離心“蘑菇頭”氣缸套對石墨形態的試驗影響研究*

劉建軍 吳 龍 高 浩

(1－三明學院機電工程學院 福建三明 365004 2－三明機械CAD工程研究中心3－福建三明高新技術產業開發區博士后工作站 4－福建匯華集團東南汽車缸套有限公司)

引言

全鋁發動機由于散熱快、節能減排效果顯著，是汽油發動機的發展方向。鑲嵌鑄鐵缸套的全鋁發動機，比傳統的鑄鐵發動機重量減少30%，中低速扭矩提高10%，高速端功率提高8%，燃油經濟性提高5%。在限定NOx排放量的基礎上，HC排放量最大可減少25%;然而鑄鋁與鑄鐵熱膨脹率不統一，變形一致性出現問題，這是鑄鋁缸體在鑄造工藝上的一個難題［1、2］。

1 技術性能

筆者開發的產品通過在缸套表面形成“蘑菇頭”，加大鋁液與缸套外表面的接觸面積來解決這個難題。此種“蘑菇頭”缸套研發成功首先應用在匯華集團與浙江吉利集團合作開發的“中國龍”“FC－1”車鋁缸體發動機上。此發動機雖然只有1．8L排氣量，卻擁有2．4L功率輸出，耗油少，功率大，與豐田最近宣布的世界最高水平的發動機一致。該產品經過教育部科技查新工作站NO．5的查新、閩教科評字2013［34］的評審意見以及福建省產品質量檢驗研究院的檢測報告得出:國內無同類產品，“蘑菇頭”氣缸套的橫截面如圖1所示。技術性能指標能夠滿足發動機的要求，技術成果達到國內領先水平。該產品國內缸套企業都沒有生產，只有一家日資企業——安慶帝伯格茨缸套有限公司生產同類產品，與同類產品比較如表1所示。

圖1 “蘑菇頭”氣缸套橫截面圖

表1 與國外同類產品的性能比較

此種缸套金相組織要求嚴格，缸套磨損面上石墨為，A型4～7級，至少占50%;B型4～7級，不超過50%。但是由于此種缸套外圓沒有加工，對于金屬型離心鑄造，壁厚只有8mm，這么薄的缸套，要想得到A型石墨，難度很大。為了得到較佳的石墨形態，筆者采用均勻實驗設計方法對涂料保溫性能、澆注工藝、熔煉工藝等參數進行優化［3］。

2 涂料保溫性能的研究

石墨組織是在共晶轉變過程形成的，促進A型石墨形成，鐵水凝固過程中應盡量緩慢，要求涂料必須有很好的保溫性能，涂料保溫性能研究如下。

2．1 材料的選擇

提高涂料的保溫性能耐火材料要盡量選取耐火度高、傳導系數小、流淌性好、熱化學穩定性好、顆粒細、成本低的材料。配置的涂料要具有很好的懸浮性、流淌性和耐高溫性。涂料的主要成份——石英粉必須引起高度重視，不僅對粒度有嚴格的要求，而且對SiO2含量有嚴格要求［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)。要保證涂料有很好的懸浮性、流淌性，就要求必須有合適的膨潤土。要使膨潤土和石英粉加水以后能脹開象一朵花一樣，從而保證涂料充分攪拌后，無團塊狀出現。筆者選擇了膠質價高的紅火山膨潤土和信陽膨潤土，粒度指標為95%通過200目篩子，(SiO2+Al2O3)含量大于80%。

2．2 涂料配比研究

選材很重要，但配比也是關鍵。涂料要有很好的懸浮性能，但不能太稠，太稠則涂料噴涂性能太差。紅火山膨潤土懸浮性能非常好，涂料強度高，但增稠效果太強，涂料太稠，涂料噴不出來。加入少則涂料強度低，懸浮性能差。為了解決這個矛盾，須兩種膨潤土搭配，總加入量以及配比試驗如表2所示。

表2 膨潤土配比試驗表

結果表明膨潤土總量6%，紅火山膨潤土3%和信陽膨潤土3%;膨潤土總量5%，紅火山膨潤土3%和信陽膨潤土2%及紅火山膨潤土2．5%和信陽膨潤土2．5%三種搭配方案都能滿足懸浮性和噴涂性能。按照最容易噴的原則，選擇了紅火山膨潤土2．5%和信陽膨潤土2．5%的配比。

2．3 石英粉配比及水加入量研究

如果只選擇單一粒度的石英粉，就象一個一個乒乓球堆積在一起，中間有很多縫隙，保溫性能差，兩種以上的石英粉搭配就象乒乓球之間縫隙倒入了砂子，明顯可以提高涂料保溫性能［5］。筆者選取200目和320目石英粉搭配。水加入量對涂料保溫性能也非常敏感，水太多，涂料太稀，降低模具溫度，產生過冷石墨;水太少，涂料濃，噴不出來。研究如表3所示。

表3 石英粉配比及水加入量試驗表

結果表明:

1)同樣的加水量，200目和320目石英粉各一半47．5%，金相組織最好。

2)外加入75% ～80%的水，蘑菇頭和石墨組織最好。

2．4 涂料配置工藝的研究

1)膨潤土攪拌時間

定量加入水，攪拌1h、2h、3h、4h觀察膨潤土懸浮情況，4h膨潤土充分溶解懸浮。

2)石英粉攪拌時間

膨潤土攪拌好后，加入石英粉，通過觀察涂料的懸浮性和均勻性，得到結論:石英粉需至少攪拌2h以上。

3)調節劑A的加入

調節劑熱水熔化后加入，攪拌 5min、10min、15min，觀察發泡情況，攪拌10min最合適。

最后涂料過濾，加入涂料桶。

2．5 涂料厚度的研究

涂料厚度影響涂料的保溫性能、出模性能、蘑菇頭分布、金相組織、廢品率等，筆者對涂料厚度進行了研究，如表4所示。

3 澆注工藝的研究

圖2為硼鑄鐵典型的微分熱分析曲線［6］。曲線上每一個峰值對應著一個新相的析出的凝固過程，dT1/dt為頂點的第一個峰值對應著初生奧氏體的結晶。dT2/dt為頂點的第二個峰值對應著奧氏體－石墨的共晶凝固。要穩定得到A型石墨，必須在第一、二個峰值有較低的冷卻速度，這就要求有足夠的來水時間，但來水時間過長，生產效率太低。來水時間研究如表5所示。

表4 涂料厚度對性能指標的影響

結果表明:涂料厚度在0．8～1．2mm范圍內為最佳。

圖2 硼鑄鐵的典型微分熱分析冷卻曲線

表5 來水時間對石墨組織形態的影響

結果表明:來水時間大于15s，滿足要求。從生產效率考慮，選擇來水時間為15s。

4 熔煉工藝研究

4．1 硅的合理搭配

鑄鐵鐵液的冶金質量是獲得優質鑄鐵件的基礎，因此必須重視鐵液的冶金質量。碳和硅是鑄鐵的主要成份，又是強烈促進石墨化的元素。碳含量太高，石墨長度容易超長，因此筆者沒有進行調整。硅增加硬度只有碳的三分之一，在生產中主要對硅含量進行了調整，試驗如表6所示。

表6 硅對石墨組織形態的影響

結果表明:硅含量控制在2．5～2．7%石墨優良，對鐵素體和碳化物沒有影響。硬度也控制在中線，為最佳范圍。

4．2 改變爐料組成

廢鋼雜質含量少，經過高溫熔煉后，可以消除微量元素的影響。廢鋼在重新熔化過程中，吸收N和B形成BN，BN可作為晶核核心，改善孕育，優化石墨組織。本項目保證每一批料中加入至少10%的廢鋼后，石墨組織明顯改善，A型石墨達到80%以上。

4．3 孕育處理的研究

孕育處理是在鐵液進入鑄件型腔前，把孕育劑附加到鐵液中以改變鐵液的冶金狀態，從而改善鑄鐵的冶金性能。它可以控制石墨形態，減少過冷石墨和共生鐵素體的形成，以獲得中等大小的A型石墨。瞬時孕育也有它獨特的好處，它可以增加石墨核心，延長孕育衰退時間。瞬時孕育一般采用75SiFe，其粒度小于1mm。對其加入量進行了研究如表7所示。

表7 瞬時孕育對金相、澆注溫度的影響

結果表明:0．15% ～0．2%的瞬時孕育量為最佳控制范圍，此時A型石墨至少85%以上。

5 結論

通過生產實驗對涂料保溫性能、澆注工藝、熔煉工藝等參數進行優化，得到結論如下:

1)涂料配方:0．15 ～0．17%的調節劑 A+47．5%的200目石英粉+47．5%320目石英粉+0．25%紅火山膨潤土 +0．25%信陽膨潤土，外加水 75%～80%;

2)涂料配置工藝:加入水和膨潤土攪拌4h，再加入石英粉攪拌2h，再加入調節劑A攪拌10min，過濾加入涂料桶;

3)涂料厚度在0．8～1．2mm范圍內為最佳;

4)來水時間為15s，滿足性能要求;

5)熔煉工藝:化學成份控制: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;

爐料搭配:至少加入10%的廢鋼;

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

該產品小批量向浙江吉利集團供貨。經過浙江吉利集團臺架試驗，本產品從外觀、金相組織、耐磨性和活塞環配副性都能滿足發動機的要求。

1 翟寧．低頻振動刮削式微坑加工機理及實驗研究［J］．小型內燃機與摩托車，2012，41(3):36～39

2 周華祥，寧朝陽．低排放高熱效率長壽命氣缸套的改進［J］．小型內燃機與摩托車，2008，37(3):54～58

3 周超梅，解生澤，李俊玲．氣缸套離心鑄造工藝與性能研究［J］．汽車工藝與材料，2003(4):20～21

4 繆興平，夏園．離心鑄造干濕式缸套毛坯余量對石墨形態影響［J］．內燃機與配件，2012(2):13～14，22

5 汪立亮，徐淼．內燃機氣缸套新材料的開發［J］．小型內燃機與摩托車．2000，29(4):41－44

6 尹英杰．離心球墨鑄鐵套石墨組織的改進［J］．大型鑄鍛件，2006(2):19～21