填金属铸型而获得铸件的一 种铸造方法。该工艺生产的铸件具有表面质量好，尺寸精度高的特点，而且工艺 的灵活性又有利于解决像缸体这类复杂铸件的实际生产问题，尤其是在协调浇注 系统与铸件补缩这两个难题方面。其次，设备简单、可靠，十分便于操作和维修， 且投资少、生产效率高，综合经济性好。再有，金属型重力铸造可以很好的解决 铸件内部的含气量问题，以及缸体结构形状方面限制的问题。与压力铸造相比增 加了铸件的补缩冒口，这确实使铝液利用率降低，然而针对铝缸盖这种复杂铸件 的生产，设置冒口有利于铸件的宏观组织结构，可以在减少铸件渗漏缺陷方面得 到部分补偿。 美国福特汽车公司1 9 9 8 年在俄亥俄州b r o o dp a r ko h i o 耗资9 9 0 0 万美元建成 一个铝铸件厂，采用金属型重力铸造方法，生产铝缸体和铝气缸盖。此外美国通 用汽车公司也采用金属型重力铸造方法生产v 8 铝缸体。 国外，铝缸体金属型重力铸造生产线包括：1 ) 多工位转台或多工位直列式大 批量铸造系统；2 ) 通用型液压全自动控制的金属型重力铸造机；3 ) 全自动浇注 机器人、全自动下芯机械手和全自动取件机械手等辅助自动化系统；4 ) 配合自动 化生产的多种物流输送管理系统；5 ) 适宜多种制芯工艺而无需焙烧直接落砂的双 工位高频振动落砂机；6 ) 多工位水密压力检测设备【1 4 1 。 5 江苏大学硕士学位论文 国内，苏州明志科技公司最近出m j a 五开模金属型重力铸造机。其特点为： 1 ) 五开模可设定不同开模次序；2 ) 人机界面多种铸造工艺选择；3 ) 快速装卸模 具；4 ) 自动控制并显示模具温度；5 ) 手动、自动循环两种工作模式；6 ) 根据要 求设计工作台面尺寸；7 ) 可与机器人等外围设备组成自动生产线。此设备使用于 微、轿车柴油发动机4 w 缸体【1 5 】。 三、采用c o s w o r t h 法生产汽车发动机铝缸体 英国b i r m i n h a n 大学的j c a m p b e l l 教授发明的c o s w o r t h 法( 即冷芯盒砂芯组 芯造型，如图1 1 所示) ，其工艺特点如下【1 6 。1 8 】： 蠹 裂 炉 图1 1c o s w o r t h 铸造法 f i g 1 1c o s w o r t hc a s t i n gm e t h o d 1 ) 采用锆砂作原砂，其耐火度高，蓄热系数大，冷却速度与金属型相当，铸 件能生成细密的树枝状晶粒，与传统砂型铝铸件相比，材质抗拉强度提高3 倍， 延伸率提高i 倍。 2 ) 铝液在惰性气体保护下熔化、精炼、输送、浇注，铝液纯净，基本上没有 氧化夹杂物，气孔率仅为0 0 1 - 0 0 0 1 ，而传统的铸造工艺生产的铸件气孔率大 约为0 1 。 3 ) 铸型在可控压力的气氛下，由计算机通过改变励磁电流的大小控制电磁泵 的浇注速度，其控制精度远高于气压式的低压铸造，加之铸件在可控压力下结晶 凝固，所得铸件的组织性能优良，铸件缺陷少，属于精密砂型铸造工艺。 4 ) 全部采用锆砂砂芯，采用冷芯盒制芯，砂芯尺寸精确，组芯精度高，铸件 的尺寸精度高，表面粗糙度r a 一般为5 31 tm ，铸件比普通砂型铸件质量轻1 0 - - 2 0 。 6 江苏大学硕士学位论文 5 ) 旧砂采用热法再生循环使用，原砂的损失率仅为1 5 。 6 ) 生产过程循环闭式进行。铸件的余热得到回收利用，是典型的绿色铸造工 艺。 7 ) 金属利用率高，可达8 0 9 0 ，而金属型重力铸造或普通砂型铸造利用 使用率仅5 5 。 8 ) 铸件废品率( 缸体) 仅5 ，而金属型重力铸造或普通砂型铸造废品率高 达1 0 以上。 9 ) 铸造生产过程中的“三废”得到充分利用，旧砂再生回用、废气净化、废 液和废渣经处理后再利用，是未来铸造生产的发展模式。 四、采用消失模铸造生产汽车发动机铝缸体 美国铸造协会( a f s ) 的专家认为，消失模铸造技术从发明至1 9 9 0 年经历“技 术革新期”，此后经过“技术成长期 ，在2 0 1 0 年达到 技术成熟期“。消失模铸 造可以生产出薄壁、零度起模斜度的复杂铸件，并可直接铸出螺纹及曲折的通道， 可减少机械加工量及加工工序。工艺相对复杂，生产效率较低。随着产品精密化、 轻量化、集成化要求的发展，开发新型轻合金消失模铸造专用设备极为关键，原 辅材料和专用装备的技术水平需要更为先进【1 9 1 。 五、采用精确砂型重力铸造生产汽车发动机铝缸体【冽 近年来，国外有关厂商在砂型铸造的基础上，开发了一种专门针对铝合金缸 体生产的精确砂型重力铸造工艺，德国a l u c a s t 公司年产铝合金v 6 缸体8 5 万件。 此外，德国k s m 公司、英国z e u s 公司也都纷纷开始采用该工艺生产高性能铝合 金缸体。 1 2 单一变质处理 众所周知，采用常规铸造工艺制备舢s i 合金时，由于冷却速率较慢，s i 的偏 析严重，分布也不均匀，尤其是当s i 含量较高时( 如a 3 9 0 过共晶s i 合金) ， 初生s i 非常粗大，呈板条状或多角状等不规则形状；而共晶s i 呈现长针状，这些 形态的s i 将严重的割裂基体的连续性，很容易在s i 相的尖端和棱角处引起应力集 中，易发生断裂，恶化合金性能。为了改变铸造舢一s i 合金中s i 相的大小、形状 及分布，提高合金的性能，长期以来一直采用变质处理技术。下文将对工业上最 7 江苏大学硕士学位论文 常用的细化变质剂：触t i b 、s r 中间合金，以及复合稀土作相关介绍。 1 2 1a i t i b 系的发展与应用 最初的晶粒细化剂是把氟酸盐k 2 t i f 6 、k b f 4 等直接加到熔体中，与熔融铝发 生反应，形成t i a l 3 和t i b 2 粒子而达到细化作用。由于产生的细化效果不均匀，难 以控制反应参数，无法预料晶粒细化的响应程度，而且啊和b 的实收率低，不稳 定，目前已基本被淘汰。 为克服在铝及其合金中直接加入盐类化合物的缺点，人们研究并采用了中间 合金形式的细化剂。近年来广泛采用了趾t i b 细化剂，它是目前最有效的晶粒细 化剂之一，也是铝晶粒细化技术的一项重大突破【2 1 】。起初舢一t i b 是以块状加入的， 虽比盐类化合物优越，但仍存在细化效果衰退、“z r 中毒 现象、t i b 2 粒子聚集等 问题【2 2 】。随着半连续和连续铸造的发展，2 0 世纪7 0 年代中期，美国研制出新的 砧t i b 细化技术，即以丝( 线) 状形式连续加入到炉外流糟的熔体中【2 3 1 。该方法 能使铸锭组织达到最大的细化，同时细化剂的用量减少，避免了t i b 2 粒子的比重 偏析【肄2 5 1 。仅十余年时间就得到了很大的发展，美国的k b m 公司、英国的l s m 公司、荷兰的k b m 公司等已研究和生产出线状灿t i b 细化剂。在国际上常用的 成分为5 t i 1 b 。 随后，晶粒细化剂的研究致力于改善a 1 ，n b 的细化效果，开发了一系列产品： a 1 5 t i b ，a 1 3 t i b ，a 1 - 5 t i 一0 2 b ，a 1 一t i - 0 6 b ，a 1 一t i 0 2 b 以及a 1 - l o t i 一0 2 b ( w t ) 。 它们的共同特点是t i ：b 大于t i b 2 的组成比2 2 2 ，且含有t i a l 3 颗粒和t i b 2 颗粒。 1 9 8 6 年东北工学院在国内首先研制成功国产舢一t i b 细化剂，开创了应用国产 础t i b 的新局面【矧。但在相同使用条件下，细化结果总低于国外相同成分产品， 而且质量不稳定，尤其是冶金质量较差。因此，我国目前使用的t i b 细化剂多 数仍由英国和荷兰生产【2 7 1 。此外，虽然触t i b 细化剂具有优异的细化晶粒能力， 但其抗衰减性能仍不能令人满意，因为t i b 2 相仍易聚集沉淀，而且t i b 2 易受z r ， c r 等原子的毒化而失去细化晶粒的作用等。为此，人们一直在寻找研究更有效的 细化剂及其处理技术。 近年来国内相继开发出其他一些新型细化剂，如砧一t i c 【冽，t i c b 2 9 1 ， 舢一，n b r e 【雏3 1 1 ，舢n s r l 3 2 1 ，a i t i b e f 3 3 】等。其中，a b e n e 巧i 【冽等研制成功的a i t i c 8 江苏大学硕士学位论文 细化剂，虽克服了z r ，c r 等原子的毒化作用，但在解释舢t i c 合金中游离的n 、 c 元素和t i a l 3 和t i c 的相互作用方面仍不清楚，同时经砧t i c 细化后的条状晶 和等轴晶混合组织，其细化能力还低于一t i b 细化剂，并表现出明显的衰减性， 这是生产应用中不能接受的。从而又促进新型舢t i c b 细化剂的研制，该细化剂 被认为是一种高效、长效的细化剂【3 1 】。与此同时，近年许多国内研究者发现含有 稀土的t i b 可使t i b 2 的沉淀基本消除，并开发了相应的新型细化剂舢一n b r e 为生产高效、稳定、成本较低的细化剂开辟一条途径 2 4 - 2 5 1 。但这些新型细化剂的 细化效果和稳定性等还缺乏系统深入的研究，应用范围仍有限，在铝晶粒细化机 理方面远不能令人满意，值得深入研究探讨。 1 2 2 稀土元素的介绍及其变质作用 稀土一词是历史遗留下来的名称。稀土元素是从1 8 世纪末开始陆续发现，当 时人们常把不溶于水的固体氧化物称为土。稀土一般是以氧化物状态分离出来的， 又很稀少，因而得名为稀土。 稀土元素在化学元素周期表中属于第三副族元素。它包括原子序数从5 7 - 7 1 的第六周期的镧系元素，即镧( 、铈( c e ) 、镨( p r ) 、钕( n d ) 、钷( p m ) 、钐( s m ) 、 铕( e u ) 、钆( g d ) 、铽f r o ) 、镝( d y ) 、钬( h o ) 、铒( e r ) 、铥m ) 、镱m ) 、镥( l u ) ，以 及与镧系的1 5 个元素密切相关的两个元素钪( 2 1 s c ) 和钇( 3 9 y ) 共1 7 种元素，称 为稀土元素( r a r ee a r t h ) ，简称稀土( r e 或r ) 。通常把镧、铈、镨、钕、钷、钐、 铕称为轻稀土或铈组稀土；把钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥8 个元素和钇称 为重稀土或钇组稀土。也有的根据稀土元素物理化学性质的相似性和差异性，除 钪之外洧的将钪划归稀散元素) ，划分成三组，即轻稀土组为镧、铈、镨、钕、钷； 中稀土组为钐、铕、钆、铽、镝；重稀土组为钬、铒、铥、镱、镥、钇。下表1 3 是稀土元素的物理性质及其室温机械性能。 稀土元素属于典型的金属，化学性质活泼，极易同氧、氢、硫、氮作用生成 相应的稳定化合物，这些化合物的特殊性质使它们都具有重要用途。在冶金工业 上，常用稀土金属或其合金脱氧、脱硫、脱氢，起净化合金和变质作用。 9 江苏大学硕士学位论文