發動機鑄鐵材料導熱性能研究

金通 袁福安 康明 涂欣達 劉詩逸

摘要：本文研究了發動機鑄鐵材料的組織和化學成分對其導熱性能的影響。試驗結果表明：灰鑄鐵的熱擴散性能明顯優于蠕墨鑄鐵，但隨著溫度的升高其差別越小;灰鑄鐵碳含量越高熱擴散性能越好，蠕墨鑄鐵蠕化率越高熱擴散性能越好;化學元素中Si能夠明顯降低鑄鐵熱擴散性能，而其他合金元素對熱擴散性能影響較小。

主題詞：熱應力;熱擴散率;缸蓋;鑄鐵

中圖分類號：TG143? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：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

汽車發動機作為核心零部件，也是工作環境最惡劣的部件之一，承受較大的機械負荷和熱負荷。隨著發動機的爆壓不斷提升，市場上經常出現疲勞失效開裂。目前高功率柴油發動機缸體缸蓋普遍使用灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵材質。蠕墨鑄鐵擁有較高的強度和剛度，而灰鑄鐵雖然力學性能較低，但擁有較好的導熱性能。發動機材質除了需要有良好的力學性能外，還需要良好的導熱性能，以快速傳遞熱量，防止熱機疲勞及變形的產生。鑄鐵的導熱性能與力學性能一樣，與其石墨性能、分布和化學成分有關。因此，研究鑄鐵組織成分對導熱性能和力學性能的影響，對發動機選材具有重要的指導意義。

發動機缸蓋受力比較復雜，同時承受缸蓋螺栓預緊力、閥座壓力、鑄件殘余應力、溫度變化產生的熱應力和爆壓產生的機械應力。其中螺栓預緊力、閥座壓力和殘余應力為恒定載荷，其應力隨發動機的運行不發生較大的變化。而熱應力和機械應力為周期載荷，載荷隨時間變化非常復雜。當缸蓋某部位的應力值超過材料的許用應力時，便會發生失效風險。其中，缸蓋失效主要是由熱應力和機械應力造成的。缸蓋的熱應力要大于機械應力，特別是大缸徑內燃機鑄鐵缸蓋的熱應力[1]。熱應力是溫度改變時，物體由于在外在約束以及內部各部分之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮而產生的應力。熱應力大小可參考以下公式[2]：

式中：B熱-熱應力，α-熱膨脹系數，E-彈性模量，△T-溫度變化，F形狀系數，μ-泊松比。形狀系數和泊松比隨溫度變化不大，灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵的熱膨脹系數基本一致。因此鑄鐵熱應力大小主要取決于彈性模量和溫度變化。溫度變化由材料的導熱性能決定，衡量材料導熱性能高低的指標主要是熱導率和熱擴散率，兩者關系如公式（2）所示：

式中：K-熱擴散率式， λ-熱導率，ρ-密度，Cp-比熱容。其中熱導率表征物體傳導熱量速度快慢的物理量，目前大部分研究主要關于鑄鐵的熱導率，熱擴散率研究較少。熱擴散率表征物體溫度變化快慢的物理量，物體的熱擴散率越大，表明物體在加熱或冷卻中，溫度區域均勻一致的能力越強。熱擴散率更能反映物體的溫差和冷卻效率，因此，本文主要研究了鑄鐵中組織和成分對熱擴散率的影響。

2? ? 試驗方法

材料導熱性能的測試方法眾多，大體可分為穩態法與瞬態法兩大類。現有的穩態法（包括熱流法、保護熱流法、熱板法等）僅適用于在中等溫度下測量中低導熱系數材料。瞬態法則應用范圍較為寬廣，尤其適合于高導熱系數材料以及高溫下的測試，其中最具代表性、應用范圍最廣泛的方法為閃光法，或稱為激光閃射法，閃光法也是測試金屬材料導熱性能的最優方法[3]。

本文所用的測試方法為閃光法，采用耐馳LFA457 激光導熱儀測試。其原理是，在一定溫度下，激光源瞬間發射一束光脈沖，使樣品一側表面瞬時升溫，并作為熱端將能量以一維熱傳導方式向冷端（另一側樣品表面）傳播，紅外檢測器連續測量冷端的溫升過程得到半升溫時間t1/2。理想條件下該溫度下的熱擴散率K可由公式（3）得出：

而對于實際測量過程中對理想條件的任何偏離需使用適當的數學模型進行計算修正。本文試驗采用“Cowan+脈沖修正”進行熱損耗修正。

試驗材料采用中頻爐進行熔煉，按照方案設計進行配料，將鐵水化學成分調整到目標值后，進行孕育和蠕化處理，當溫度達到1400℃時進行澆注。對鑄造試樣切割成直徑12.7mm厚度3mm的導熱試樣，在熱擴散儀上測試其在50℃、100℃、200℃、300℃和400℃溫度下的熱擴散系數，采用氦氣進行保護。

3? ? 試驗結果及分析

鑄鐵的熱擴散性能主要由組織和化學成分決定。組織由石墨、基體和碳化物等組成，鑄鐵的導熱性能不僅與組織中各組成相的導熱性能有關，還與其數量、形態和分布有關。鑄鐵中各組成相的導熱性能相差極大，其中石墨的導熱性能要遠高于其他相，石墨對鑄鐵導熱性能的高低有決定性的影響。而化學元素主要通過其加入量和存在形式來影響鑄鐵的組織形成，從而影響鑄鐵的導熱性能[4， 5]。因此，本研究針對鑄鐵的組織和化學成分共進行兩組試驗。實驗一：研究石墨的數量和形態對鑄鐵熱擴散性能的影響。實驗二：研究化學元素對鑄鐵熱擴散性能的影響。

3.1? ?石墨組織對鑄鐵熱擴散性能的影響

本研究通過試驗發現： 石墨的形態和數量對鑄鐵導熱有著重要的影響，在一定Si/C比情況下，灰鑄鐵的碳含量雖然遠遠低于蠕墨鑄鐵，但其熱擴散率要高于蠕墨鑄鐵， 但隨著溫度的升高其差別越小;灰鑄鐵的碳當量越高熱擴散率越高，蠕墨鑄鐵蠕化率越高熱擴散率越高。不同鑄鐵材料的熱擴散率和化學成分如表1和表2所示。

鑄鐵的大部分熱量靠石墨傳導，石墨量越多，導熱性能越好。灰鑄鐵共晶團較大，不同共晶團的石墨彼此有一定的互相鑲嵌和接觸，而蠕墨鑄鐵共晶團較灰鑄鐵小，不同共晶團的石墨之間沒有接觸，蠕鐵中石墨導熱能力不如灰鑄鐵。隨著蠕化率的降低，蠕蟲狀石墨逐漸變短而彎曲，端部更圓鈍，部分蠕蟲狀石墨衰退成球狀石墨，球狀熱量需要通過鑄鐵基體才能進一步傳導，球狀石墨越多導熱能力越差。

隨溫度的升高，灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵的導熱性能的都變小，而灰鑄鐵導熱性能隨溫度變化速率下降更快。在50℃時，灰鑄鐵熱擴散率比蠕墨鑄鐵高25%，而當溫度提高到400℃時，其熱擴散率僅比蠕鐵高5%。這是因為隨溫度的升高，石墨要部分揮發，并且鑄鐵內部原子熱運動加劇，阻礙熱量的擴散，石墨對鑄鐵導熱性能的作用減小。

3.2? ?化學元素對鑄鐵熱擴散性能影響的研究

本研究通過試驗發現：化學元素中Si元素明顯惡化鑄鐵的導熱性能，其他元素影響較小，可以通過調整合金元素含量，實現在不降低鑄鐵導熱性能的前提下，明顯提升其力學性能，保證鑄鐵材料的可靠性。

鑄鐵中的元素除C以外Si的含量最多，其含量對鑄鐵熱擴散性能的影響如表3所示。從試驗結果可知，Si嚴重惡化鑄鐵的熱擴散性能。Si的含量由1.94%增加到2.35%，熱擴散系數下降7%左右。Si雖然在凝固過程中促進石墨化，但Si易固溶于奧氏體或鐵素體中，使熱量的擴散在基體中受阻，惡化鑄鐵導熱性能。對于缸體缸蓋這類承受較大熱疲勞的鑄鐵零件，其Si/C比對鑄鐵力學性能基本無影響，但對導熱性能影響較大，因此此類零件易采用高C低Si化學成分。

一般情況下，凡是加入鑄鐵后能增加石墨數量的元素則有利于鑄鐵導熱性能，而易形成碳化物的元素不利于導熱。其他合金元素在鑄鐵中的加入量很少，基本可以分為兩類：石墨化元素（Cu、Ni等）和碳化物形成元素（Cr、V、Nb等）。表4為灰鐵1#缸蓋成分優化前后的熱擴散性能對比，表5為灰鐵1#缸蓋成分優化前后的力學性能對比。對灰鐵1#缸蓋材料中的石墨化元素Cu、Ni的含量分別降低0.3%、0.45%，同時碳化物形成元素Nb、V、Cr的含量分別增加0.04%、0.04%和0.1%，熱擴散系數相差不大，但常溫和高溫力學性能可提升10%左右。因此，可以通過調整化學元素（C、Si除外）在不明顯影響材料導熱性能的基礎上，大幅度提升其力學性能，提升材料的可靠性。

4? ? 結束語

本試驗系統研究了發動機鑄鐵材料的石墨組織和化學成分對其導熱性能的影響，石墨的形態和數量對鑄鐵的導熱性能具有非常顯著的影響，而鑄鐵中其他化學成分的影響較小。灰鑄鐵的熱擴散性能明顯優于蠕墨鑄鐵，但隨著溫度的升高其差別越小;灰鑄鐵碳含量越高熱擴散性能越好，蠕墨鑄鐵蠕化率越高熱擴散性能越好;化學元素中Si能夠明顯降低鑄鐵熱擴散性能，而其他合金元素對其影響較小。由于發動機用鑄鐵材料同時承受較大的機械負荷和熱負荷，材料的選用和優化要根據實際情況同時兼顧其力學性能和導熱性能，保證零件的可靠性。

參考文獻：

[1]白亞平，李建平，田佳，等. 某型鑄鐵缸蓋組織和性能分析[J]. 鑄造技術，2016（10）：2132-2135.

[2] K、Roehrig，李和. 灰鑄鐵和球墨鑄鐵的熱疲勞[J]. 國外機車車輛工藝，1980（6）：8-20.

[3]陳靜，楊大壯，王濤. 基于一維穩態縱向導熱法對幾種鑄鐵材料熱物理性能的研究[J]. 熱加工工藝， 2018，47（22）：102-104.

[4]郭廣文，馬惠霞，張健. 鑄鐵的熱物性測定及其與顯微組織的關系[J]. 理化檢驗-物理分冊，2005，41（1）.

[5]范洪遠，李偉，唐正華. 鑄鐵的熱導率與化學成分[J]. 中國鑄造裝備與技術， 2000，000（002）：13.