提高小型發動機氣缸組件質量的探究

莫持標

（江門職業技術學院，廣東江門 529090）

1 概述

氣缸組件包括氣缸體和氣缸蓋。氣缸組件是小型發動機的主要零部件之一，對整機的性能影響很大。常用小型發動機氣缸體是雙金屬鑲鑄件，含鑄鐵缸套和帶散熱片的鋁合金Y112 外殼。原生產工藝上，要求對此種氣缸體進行淬火和完全人工時效處理，實踐表明，淬火和完全人工時效處理使氣缸體表面嚴重起泡，缸套脫離，產生嚴重質量問題。因此，Y112鋁合金氣缸體作為一般壓鑄件不宜采用淬火和完全人工時效的熱處理，即T6熱處理[1]。

南方某汽油機廠在生產初期，小型發動機氣缸蓋低壓鑄件質量不理想，鑄件不合格率曾一度超過40%，后經過多方研究和改進，使該鑄件不合格率大幅降到10%以下。氣缸蓋所用材料為鋁合金ZL104。鑄件帶有厚2 mm，高40～50 mm的散熱片，而氣缸蓋壁厚度只有5～10 mm。影響氣缸蓋鑄件質量的主要因素是鑄造工藝和鑄型排氣條件，低壓鑄造出現的缺陷主要是夾氣和夾渣等。合理設計鑄型工藝是低壓鑄造獲得優質鑄件的必要條件。鑄型工藝涉及的因素較多，主要有鑄型材料如型砂、金屬模型材料、澆注系統的結構、澆注位置與鑄件結晶的確定、鑄型排氣通道的布置、鑄型開與合情況、冷卻條件的控制等。生產表明，氣缸蓋壓力鑄造（高壓）能有效提高氣缸蓋鑄造質量。

2 Y112鋁合金壓鑄氣缸體熱處理試驗

Y112 鋁合金是我國編制的一種壓鑄鋁合金。Y112是代號，牌號為YZAlSi9Cu4，成份如下：

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

小型發動機氣缸體一般采用雙金屬鑲鑄件，外層金屬為帶散熱片的鋁合金，內層材料為硼鈦或高磷鑄鐵的耐磨缸套[2]。

2.1 試驗過程

以170F柴油機與本田CG125摩托車氣缸體作為試驗對象。170F柴油機氣缸體與原裝日本本田摩托車CG125 氣缸體均為鋁合金包鑄鐵雙金屬鑲鑄件。將170F整體氣缸體和解剖開的本田摩托車CG125 半邊氣缸體裝入爐，另外半邊氣缸體放在爐外。為了使銅達到固溶強化，需要把試驗對象放在爐內加熱至515 ℃～525 ℃，并在爐內保溫較長時間后才能淬火。具體試驗情況如下。

將試驗對象放入爐中，控制爐內的溫度：每小時升溫約100 ℃，在515 ℃±5 ℃范圍保溫2 小時，取出試驗對象觀察并淬入溫水中。

170F柴油機氣缸體：鋁合金表面起泡，缸套離層。

CG125 本田摩托車氣缸體：鋁合金表面起泡，入爐的半邊氣缸體比不入爐的半邊增高大約2.5 mm。

2.2 試驗情況分析

（1）對不采取特殊壓鑄工藝如真空壓鑄、充氧壓鑄、擠壓鑄等的一般壓鑄件，因為壓射的鋁合金液體在高壓高速下充型，型腔內原有的氣體在極短的時間內不能及時排出，被金屬壓縮包容在鑄件內，就在工件內形成小氣孔。這些小氣孔在高溫作用下就必然膨脹，導致氣泡產生，鑄件表面出現不平整或變形，直接影響鑄件質量[3]。

170F柴油機氣缸和本田CG125摩托車氣缸在熱處理T6淬火溫度下產生氣泡，表明一般壓鑄件不能采用T6 熱處理。試驗時候只保溫了兩小時，如果在生產中正式進行T6熱處理，保溫時間要超過兩小時，工件將會出現更大的問題。

（2）因不同材料的熱膨脹系數不同，T6熱處理引起嵌鑲壓鑄件尺寸變化，缸套脫離，產生嚴重質量問題；同時，經檢測，本田CG125 摩托車氣缸體屬一般壓鑄件，并沒有經過熱處理而使用。兩方面充分說明，采用一般壓鑄件生產的氣缸體不能進行T6熱處理。

（3）鋁合金經過T6 熱處理，性能可得到改善，能獲得最大限度的硬度和強度。但對摩托車氣缸體來說，鑄鐵缸套的耐磨性和鋁合金外殼的散熱性是主要的。所選擇的鋁合金在熱處理前已具備較好的強度、硬度（其抗拉強度σb=2.4 MPa，硬度為HB85，延伸率δ=1%），其性能已滿足使用要求，若再用T6熱處理工藝進一步強化其強度和硬度，就顯然沒有必要。

（4）對摩托車鋁合金氣缸體進行T6 熱處理，需時多耗電大，增加成本，影響效率，經濟上顯然也不合算。

3 氣缸蓋低壓鑄件的主要缺陷及改進

（1）氣孔。鑄件內部存在的氣體所形成的孔洞。經統計分析，南方某汽油機廠氣缸蓋低壓鑄件上的氣孔或夾氣約占鑄件總缺陷的40%。影響氣孔或夾氣主要是鑄型的排氣條件和澆注充型速度。氣孔或夾氣的形成往往在氣缸蓋葉片的“死角”處、頂部或通道旁。

要避免出現氣孔或夾氣，采取以下措施：①要控制金屬液流速不能過快，同時要增設溢流槽和排氣道；②氣孔的產生還在于型芯熾透程度低，含水氣量大，低壓鑄造用的模具在噴刷涂料時要預先加熱到150 ℃～250 ℃，降低含水量，為了發揮模具或型芯表面涂料原有的氣泡“蓄氣庫”作用，減少鑄件產生氣孔的可能性，模具涂料層厚度一般要控制在0.1～0.3 mm范圍內，涂料過多或涂料中的稀釋劑沒有徹底揮發就合模澆注，也容易產生氣孔；③對合金液充分排氣，控制熔化溫度和澆注溫度；④開模過早也是形成這一缺陷的原因之一，故要注意不能開模過早。

（2）夾渣及氧化皮。此類缺陷約占鑄件缺陷的20%。氣缸蓋低壓鑄件斷面上有不規則的明孔或暗孔，孔內常被熔渣充塞，此類缺陷稱為夾渣。氧化皮在低壓鑄件內部有不規則的點或小塊，外形呈薄片、皺皮或團絮狀。低壓鑄件夾渣和氧化皮主要是金屬液含有雜物和氧化所致。

改進的主要措施：①使用潔凈的合金材料，控制回爐料比例；②進行精煉除氣，將合金液中的熔渣清除干凈；③澆勺取液澆注時，應盡量避免混入熔渣或氧化皮；④適當降低保溫溫度和減少保溫時間。

（3）縮孔和縮松。鑄件內部收縮形成的孔洞，形狀和分布不規則，大而集中的孔稱為縮孔，小而分散的稱為縮松。鑄件壁厚變化大，冷卻條件較差，補縮困難，容易出現內、外縮孔和縮松，約占鑄件缺陷10%?？s孔和縮松通常在探傷或機械加工時才能被發現。產生縮孔和縮松的主要原因是澆注溫度過低或金屬液在鑄型中順序凝固條件較差；其次受合金液成份、鑄型涂料厚度、冷卻速度和鑄型結構的影響。

改進的措施：①合金液冷凝過程未得到補縮而形成的縮孔，如因澆注溫度不適宜（如溫度過高），應保證合適的澆注溫度，同時使模具保持適宜的工作溫度，減少鑄件收縮量；②如因鑄件結構有熱節，壁厚不均勻，則應改進設計，消除或減少熱節；③如因澆注壓力低，應提高壓力，以利補縮；④如因溢流槽容量不足，溢口過薄，則應增加溢流槽容量，增厚溢口。

（4）澆不足。金屬液未充滿型腔，鑄件表面有不規則的孔洞、凹陷、棱角不齊、輪廓不清或鑄件形狀不完整。此類缺陷約占鑄件缺陷的20%。澆不足的主要原因是合金液流動性不良、金屬液過早凝固、型腔困氣使金屬液充填受阻，造成充型不完全。

改進的措施：①提高澆注溫度、模具工作溫度，強化金屬液的流動性和充型能力；②改善充型條件，在澆不足部位加設溢流槽或排氣槽，在深凹型腔處可設通氣塞，轉角處取圓弧過渡；③修改澆注系統，改變充型模式，改善型腔排氣。如內澆口截面太小，則應適當增大。

4 結論

（1）用于小型發動機氣缸體壓鑄的Y112鋁合合金含有銅、鎂等元素，特別是銅含量較高，其三元化合物Al2CuMg 強化相的結構比較復雜，引起周圍晶格變形比較大，強化效果也較大，能較好地形成合金中的時效強化相；經T6熱處理可取得第二強化相，可獲得最大限度的硬度和強度，但同時會導致其他嚴重質量問題。經試驗和分析得出：對小型發動機氣缸體一般壓鑄件，不進行T6熱處理。

（2）小型發動機氣缸蓋低壓鑄件缺陷產生的原因是錯綜復雜的，有時同樣的原因可能會產生不同的鑄造缺陷；有時不同的原因可能導致相同的鑄造缺陷。因此，要對鑄件缺陷的成因作具體的分析，才能找出真正的原因，采取有效的改進措施益，保證鑄件的質量。要獲得優良的鑄件，必須要有正確的鑄造工藝。需要指出，小型發動機氣缸蓋的鑄造，可采用壓力鑄造。采用壓力鑄造氣缸蓋容易獲得組織致密、輪廓清晰的鑄件，其表面質量和尺寸精度總體高于低壓鑄造的鑄件。

［1］施廷藻，玉玉瑋.鑄造實用手冊：第1 版［M］.沈陽：東北工學院出版社，1988.

［2］林本釗.對摩托車用汽缸壓鑄件要求T6熱處理的探討［J］.五邑大學學報：自然科學版，1998（2）：63-65.

［3］盧宏遠，董顯明，王峰.壓鑄技術與生產［M］.北京：機械工業出版社，2008.