（材料加工工程专业论文）铸造铝硅合金缸体材料多元微合金化研究.pdf

学位论文版权使用授权书 i i h l llrll1 1 1 i f l l f l1 1 1 1 f l i l l i i i f i i l l l l l f i i r o l y 18 9 5 2 7 5 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许 论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论 文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本 论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布 ( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名：否良赶往 沁1 1 年6 月哆日 指导教师签名： 声i f 年月似日 铸造铝硅合金缸体材料多元微合金化研究 s t u d i e so nm i c r o a l l o y i n go fc a s ta i - - s ia l l o y sf o r c y l i n d e r b l o c kw i t hs e v e r a le l e m e n t s 专 2 0 1 1 年0 5 月 江苏大学硕士拳位论文 摘要 社会发展和技术进步对汽车提出了轻量、节能、减排的要求，而轻量化又是 节能、减排的前提。汽车轻量化可以通过结构设计优化和采用低密度高性能材料 来实现。然而结构设计优化局限性大，不适用于结构复杂的汽车缸体。采用高比 强度材料，能够在结构改动很小的前提下减轻重量。 s i 合金具有优良的铸造性能和使用性能，被广泛用作铸铁缸体的替代材 料。传统的铝合金缸体生产工艺是砂型铸造+ t 6 处理。而热处理t 6 工序繁多，固 溶化处理时还会导致缸体尺寸变形和内应力的不稳定，并且热处理时间长，能耗 和污染较大。国外有铸造后直接水淬、然后时效处理的工艺，但是水淬亦有淬裂 的风险。本课题研究通过对s i 合金添加微量的n i 、c r 、z n 、m n 四种元素，进 行多元微合金化，在优化细化、变质、除气的基础上浇铸，凝固冷却后仅进行时 效。旨住丌发一种，通过微合金化强化取消固溶化处理，铸造后仅采用时效处理， 就能够达到性能要求的工艺方法。通过数据分析，得到如下试验结果： 1 铝钛硼细化时效态，a i s i 7 c u 4 力学性能为：o b = 2 3 0 8 5 m p a ，6 = 1 ，h b = 9 8 7 ； a i s i 9 c u 3 力学性能为：o b = 1 9 8 m p a ，8 = 1 5 ，h b = 1 0 3 4 ；a i s i l 0 m g 力学性能为： o b = 1 9 0 m p a ，8 = 2 5 ，h b = 8 1 0 3 。比较三种基础材料在铝钛硼细化时效态下的性 能可知，a i s i 7 c u 4 和a 1 s i 9 c u 3 性能较高。 2 钛锆硼细化时效态，a 1 s i 7 c u 4 力学性能为：o b = 2 2 5 m p a ，8 = 1 7 5 ， h b = 1 0 2 4 6 ：a 1 s i 9 c u 3 力学性能为：0 b = 2 0 7 5 m p a ，8 = 2 2 5 ，h b = 9 2 3 ；a i s i l 0 m g 力学性能为：o b = 1 8 7 5 m p a ，8 = 2 5 ，h b = 7 7 。比较三种基础材料在钛锆硼细化时 效态下的性能可知，a i s i 7 c u 4 和a 1 s i 9 c u 3 性能较高。 3 由于a i s i 7 c u 4 和a i s i 9 c u 3 性能相对a i s i l 0 m g 较高，故选a 1 s i 7 c u 4 和 a i s i 9 c u 3 进行微合金化实验。考虑到项目公司实际生产和简化实验需要，决定实 验时均采用铝钛硼细化处理。 4 a i s i 7 c u 4 基础材料添加n i 、c r 、z n 、m n 四种元素，采用正交实验的方法 进行实验。性能方面：当n i = ( 0 0 2 - 0 0 3 ) 、c r = ( 0 0 2 5 0 0 3 5 ) 、z n = ( 0 6 0 8 ) 、m n = ( 0 1 5 - - - 0 3 0 ) 时，时效态下最优力学性能为：o b = 2 5 9 8 5 m p a ，8 = 1 2 5 ， h b = 9 9 2 ，相比之前，抗拉强度提升了2 4 8 5 m p a ，超过实验要求的2 4 0 m p a ，延伸 铸造铝硅合金缸体材料多元微合金化研究 率和硬度虽略降，但仍较为理想。显微组织方面：微合金化后，q ( 舢) 晶粒更细小， 硅相外形更加圆润，晶界处分布的m 9 2 s i 、c u a l 2 等强化相增多。微量n i 元素， 沿晶界形成细d , ( a 1 c u s i n i ) 相，强化晶界。微量m n 元素，部分m n 溶于c u a l 2 相 内，和s i 相共同形成( a 1 c u s i m n ) 相，增强c u a l 2 相对晶界的强化作用，同时改 善s i 相形态，部分m n 与f e 形成a 1 3 ( f e 、m n ) 相，改善铁相形态，改善韧性。c r 、 z n 所形成相未见析出。 5 a i s i 9 c u 3 基础材料添加n i 、c r 、z n 、m n 四种元素，同样采用正交实验。 性能方面：当n i = ( 0 0 4 , - - 0 0 5 ) ，c r = ( 0 0 1 5 - 0 0 2 5 ) ，z n = ( 0 2 - 0 4 ) ， m n = ( 0 1 5 0 3 0 ) 时，时效态下最优力学性能为：o b = 2 4 2 5 m p a ，8 = 1 ，h b = 1 0 0 5 ， 抗拉强度相比之前提升了4 4 5 m p a 提升幅度较大，刚好达到实验要求，且性能不 稳定。显微组织方面：a 渊) 晶粒显著细化，硅相团聚现象缓解，呈颗粒状，初生 硅相几乎消失，优化加工性能。微量n i 元素形成n i a l 3 ，将部分c u a l 2 包裹形成 a l c u n i 相，a l c u n i 相强化效果优于c u a l 2 ，提升材料强度。m n 元素，形成 ( a 1 s i f e m n ) 相，将f e 相由针状转变为短片状，削弱其对基体的割裂作用。c r 、 z n 所形成相未见析出。 6 通过实验分析可知，伽s i 7 c u 4 加入n i 、c r 、z n 、m n ，仅通过时效处理完全 能够达到缸体的力学性能要求，而a 1 s i 9 c u 3 勉强能够，但性能不稳定。 关键词：铝硅合金，微合金化，时效处理，正交试验，力学性能 江苏大学硕士学位论文 t h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n dt e c h n o l o g i e si sc a l l i n ga u t o m o b i l ef o rl i g h t w e i g h t ， e n e r g y s a v i n g , a n d l o w - e m i s s i o n w h e r e a s l i g h t w e i g h t i st h e p r e c o n d i t i t o n o f e n e r g y s a v i n ga n dl o w e m i s s i o n s t r u c t u r ei m p r o v e m e n t sa n da p p l i c a t i o no ft h e m a t e r i a l sw i t hl o w e rd e n s i t ya n dh i g h e rs t r e n g t hc a nr e d u c et h ew e i g h to fa u t o m o b i l e s h o w e v e rs t r u c t u r ei m p r o v e m e n t sa t gn o ta l w a y ss u i t a b l ef o rt h ec o m p l i c a t e dc y l i n d e r b l o c k s a p p l i c a t i o no fm a t e r i a l sw i t hh i g h e rs p e c i f i cs t r e n g t hc a nr e d u c et h ew e i g h t w i t hl e s ss t r u c t u r ec h a n g e s 舢- s ia l l o y sa r ew i d e l yu s e df o rc y l i n d e rb l o c k sb e c a u s eo fe x c e l l e n tc a s t i n ga n d u s i n gp e r f o r m a n c e t r a d i t i o n a lp r o d u c t i o np r o c e s so fa l s ia l l o yc y l i n d e rb l o c k si ss a n d c a s t i n ga n dt h e nh e a tt r e a t m e n tt 6 t h es o l u t i o n i z i n gd u r i n gt r e a t m e n tt 6c a u s e s s o m e t i m e st h ed i m e n s i o n a ld e f o r m a t i o n sa n dr e s i d u a ls t r e s s e si nc y l i n d e rb l o c k c a s t i n g s i na d d i t i o nh e a tt r e a t m e n tt 6t a k e s l o n gt i m e ，c o n s u m e se n e r g y , a n dp o l l u t e s e n v i r o n m e n t t h ep r o c e s sf o rc y l i n d e rb l o c kw i t h o u ts o l u t i o n i z i n gw a sr e p o r t e d ，i n w h i c hc a s t i n g sw e r ed i r e c t l yq u e n c h e di nw a t e ra f t e rs o l i d i f i c a t i o na n d p r i m a r yc o o l i n g a n dt h e na g e d b u tt h i sk i n do fq u e n c h i n gr e s u l t si nc r a c k se a s i l y i nt h i sp a p e rt h e m i c r o a l l o y i n go fa i s ia l l o y sw i t hl i t t l e4e l e m e n t sn i ，c r , z na n dm nt oi n c e a s et h e s t r e n g t hw a ss t u d i e d t h ep u r p o s ei st or e p l a c et h es o l i t i o n i z i n gw i t hm i c r o a l l o y i n ga n d t od e v e l o pan e ws i m p l ep r o c e s so n l yw i t ha g i n g t h r o u g ha n a l y i n gt h ee x p e r i m e n t r e s u l t st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc o l u l db ed r a w n ： 1 t h r o u g hr e f i n e m e n tw i t ha i t l 5 - b 1a n da g e i n gt h ep r o p e r t i e so fa 1 s i 7 c u 4w e r e 0 b = 2 3 0 8 5 m p a ，f i = 1 ，h b = 9 8 7 ；t h ep r o p e r t i e so fa i s i 9 c u 3w e r eo b = 1 9 8 m p a ，6 = 1 5 ， h b = 1 0 3 4 ；t h ep r o p e r t i e so fa i s i l 0 m gw e r eo b = 1 9 0 m p a ，8 = 2 5 ，h b = 8 1 0 3 a f t e r c o m p a r i n gp e r f o r m a n c e s eo ft h r e eb a s i c a lm a t e r i c a l st h r o u g ha i - t i 5 - - b 1 r e f i nw i t h a g e i n gt r e a t m e n t ，a i s i 7 c u 4a n da i s i 9 c u 3 i sp r e f e r a b l e 2 t h r o u g ht i z r - bf e f i nw i t ha g e i n gt r e a t m e n t ，t h ep e r f o r m a n c eo fa i s i 7 c u 4i s o b = 2 2 5 m p a ，6 = 1 7 5 ，h b = 1 0 2 4 6 ；t h ep e r f o r m a n c eo fa 1 s i 9 c u 3i so b = 2 0 7 5 m p a ， 6 = 2 2 5 ，h b - - 9 2 3 ；t h ep e r f o r m a n c eo fa 1 s i l 0 m gi s6 b = 1 8 7 5 m p a ，6 = 2 5 ，h b = 7 7 t h r o u g hc o m p a r i n gp r o p e r t i e so ft h r e eb a s i c a lm a t e r i c a l st h r o u g hr e f i n e m e n tw i t h n - z r ba n da g e i n gi tw a sf o u n dt h a ta i s i 7 c u 4a n da i s i 9 c u 3h a db e t t e rp e r f o r m a c e s 3 b e c a u s eo ft h e i rh i g h e rp r o p e r t i e sa 1 s i 7 c u 4a n da 1 s i 9 c u 3w e r ec h o s e nf o r f u r t h e rm i r o a l l o y i n ge x p e r i m e n t c o n s i d e r i n gt h ea c t u a lp r o d u c t i o nc o n d i t i o ni np r o j e c t i i i 铸造铝硅合金缸体材料多元微合金化研究 c o m p a n ya n de x p e r i m e n ts i m p l i f i c a t i o n ，t i - z r bw a sc h o s e nf o rr e f i n i n g i nt h e e x p e r i m e n t s 4 w i t ht h em e t h o do fo r t h o g o n a lt e s ta d d i n gl i t t l ee l e m e n t sn i ，c r , z na n dm ni n b a s i c a lm a t e r i a lo fa i s i 7 c u 4w a sr e s e a r c h e d t h eb e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r e o b = 2 5 9 8 5 m p a ，8 = 1 2 5 ，h b = 9 9 2w h e nn ia t ( 0 0 2 - 一0 0 3 ) ，c ra t ( 0 0 2 5 0 0 3 5 ) ， z na t ( o 6 - - 0 8 ) ，m na t ( o 1 5 - - - 0 3 0 ) c o m p a r e dw i t ho r i g i n a lp r o p e r t i e s ，t h e t e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s e db y2 4 8 5 m p a ，e x c e e dt h ee x p e r i m e n tr e q u e s to f2 4 0 m p a a l t h o u g hp l a s t i c i t ya n dh a r d n e s sr e d u c e dal i t t l e ，t h er e s u l t sw e r es t i l l s a t i s f i e d i n m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v i n gi tw a sf o u n dt h a tt h ep h a s eq 一b e c a m em u c hs m a l l e ra n d t h es h a r p n e s so fs iw a sm u c hr o u n d e ra f t e rm i c r o a l l o y i n g t h e r ew e r em o r em 9 2 s i ， c u a l 2s i t u a t e da r o u n dt h ec r y s t a le d g e e l e m e n tn if o r m e dt h i n n e rp h a s e ( a i c u s i n i ) a r o u n dc r y s t a le d g ea n dr e i n f o r c e dt h eb o u n d r i s m nw a ss o l u t i o n i z e di nc u a l 2a n d f o r m e d ( a 1 c u s i m n ) w i t hs i ，e n h a n c e dt h ee f f e c to fc u a l 2f o rc r y s t a le d g e ，i m p r o v e d t h es h a r p n e s so fs i m ni m p r o v e dt h eh a r mo ff eb yf o r m i n ga 1 3 ( f e 、m n ) a n di m p r o v e d m a t e r i a lp l a s t i c i t y n op h a s e sc a u s e db yc ra n dz nw e r ef o u n di nm i c r o s t r u c t u r e s 5 a l s ot h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n t sa d d i n gl i t t l ee l e m e n t sn i ，c r , z na n dm ni n b a s i c a lm a t e r i a lo fa i s i 9 c u 3w a st e s t e d t h eb e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r e 0 b = 2 4 2 5 m p a ，6 = 1 ，h b = 1 0 0 5w h e nn ia t ( 0 0 4 - 0 0 5 ) ，c ra t ( o 0 1 5 - - 。0 0 2 5 ) ， z na t ( 0 2 , - - - 0 4 ) ，m n a t ( 0 1 5 。0 3 0 ) c o m p a r e dw i t ho r i g i n a lp r o p e r t i e st h e s t r e n g t he n h a n c e dl a r g ea m p l i t u d eb y4 4 5 m p a ，b u ti th a r d l ym e e t st h ee x p r e m e n t r e q u e s t i na d d i t i o nt h ep r o p e r t i e sw e r en o ts t e a d y i nm i c r o s t r u c t u r eo b s e r v i n gi tw a s f o u n dt h a ta - a ib e c a m em u c hs m a l l e ra f t e rm i c r o a l l o y i n g s id i dn o ts t a yt o g e t h e ra n d l o o k e dl i k es m a l lp a r t i c l e s t h en i a l 3w a sf o r m e d ( a l c u n i ) b yn it h o u g he n c l o s i n gt h e c u a l 2 m nf o r m e d ( a l s i f e m n ) t ot u mt h ef e ss h a r p n e s sf r o ms p e c u l a t et os l i c e ， i m p a i r e di t sc r a c ke f f e c t n op h a s e sc a u s e db yc ra n dz nw e r ef o u n d 6 t h r o u g ha n a l y s i s o fe x p e r i m e n td a t a ，a i s i 7 c u 4c o u l d t o a l l y m e e tt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fc y l i n d e rb l o c kb ym i c r o a l l o y i n gw i t hn i ，c r , z na n dm nw i t h o u t s o l u t i o n i z i n g a 1 s i 9 c u 3c o u l dh a r d l ym e e tt h er e q u e s ta n dn o ts t e a d yi nt h es a m e c o n d i t i o n s k e yw o r d s ：a i s ia l l o y s ，m i c r o a l l o y i n g ，a g e i n gt r e a t m e n t ，o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 1 1 轿车发动机缸体材料的发展1 1 1 2 铝合金发动机缸体的生产工艺4 1 1 3 铝合金缸体的发展趋势6 1 2 铸造铝硅系合金的特点及发展7 1 2 1 铝硅系合金的分类及特点8 1 2 2 铝硅系合金的发展现状及趋势9 1 3 舢s i 合金材料的强化途径1 1 1 3 1 变质1 1 1 3 2 细化1 3 1 3 3 除气、除渣净化熔体1 4 1 3 4 热处理。1 5 1 3 5 合金化1 6 1 4 课题研究内容和方法1 8 1 5 课题研究的深远意义1 9 第二章试验内容及方法2 0 2 1 实验材料2 0 2 2 实验设备。2 1 2 3 实验方法2 1 2 3 1 配置炉料2 1 2 3 2 合金熔炼2 2 2 3 3 浇铸2 3 2 3 4 宏观力学性能测试2 4 2 3 5 微观组织分析2 5 第三章基础材料性能2 7 3 1 基础材料力学性能2 7 3 1 1 铝钛硼细化基础材料的力学性能2 7 3 1 2 钛锆硼细化基础材料的力学性能2 8 3 2 材料工艺性能2 9 3 3 铝钛硼与钛锆硼细化效果2 9 v 铸造铝硅合金缸体材料多元微合金化研究 3 3 1 热处理工艺对细化效果影响。2 9 3 3 2 细化机理及微观组织分析。3 2 3 4 本章试验结论3 7 第四章a 1 s i 合金材料微合金化3 9 4 1 正交实验介绍3 9 4 2 正交实验设计4 0 4 3 舢s i 7 c u 4 微合金化4 0 4 3 1a i s i 7 c u 4 正交实验数据处理4 0 4 3 2a i s i 7 c u 4 正交实验结果分析4 1 4 3 3a 1 s i 7 c u 4 正交实验结论验证4 9 4 4a i s i 9 c u 3 微合金化4 9 4 4 1a i s i 9 c u 3 正交实验数据处理4 9 4 4 2 a i s i 9 c u 3 正交实验结果分析5 0 4 4 3a i s i 9 c u 3 正交实验性能验证_ 5 7 4 5 微合金化显微组织分析及强化机理研究5 8 4 6 本章试验结论6 7 4 6 1 a 1 s i 7 c u 4 微合金化小结6 7 4 6 2a i s i 9 c u 3 微合金化小结6 8 4 6 3 微合金元素影响机制小结6 9 第五章结论。7 0 展望7 ： 致谢7 3 参考文献。7 4 硕士期间发表论文。7 7 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随茸? 汽车工业的高速发展，汽车已经越来越影响人们的工作、生活和学习。 与此同时，环境污染、能源短缺等一系列的负面效应也日益加重，环保问题越来 越受到世界各国的重视，因此减轻汽车重量、降低燃油消耗、减少尾气排放是未 来汽车发展的趋势，是当今人们所面临的一个重要而紧迫的问题【1 1 。而节约燃料、 保护环境、不断减轻汽车重量，就对汽车材料提出了更高的要求，增加铝合金材 料的使用量是其中的重要措施之一。自中东石油危机以来，汽车铝合金的开发与。 应用受到各国政府的广泛关注，并在人力、物力及财力上给予了大力的支持，铝 合金在汽车中的使用量也呈逐年上升趋势，这些需求促进了铝合金新材料和新技 术的研究和发展。 汽车零件中占总重量比例较大的部分是发动机、车身、底盘，其中发动机所 占比例大约为1 5 - 2 0 ，比例较大，因此减重的潜力也比较大【2 1 。采用相对密度 低、强度高、工艺成形性好的材料，以减小制件尺寸，提高零件之间的集成性， 从而减少多余的重量，并可简化制造工艺，降低生产成本。铝的相对密度为 2 7 9 e r a 3 ，各牌号铸铁为( 7 0 7 3 ) g c m 3 ，铸铝强度相当于灰铸铁，因此，铸铝的 比强度相当于灰铸铁的2 5 倍左右，以铸铝代铸铁，一般不需在尺寸上作重大调整 就能获得减重约6 0 的效果。目前国外汽车厂商纷纷全面采用铝合金缸盖缸体， 使全铝发动机从原来的高中档轿车( 宝马7 系列、奥迪a 6 、马自达6 等) 向经济 型桥车拓展( 如：p o l o 系列、标志3 0 7 等) 。相对而言，国内在高性能全铝发动机 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。 1 1 1 轿车发动机缸体材料的发展 1 灰铸铁气缸体 灰铸铁具有良好的铸造工艺性能和机械性能，优良的耐磨性、减振性和导热 性，是复杂零件的首先材料，特别是发动机缸体。随着材料技术的发展，出现了 铸造铝硅合金缸体材料多元微合金化研究 许多种替代材料，但灰铸铁仍然广泛用于各个工业领域【3 1 。铸铁件一般占各类零件 总产量的7 5 以上，而灰铸铁件产量又占铸铁件总产量的7 5 以上。随着科学技 术的发展和能源的消耗，对发动机缸体提出了节能减排的要求，因此，又开发出 了高强度高韧性薄壁灰铸铁缸体材料。 国外灰铸铁缸体生产工艺先进，经过几十年的研究和生产实践，缸体的材质 基本规范化，化学成分、材质牌号、本体硬度和金相组织等变化不大。国外气缸 体一般采用相当于我国的h t 2 5 0 或更高牌号的低合金铸铁，弹性模数为1 0 5 g p a - - 一 1 1 0 g p a ，珠光体控制在9 8 以上，为确保良好的铸造工艺性能，在化学成分的控 制上采用较高的碳当量( 3 9 - - , 4 i c e ) ，经常在材料中添加少量合金元素【4 】，例如， c r ：0 1 5 - - 0 4 0 和c u ：0 - 0 8 ，有的还含有m o 、n i 、s n 等元素，以提高铸 件本体的强度、硬度及其均匀性以及薄断面处的珠光体量( 一般大于9 5 ) 。国内的 同类铸件的使用性能和品质稳定性与国外相比还还存在着较大的差距，主要表现 为：强度低，当碳当量相同时，强度比国外低1 , - - 2 个牌号。其次，铸造工艺落后， 铸件壁厚较大，柴油机缸体铸件国内比国外重l o 以上，尤其是在耐磨性方面， 差距是很明显的。由于耐磨性与材料的综合性能密切相关，为满足发动机的不断 强化的要求，因此，改善气缸体的组织与性能和研究气缸体新材料与新工艺，提 高缸体的耐磨性和使用寿命，成为当前国内外学者和工程技术人员研究的重点之 o 2 蠕墨铸铁气缸体【5 】 铸铁机械性能的高低，是由其金相组织所决定的。由于灰铸铁中的片状石墨 长且薄，表面平坦，端部尖锐，在承受负荷时，尖锐的端部易产生应力集中，成 为铸件破坏的起点，造成铸件的强度和韧性下降，石墨虽然是优良的固体润滑剂， 能防止剧烈的磨损，但其平坦的表面易造成石墨脱落，同时尖锐的端部产生裂纹 扩展，反而会引起磨损的加剧，所以片状石墨的存在，使得为了满足更高的使用 要求而继续提高灰铸铁强度、韧性和耐磨性变得极为困难。因此，从某种意义上 来说，石墨的形态决定了铸铁件的性能。为迅速提高气缸体的性能，近年来，从 改海石墨形态的目的出发，蠕墨铸铁引起了国内外高度重视。蠕墨铸铁的石墨形 状与片状石墨相比，其长度较短而厚，端部较圆，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发生和扩展，粗糙的表面能限制 2 江苏大学硕士学位论文 石墨的脱离。这种独特的石墨形状，与灰铸铁相比，能大大提高抗拉强度、疲劳 强度、弹性模量和耐磨性等性能。 1 0 0 珠光体的蠕墨铸铁缸体的抗拉强度比珠光体狄铸铁高两倍，即使7 0 珠 光体的蠕墨铸铁缸体的抗拉强度也比珠光体灰铸铁高。蠕墨铸铁的弹性模量比灰 铸铁提高3 0 - - - 4 0 ，减少变形，降低振动，有利于缸体的轻量化。由于蠕墨铸铁 独特的石墨形态使其减少了裂纹的产生和扩展，因而：乓疲劳强度是灰铸铁的两倍。 采用简单的冶金技术，改变蠕墨铸铁的基体结构，能达到提高硬度等级的目的， 7 0 珠光体的蠕墨铸铁与1 0 0 珠光体的灰铸铁的硬度相同，且具有更高的抗拉强 度。由于蠕墨铸铁中的石墨表面粗糙，限制了石墨的脱离，使得石墨粒子在表面 长期存在，因此其耐磨性比灰铸铁高4 0 - - - 7 0 ，耐热疲劳强度和耐蚀性优于灰铸 铁【6 。 蠕墨铸铁具有如此优良的性能，用蠕墨铸铁替代灰铸铁气缸体材料，可以减 小缸体壁厚，减轻缸体质量，降低磨损和油耗，提高发动机效率和使用寿命【8 1 0 德 国o p e l 公司最先在奥佩尔赛车发动机上采用蠕墨铸铁材料，使发动机质量减轻 2 0 ，功率提高1 7 倍。蠕墨铸铁作为一种发动机零件用的新材料，作为一种定形 的铸铁合金而被列入正式标准。国外已在大功率发动机件、赛车及轿车发动机缸 体上应用。国内第二汽车制造厂已应用于排气管，无锡柴油机厂已批量生产蠕墨 铸铁缸盖。随着科学技术的进步与发展，对蠕墨铸铁组织与性能的认识不断深人 及生产工艺过程的不断完善，蠕墨铸铁以其在技术上、环境上和成本上能同时满 足各种要求而作为灰铸铁缸体的替代材料，其发展前景是毋庸置疑的。 2 铝合金气缸体 汽车工业正朝着轻量化、高速、舒适、节能、低排放的方向发展，越来越多 的汽车采用高性能的铝合金替代钢、铁等传统材料。汽车发动机的气缸体和气缸 盖均要求材料导热性能好、抗腐蚀性能高，而铝合金在这方面具有非常突出的优 势。使用铝合金缸盖和缸体可显著提高发动机和汽车的性能，还可使发动机的重 量减轻，发动机部件用铝合金取代铸铁可使发动机缸体减重3 0 以上。铝合金具 有比铸铁更高的导热性能，这有非常利于强化发动秽l 的散热，防止工作过程中的 局部过热。由于目前轿车大多采用发动机前置驱动，采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 3 铸造铝硅合金缸体材料多元微合金化研究 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【9 】。 由于重量轻、散热性好，功率大且节能环保，铝缸体目前主要应用于轻型车、 轿车及微型汽车发动机上。据资料介绍，美国汽车用铝缸体的数量以达到4 0 左 右，欧洲、日本汽车用铝缸体的数量也在与日俱增。汽车工业作为我国的支柱产 业，近年来已取得了较大的发展。但是，由于我国汽车工业起步较晚，汽车的重 量、铝化率与发达工业国家相比，尚存在较大的差距，铝在汽车上的应用水平较 低，我国目前生产的轿车最高用铝量仅为5 5 公斤每辆，只相当于日本8 0 年代中 期水平。并且国内还有许多铝合金缸体生产工艺瓶颈没有突破，因此制约了国内 铝合金缸的发展。 1 1 2 铝合金发动机缸体的生产工艺【1 0 】 ， 国内外汽车发动机铝缸体铸造方法较多，主要有金属型重力铸造、低压铸造、 压铸、消失模铸造、先进半固态铸造、以及c o s w o r t h ( 即冷芯盒组芯造型) 工艺 生产铝缸体。 1 金属型重力铸造生产铝合金汽缸体【l l 】 金属型重力铸造工艺特点是用重力浇注法将液体金属浇入金属型，形成铸件， 铸件品质比砂型铸造好，是生产较高质量铸件的传统方法。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 万美元建成一个铝合金铸造厂，采用金属 型重力铸造方法，生产铝气缸体和铝气缸盖。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 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。 国内苏州明志科技公司最近出开发出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 4 江苏大学硕士学位论文 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。 2 低压铸造工艺生产铝合金汽缸体【1 2 1 低压铸造是铝液在很低的压力( 约3 0k p a ) ，由下而上充填型腔，通常采用金 属型和砂型，该法的主要优缺点： 1 ) 铸造材料利用率非常高，可以大幅度降低材料费和加工费；2 ) 容易形成 定向凝固，内部缺陷少；3 ) 可以使用砂芯；4 ) 生产周期长，生产率低，虽充型 时间一般仅需( 1 0 - - 1 5 ) s ，但保压时间则需( 3 - - - ，6 ) m i n ，整个生产循环达( 1 0 1 1 ) m i n 。 3 压铸工艺生产铝合金汽缸体 压铸作为铸造业中一种先进的有色合金精密成型技术，在产品向精密化、轻 量化、节能化和绿色化的发展趋势中，采用压铸工艺生产汽车发动机铝缸体是最 广泛、最普遍采用的方法之一【1 3 4 1 。 压力铸造是目前铝合金缸体铸件最主要的生产工艺，如德国的 d a i m l e r - c h r y s l e r 公司和爱肯公司、瑞士的g f 公司、挪威的h y d r o 铝业公司等均 采用压铸工艺。压铸法具有高效率高工艺稳定性的特点，生产的铸件也具有尺寸 精度高和表面光洁度好优点。但压铸工艺须采用金属型芯，产品的结构受限制， 只能铸造开舱结构的缸体，压铸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，并使得压铸铝缸体无法通 过固溶强化，来改善和提高机械性能。 4 消失模铸造工艺生产铝合金汽缸体 消失模铸造可以生产出薄壁、零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。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 5 】。 美国通用汽车公司采用全自动消失模铸造生产线生产铝合金缸体。德国大众 汽车公司采用4 条铝合金缸体消失模铸造生产铝合金缸体。中国长沙发动机总厂 ( 长发精铸有限公司) 1 9 9 6 年引进意大利法塔铝公司消失模铸造生产线，其生产 铝合金缸体效率为2 0 箱h 。 5 先进半固态铸造技术生产铝合金汽缸体【1 6 】 5 铸造铝硅合金缸体材料多元微合金化研究 本田公司开发出“先进半固态铸造技术 ，并在其最新的2 2 l 柴油机