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1、汽车工程材料论文汽车发动机缸体的选材及加工黄文涛（湖北汽车工业学院材料科学与工程学院）摘要 发动机是汽车最重要的组成部分，它的性能好坏直接决定汽车的行驶性能，故有汽车心脏之称。而缸体又是发动机的基础零件，通过它把发动机的曲轴连杆机构和配气机构以及供油、润滑等系统连接成一个整体。一般四冲程汽油发动机的热效率为20%-25%，即使是高性能的发动机，其热效率也不到30%。大量的热量散失，其中排气损失约占总能量的40%左右，运动机件的摩擦损失10%左右，最后20%是冷却损失。本文将综述介绍该零件在不同汽车公司的材料选择和制造工艺，同时也将展望未来可能应用在发动机缸体上的新材料。英文摘要 A very

2、popular subest abred for investigation at present is the application of high temperature ceramics-new high temperature structural materials as subetites for metals in the manufacture of engines. The authors present the outstaying features,mufacturing.关键词 汽车发动机缸体；铸铁；铝合金；陶瓷；性能；制备；正文1 零件的工作条件、失效方式及性能发动

3、机是汽车最重要的组成部分，缸体是发动机的基础零件，通过它把发动机的曲轴连杆和配气机构以及供油、润滑等系统连接成一个整体，缸体内部气缸与活塞相连，长期处于高温、高压、润滑不良条件下工作。气缸外部与大气相连，因此需要冷却。带走大量的热能。气缸在工作过程中容易因为磨损、剥落、拉缸、腐蚀、气蚀而失效。因此，发动机气缸应达到耐高温、耐磨、热胀系数小、抗热胀性能好、化学稳定性能好等诸多要求。而随着对汽车轻量化和保护环境的要求，发动机气缸材料日新月异。2 国内车用发动机市场需求我国汽车产业近年来发展迅速，主要汽车企业（集团）2011年年底形成整车产能1 841万辆，相应发动机产能已达到年产1 671万台。随

4、着社会经济快速发展和人民生活水平不断提高，我国汽车国产化进程不断加快，汽车消费需求旺盛，汽车保有量保持快速增长趋势。2006年至2010年，汽车保有量年均增加951万辆；据分析，目前中国的汽车保有量为7 000多万辆，到2020年将达到2亿辆，也就是每年将净增1 300万辆，考虑到汽车报废等因素，每年净增量将在2 000万辆左右。巨大的汽车市场保有量，必将促进汽车发动机缸体市场的大发展，现在常用的有灰铸铁、铝合金，而随着近几年工艺的进步，蠕墨铸铁和镁合金也逐渐使用到发动机缸体中。陶瓷发动机也在紧密地研制中，已经生产出了样机，而随着技术的发展，相信未来以钛合金和复合材料为首的高强度、低密度的材料

5、也会逐渐运用到发动机缸体中。3 灰铸铁汽缸体材料3.1 灰铸铁材料简介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、减振性和导热性，而且生产方便，价格便宜，在很多工业领域的铁系零件中被选为复杂形状零件的首选材料，特别是发动机缸体、缸盖。铸铁铸件一般占各类铸件总产量的75%以上；而灰铸铁产量又占铸铁件总产量的75%以上。发动机缸体一般采用HT250或者更高牌号的低合金铸铁，金相组织为98%以上的珠光体；为保证良好的铸造工艺性能，在化学成分的控制上采用较高的碳胆量（3.9%-4.1%CE），在化学成分中绝大多数含有Cr0.15%-0.40%和Cu0-0.8%，有的还含有Mo、Ni、Sn

6、等元素，以提高铸件本体的强度、硬度极其均匀性以及薄断面处的珠光体量（一般大于95%），铸铁本体监测点硬度以185HB-235HB居多，很少低于180HB。3.2 熔化工艺和设备缸体铸造所用的熔炼设备大多为冲天炉中频感应炉双联熔炼，也有采用中频感应炉中频感应炉双联熔炼，而使用变频感应炉作为保温炉的企业亦在不断增加。为了节能和环保，部分企业的冲天炉采用水冷热风除尘方式，用具有高发热值的铸造焦取代冶金焦，以提高铁液温度，保证铁液质量，增强熔化效率。一汽铸造公司的冲天炉熔化过程控制采用微机等集散式控制系统。哈尔滨东安机械厂、上汽通用和安徽奇瑞等许多车间的熔化设备多数以中频炉为主。从熔炼质量看，这些熔炼

7、设备都能满足供货需求，与世界先进水平基本接近。随着工业废钢的生产量增加，国内已经采用以废钢增碳的熔化工艺来生产缸体等薄壁高强度合金铸铁件，这为提高铸件质量和稳定生产提供了可靠的保证。一汽铸造公司使用国产10 t中频熔化炉，采用废钢增碳熔化技术生产高强度灰铸铁，铸件各项指标均达到国际同类水平，抗拉强度达230-320 MPa，硬度达180-220 HB，内腔清洁度要求小于3 000 mg。目前，大批量流水线生产的汽车铸造行业采用大吨位中（变）频炉熔化也是一种趋势。如安徽芜湖奇瑞60万台发动机缸体铸造及原一汽大宇发动机有限公司铸铁厂（现为上海通用烟台动力）熔炼炉和保温炉全部采用美国应达8 t容量的

8、中频炉和20 t容量的保温炉。近10年来，随着静态变频装置的发展，其效率和安全性能不断提高而投资呈逐年下降的趋势，使得铸造厂采用中频感应电炉来代替工频感应电炉熔炼铁合金和非铁合金变得越来越普遍。3.3 造型工艺和设备缸体是发动机上最关键、最复杂的铸件，其壁厚最薄处往往不到3 mm，缸体铸件生产应用最广的仍然是湿型粘土砂，具有成型性能好、能耗低、噪音小、污染少、效率高、运行可靠等优点的静压造型线及气冲造型线使用较为广泛。近年来，国内外造型线制造厂家对造型机的不断改进，先后已出现气冲加压实、气流增益气冲加压实、静压加压实、主动多触头压实、成型挤压等加砂方式，砂型硬度更加均匀化，成为缸体铸件生产首选

9、的造型设备。另外，对于发动机缸体铸件年产量万台左右的厂家，如潍柴四川柴油机厂和康明斯四川五粮液等大中型柴油机缸体铸造企业，均采用pepset自硬砂工艺和三乙胺冷芯盒工艺，这也是节能低碳的最佳选择。国内清华大学、济南铸锻所等早已研制静压造型线，苏州铸造机械厂和保定维尔的静压造型线以及无锡华佩线已有数条投入使用，但他们在整线性能和铸型质量一致性方面还显得不足。因此，国内汽车铸件生产所用造型线多以进口为主，济南铸造锻压机械研究所捷迈铸造工程公司为扬动股份有限公司提供了一条砂箱尺寸为1 000 mm750 mm320 mm的静压造型线，该线主机选用德国HWS公司的静压造型机，辅机由国内提供，是国内单主

10、机布线生产率最高的造型线，代表了当今世界的最高造型技术水平。气冲造型问世几十年，其技术发展也在不断提高和进步，与其它现代化湿型砂造型方法一样，都是追求提高砂型紧实的均匀性，从而保证砂型表面光洁，尺寸精确，内部致密。3.4 制芯工艺和设备目前，国内汽车铸造厂缸体生产所用砂芯如水套砂芯、曲轴箱砂芯、缸筒与顶端砂芯、前后端面砂芯等依各厂条件不同，分别采用冷芯盒制芯、热芯盒制芯或覆膜壳芯制芯。冷芯盒工艺因其芯砂流动性、溃散性、生产率、节能和砂芯精度优于其它制芯工艺，在国内汽车发动机缸体铸造行业得到广泛应用。从今后趋势看，其应用范围将不断扩大。另外，采用锁芯工艺，利用砂芯上开设的工艺孔，二次填砂固化，使

11、多个砂芯组合为一个整体组合砂芯，然后整体涂料、烘干，这样铸件尺寸精度可大大提高，总体尺寸误差不超过0.3 mm。多数厂家采用计算机控制的“制芯中心”使全部制芯过程实现自动化。制芯等设备主要有德国兰佩冷芯制芯机、西班牙洛拉门迪制芯中心、日本浪速等，国产热芯设备有单工位、两工位、四工位等，壳芯设备有K763/874壳芯机等，可满足复杂、薄壁、高精度铸件对砂芯质量的要求。3.5 砂处理工艺和设备砂处理工艺对铸件产量和质量至关重要。在大批量流水线生产条件下，型砂周期循环使用，国内汽车行业都非常重视反复使用过程中型砂性能的变化规律，力求选择好的砂处理工艺流程，并采用逐级多点检测和自动控制。随着高压、气冲

12、及静压造型工艺对型砂要求严格性的不断提高，相当多厂家进口了大容量高速混砂设备，如一汽二铸厂采用2套200t/h砂处理单元，分别都配有美国国家工程公司辛普森22G高效混砂机和连续双盘冷却器，整个系统配有各种检测仪器，通过中央控制室模拟控制；哈尔滨东安发动机公司和天津内燃机厂等引进日本新东公司SSD型砂处理系统，回砂采用测温加水（MIA）和测湿加水（MIC）装置以及型砂成型性控制仪，配以先进的检测系统，通过自动化监控向静压造型线提供合格的型砂；上海通用、烟台动力、安徽奇瑞等公司采用塔式结构的砂处理单元，使用国外公司的高效混砂机，旧砂冷却系统以及计算机控制系统，并将旧砂破碎、磁选、筛分、增湿冷却、辅

13、料定量、混砂等工艺布置在24 m24 m25 m左右的空间内，这也是目前国外较先进的布置形式。常州法迪尔克公司开发的MXC 30120 t/h系列变频式冷却混砂机实现了混砂机创新性的突破，在沈阳华晨、常柴股份等20余家发动机铸造厂得到推广。其砂处理系统布置简单，减少了设备、厂房的基础投入；采用调速变频，降低能耗，型砂混制更均匀；充分发挥膨润土的效率，降低加入量，有效控制型砂温度。国内一些汽车发动机铸造厂由于使用砂芯数量较多，落砂时有大量溃散砂芯（这些砂芯几乎都是树脂砂芯）流入到旧砂中，使旧砂量远远超过砂系统的容纳量，迫使必须抛弃大量的旧砂以保持砂处理系统平衡，在所抛弃的旧砂中，不仅有芯头、清理

14、的废砂以及除尘细粉，还有许多落砂时不易破碎的型砂块，形成混合型旧砂。如果把这种混合型旧砂作为废砂（废弃物）抛弃，不仅造成了资源浪费，而且废弃旧砂堆放既占场地，又污染环境，还需大量的运输费用。为减少这类混合型旧砂的产生，有的发动机缸体铸造厂采用热法再生：如哈尔滨东安汽车发动机公司引进意大利的热法再生设备已在生产中应用；一汽铸造公司引进日本热法再生和机械再生结合技术，处理芯砂和型、芯砂混合砂已在生产中得到应用。粘土湿型旧砂再生技术的应用近年来有了突破，实践证明湿型粘土旧砂经热法再生后的LOI值、热膨胀率、发气量、角形系数及灰分含量等指标都优于新砂。但就目前国内铸造行业现状而言，粘土湿型砂热法再生技

15、术的推广仍不如预期的那么广泛，仅有宜宾五粮液康明斯发动机缸体铸造厂以及东风、一拖等大型铸造厂、长三角地区的吴江、昆山等地建有热法焙烧炉用于旧砂再生。最近国外流行一种集铸造与热处理于一体，即落砂、再生和热处理三合一的工艺，国内已陆续有一些采用自硬砂工艺生产铝缸体的铸造厂在落砂清理工序中推广这种工艺。在焙烧炉中，砂型和砂芯的树脂粘结剂所含有的许多能量在与炉中高温及富氧气氛接触燃烧后会被释放，而伴随着粘结剂的燃烧，砂型和砂芯中的型砂就会散落下来。炉顶安装的轴流风扇产生的高速气流向下吹向缸体铸件，将散落的型砂带向炉底。高速气流流过不规则形状的缸体铸件会产生压差，这种压差引起铸件内部和外部的气流扰动，从

16、而将松动的型砂带走。与此同时，高速风扇也使炉内气流分布达到最佳状态，从而使炉内温差保持在很小的范围内。铸件从清洁铸造三合一系统出来后，在完成了固溶热处理的同时，型砂和芯砂都已去除干净。型（芯）砂在漏斗形炉底上被收集在一起。炉底装有流态床，用于对型（芯）砂进行最后清理。粘结剂残留的微粒被分离并被排放。型（芯）砂在炉内被完全再生，经过气力输送到造型、制芯工部。炉内废气集中排放，通过旋风分离器、灼烧器、换热器，最后经过袋式过滤除尘器，清洁后的气体才被排放到大气。总之，新建铸造工厂必须考虑旧砂再生处理；对已建成投产的铸造工厂，可增加旧砂再生，或将旧砂集中到就近专业处理工厂再生后使用。这已经是一种发展趋

17、势，是国家节能减排、可持续发展的需要。3.6 清理工艺和设备目前，缸体铸件经去除浇冒口后，在清理线上打磨外表面，然后进入鼠笼式抛丸室清理，已是一种常规工艺。生产多品种缸体时，部分厂家采用夹持式高效抛丸清理机进行抛丸。普遍采用各种自动化和机械化专用清理线和高效缸体鼠笼抛丸机以及机械手对缸体进行整体清理，然后用手工对缸体逐个精整及吹净水套内腔残留物。经尺寸检查，气密性试验，铣加工定位点及终检后，进行涂漆或其它防锈处理，成为合格缸体铸件。以钢丸代替铁丸进行抛丸清理，采用机器人分拣缸体铸件，采用浇冒口去除机去除浇冒口以及采用X射线和超声波探伤仪检验内部缺陷等方法已为越来越多的厂家采用。天津丰田等铸造厂

18、都对金属炉料进行抛丸、破碎、净化和称量，以提高熔化效率和铁液质量。4 蠕墨铸铁材料4.1 蠕墨铸铁材料简介蠕墨铸铁发现与1948年，但是由于生产工艺不成熟，难以保证产品质量，所以一直未能广泛使用，直到21世纪，先进的生产工艺使得蠕墨铸铁可以稳定生产，诛魔主题应用于复杂工件（如发动机缸体）的大批量声场才有了可能。现在奥迪（Audi）、达富（DAF）、福特（Ford）、现代（Hyundai）、曼（MAN）、奔驰（Mercedes）、标致（PSA）、大众（Volkswagen）和沃尔沃（Volvo）等世界著名汽车厂商已经开始使用蠕墨铸铁作为其发动机气缸的材料，年产量已经达到100000多t。铸铁机械

19、性能的高低是有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，在承受载荷时，尖锐的端部容易产生应力集中，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。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10以下（灰铸铁一般为50-100），且表面粗糙，较圆的端部能抑制裂纹的发生和扩展，粗糙的表面能限制石墨的脱离，与灰铸铁和铝合金相比，蠕墨铸

20、铁的抗拉强度提高了75%，弹性模量提高了40%，疲劳强度提高了100%。表4.1.1给出了蠕墨铸铁（RuT）以及灰铸铁（HT）和铝的力学和物理性能。表4.1.1 蠕墨铸铁（RuT）以及普通灰口铁（HT）和铝的力学和物理性能性质单位 RuT450 HT250 HT300 A390.0抗拉强度MPa450250300275弹性模量GPa14510511580伸长率%1-2001旋转-弯曲疲劳强度（20）MPa210110125100旋转-弯曲疲劳强度（225）MPa20510012035热传导W/m-k364639130热膨胀Um/m-k12121218密度g/cm37.17.17.12.7布氏硬

21、度BHN 103000215-255190-225215-255110-1504.2 蠕墨铸铁在气缸上的应用蠕墨铸铁生产技术的成功开发导致了在欧洲，亚洲和美洲的批量生产。表4.2.1给出了已宣布批量生产蠕墨铸铁的项目。表4.2.1 批量生产蠕墨铸铁的项目No.汽车制造公司发动机资料蠕墨铸铁部件1奥迪3.0L V6柴油发动机缸体2奥迪4.2L V8柴油发动机缸体3奥迪6.0L V12柴油发动机缸体4卡特彼勒重型柴油发动机气缸衬套5达富12.6L I-6柴油发动机缸体6达富12.9L I-6柴油发动机缸体和缸盖7福特-坡萨2.7L V6柴油发动机缸体8福特3.6L V8柴油发动机缸体9福特-屋太尚

22、9.0L I-6柴油发动机缸体和缸盖10现代3.0L V6柴油发动机缸体11现代3.9L I4柴油发动机缸体12现代5.9L I-6柴油发动机缸体13国际11.0L I6柴油发动机缸体14国际13.0L I6柴油发动机缸体15强迪雷9.0L I6柴油发动机缸衬16曼（MAN）10.5L I6柴油发动机缸体17曼（MAN）12.4L I6柴油发动机缸体18奔驰12.0L V6柴油发动机缸体19奔驰16.0L V8柴油发动机缸体20奔驰10-15L HDEP I6系列缸盖21瑞诺特3.0L V6柴油发动机缸体22沃尔沃重型柴油发动机缸体目前蠕墨铸铁的生产量相当于每年约500000个发动机量。目前蠕

23、墨铸铁的生产主要集中在欧洲，并局限于柴油发动机，但在世界其他地区，一些新的项目正在展开研究，并且蠕墨铸铁的应用已扩大到其他部件。美国3大汽车制造公司（通用、福特和克莱斯勒）中的每一个都已宣布V形柴油发动机缸体要被应用于越野车（SUV）和客商两用车（Pick-up），并且都于2009年在北美铸造厂生产。现在已经有超过30款不同设计的柴油发动机以及超过2000000个发动机量的缸体和缸盖在2010年生产。4.3 蠕墨铸铁在发动机设计中的应用在蠕墨铸铁发动机缸体开发的初期阶段，许多的开发研究都集中在如何降低重量方面。表4.3.1列出了由铸造企业和汽车制造业在发动机设计方面取得的、在降低重量方面的成果

24、。与灰口铸铁相比，在相同功率的情况下，其质量大大降低。表4.3.1 蠕墨铸铁缸体重量相对于灰口铁缸体重量的降低发动机尺寸/升发动机类型灰口铁发动机重量/kg蠕墨铸铁发动机重量/kg重量降低百分数/%1.6I-4 汽油35.42529.41.8I-4 柴油38.029.522.42.0I-4 汽油31.826.616.42.5V-6 赛车56.545.020.42.7V-6 柴油未知未知（15）3.3V-8 柴油未知未知（10）3.8V-8 柴油未知未知（20）4.0V-8 柴油未知未知（15）4.2V-8 柴油未知未知（20）4.6V-8 汽油72.759.618.09.2I-6柴油15814

25、011.412.0V-6 柴油24021510.414.6V-8 柴油40835214.2相对于现在，蠕墨铸铁的重点转移到降低尺寸和提高功率。蠕墨铸铁拥有相对于灰口铸铁及铝两倍的疲劳强度，可大大地增加发动机的负荷强度。表4.3.2比较了四个用蠕墨铸铁和灰口铁制造的、相同的柴油发动机气缸内径的变形情况（用百分数表示）。表4.3.2 蠕墨铸铁和灰口铸铁制造的缸体的气缸内径变形比较发动机尺寸/L发动机类型蠕墨铸铁相对于灰口铁的改善（%）1.8I-4 汽油发动机181.8I-4 柴油发动机202.2I-4 汽油发动机284.6V-8 汽油发动机22德国欧宝（OPEL）公司在1995年成功开发了蠕墨铸铁

26、缸体，并于HT250铸铁缸体进行了对比实验。表4.3.3及表4.3.4分别为欧宝公司生产的V6（2.5L）和I4（1.6L）发动机缸体的效果比较。表4.3.3 V-6（2.5L）发动机缸体效果比较项目标准缸体（HT250）1995年赛车缸体（蠕墨铸铁）效果（%）气缸间的壁厚/mm73-57.1衍磨面粗糙度Ra/um0.320.18-43.8气缸圆柱度/um32.098.97-71.8气缸部位磨损量/比率10060-40质量/kg56.545.0-20.4功率/PS168457+172缸体质量/功率/（kgPS-1）0.3360.100-70.2表4.3.4 I-4 发动机缸体效果比较项目HT2

27、50大批量生产型蠕墨铸铁试生产型效果（%）铸件重/kg40.430.0-25.7加工后重/kg35.425.0-29.5衍磨面粗糙度Ra/um0.3200.160-50功率/PS1061060缸体质量/功率/（kgPS-1）0.3320.233-29.8缸体缸径/mm79780缸体长X高/mm389X243.5389X243.504.4 蠕墨铸铁与灰口铁的比较根据欧宝公司的实验证明，与灰口铸铁相比，蠕墨铸铁缸体有以下优势：一发动机功率：蠕墨铸铁缸体与灰铸铁缸体相比，缸径变形小且均匀。并可降低活塞环的张力，能够减小摩擦，降低缸套的磨损和机油消耗；二缸径的膨胀：台架实验表明，蠕墨铸铁缸体与灰铸铁缸

28、体相比，缸径的膨胀小18%-28%，因此可降低机油消耗以及有害气体的泄漏；三缸径的怨毒：蠕墨铸铁刚性高，所以装上缸盖后缸径的圆度比灰铸铁至少好40%；四密封性：蠕墨铸铁缸体的缸径应变小。与灰铸铁相比漏气及机油消耗均大大降低；五漏油：与灰铸铁相比，蠕墨铸铁的抛光好，发动机和压油部件的漏油可减少20%；六轻量化：蠕墨铸铁的强度和刚性都搞，留有改进设计、减轻重量的足够余地，欧宝I-4（1.6L）发动机缸体改进设计后，缸体重量减轻了30%；七噪声、振动：减振性与灰铸铁大致相同，而噪声减少8%-18%；八气缸间壁厚：蠕墨铸铁强度可达灰铸铁的两倍，有利于壁厚的减薄，如欧宝V6缸体壁厚由原7mm减为3mm。

29、5 铝合金汽缸体材料5.1 铝合金材料简介早在20世纪50年代，就已经有生产铝合金发动机汽缸体的压铸机。我国砂型铸造汽油机铝合金缸体的历史也可以追溯到80年代。但是，随着汽油机气缸最大爆发力的逐步提升，当年的铝合金气缸无论从材料性能，还是从结构上都无法满足要求，于是曾有一段时间铝合金气缸逐渐淡出。但是，随着材料科学的发展与设计水平的提高，近来甚至最先进的轿车柴油机都不乏重新采用铝合金气缸的实例。包括罗孚的k系列发动机，宝马的M52直列六缸发动机，日产的VQ发动机，捷豹的-AJV8发动机、奔驰的V6和V8发动机、迈巴赫的V12发动机、大众的W12发动机、通用的LS1和北极星V8发动机、标致的2升

30、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。其中奔驰V6轿车柴油发动机的铝合金气缸每年生产批量已超过20万件。今天有许多中小型发动机，甚至柴油机，已经在大批量生产中采用了铝合金气缸。德国大众汽车的Lupo1.2L TDI涡轮增压直喷式柴油发动机的气缸就是一例。包括法拉利、兰博基尼在内的众多跑车厂商，甚至一级方程式赛车的发动机也是用铝合金制造的气缸。5.2 铝合金的铸造工艺铝合金缸体的铸造工艺从原理上可以分成多次使用的铸型（金属型）和一次使用的铸型（砂型）。砂芯的制造方法也有所不同。当今在大批量生产中最为常用的是砂型铸造和压铸。砂型铸造在成型方面提供了最大的自由度，可以采用封闭的气缸连接面（闭式顶板）。如果生产件数较高（年产20万件以上），那么采用压铸是一种经济的解决方案。压铸能以高效的生产速度、精细的表面质量和精确的尺寸实现铸件薄壁结构。然而，由于熔融金属充型压力很高不能使用砂芯，水套通常必须往上敞开（开式顶板）。这意味着气缸筒严重变形。现在，甚至直喷式才有机都可以做到敞开式顶板结构。此外，压铸快速的充型过程易导