汽车发动机缸体的铸造技术分析_冯顺利

汽车动力系统的核心部件为发动机缸体， 其铸 件质量决定着发动机性能及品质。 发动机缸体材质 有铝合金及铸铁，到目前为止，常用的发动机缸体材 质为铝合金缸体。 由于铸件的合金种类及结构类型 有所不同， 导致生产工艺装备及组织形式有着较大 差异， 且生产的关键技术点及难点也各不相同。 此 外，加上发动机缸体铸件是一种复杂、多芯及薄壁的 难造性铸件，对技术要求较高(如不渗漏、抗热、抗疲 劳及高精度)。 在我国当前的铸造生产过程中往往导 致大量铸件报废，因此，对发动机缸体铸造技术进行 分析显得尤为重要。
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常规清理方法很难达到较好的清理效果， 为了能够 获取较高的清洁效果特采用机械手程序对时间及抛 丸角度进行严格控制。 我国的汽车发动机缸体的铸 造技术还应用了计算机自动控制、PC 机控制、 计算 机辅助管理及设计技术等， 促使我国的发动机缸体 铸造进入到一个新的时期。
FENG Shunli
(Henan Vocational and Technical College of Communications, Zhengzhou 450000, China) Abstract： Development status of the casting technology of automobile engine cylinder in China and other countries was expounded. Material, molding process, the cylinder precision, accurate mold core and pores preventing of automobile engine cylinder body were mainly analyzed. Key words：automobile engine; cylinder; casting technology
尽管各种造型方法都能够生产缸体铸件， 但随 着缸体技术的要求不断提高，普遍采用了高压造型。 该造型具有较多优点，如可将压力控制在 1 MPa，型 腔表面硬度在 80 HB 以上。 另外， 需要提高型砂性
能。 型砂性能常常受到混碾的影响， 若型砂性能较 差，则直接影响产品质量，甚至造成报废。 型砂性能 的测试也尤为重要，根据实践可将实率控制在 46%～ 49%，破碎指数适宜控制在 80%。 当前，不少铸造厂在 砂型表面喷耐热凃料，如醇基点燃干燥等。 更多的则 是采用面砂， 尽管在型砂表面上增加了相关工序，但 也相应减少了表面缺陷及冲砂， 最终提高表面粗糙 度，最大限度减少清理工作量。 对于砂斗应进行改进， 在保持型砂性能稳定的前提之下，混制与造型的距离 越近越好，这样一来，就能够确保在每次结束时贮砂 斗中不存砂， 到下一次使用时能够用到新制备的型 砂。 在此种情况下，砂斗下方每半小时对其进行测试 一次，对于不合格的砂则由皮带返回进行重新混合。 2.3 提高缸体的精度
首先，选择适宜的基准。缸体铸造及机加工都需 要一定的工艺基准面，缸体表面上有上千个尺寸，每 一个尺寸在生产中都相应的有偏差， 所构成的尺寸 链相对较大，这在设计上是不被允许的。 因此，通过 对外模尺寸、下芯位置进行严格控制是非常必要的。 加工基准大多是用来确定毛坯加工的定位点， 其设 计应合理并前后一致。 其次，选择正确的收缩率。 由 于受到铁液成分的影响， 选择正确的收缩率也较为 重要。 从高压造型来说，其长度方向应取 0.8%，高度 方向应选取 1%，加上长度受到复杂型芯的制约，会 有较小收缩率。 再次，提高工装制造精度。 传统都采 用普通加工机床及手动加工模具， 而现在采用数控 铣床加工，其精度范围为 0.03 mm。 成批生产铸件的 精度都需要精密的工装。 对于影响铸件精度的还有 错边问题，对此应进行定期检查。 最后，选择合适的 水套芯。合适的水套芯能够保证缸筒壁均匀的厚度。 对于上下方向靠基准芯进行定位， 也就是在水套芯 上作出与缸盖通水孔小芯片，对芯头进行严格控制。 水套芯与缸顶面芯胶合，成螺栓固定，水套芯两端头 则流出较大的工艺孔。 该工艺的设计能够确保尺寸 的精度。 2.4 制作精确的型芯
1 国内外汽车发动机缸体铸件技术现状
发动机类铸件生产属于专业化流水生产， 产品 结构较复杂，铸造难度也较大，加上生产工序繁多， 对工艺装备要求较高。 尤其是发动机缸体或缸盖， 不仅需要高度精确的尺寸， 而且还需要复杂的内外 形结构。 要求缸体的缸套及活塞环具有较高的耐磨 性及稳定性， 对排气管则要求有较好的耐热性。 在 很大程度上， 汽车发动机缸体的铸造水平可反映出 这个国家机械产品的质量。
《热加工工艺》 2015 年 1 月 第 44 卷 第 1 期
汽车发动机缸体的铸造技术分析
Fra Baidu bibliotek
冯顺利 (河南交通职业技术学院， 河南 郑州 450000)
摘 要：阐述了国内外汽车发动机缸体铸造技术的发展现状，重点分析了汽车发动机缸体材质、造型工艺、缸体的
精度、精确的型芯及缸体气孔的防止。
关键词：汽车发动机； 缸体； 铸造技术
热芯盒与冷芯盒的工艺都是采用树脂砂吹制而 成的。为了能够获得棱角相对清晰的砂芯，就要确保 其砂芯的紧实性。为此，芯盒的气体排除速度大于气 体进入速度。 对于分盒面及顶出孔周围应加工出 0.25 mm 深的排气槽及间隙加强排气。 同时，还应经 常对芯盒的表面进行清理， 避免芯子表面出现粗糙 及结疤现象。对于芯子的出气及清整，严格控制原材 料的发气量，芯子自身也应做到排气(下转第 14 页)
尽管我国的汽车发动机缸体铸件与外国相比， 仍存在较大的差距，但也取得了较大进步，产品种类 基本能够满足各行各业的需求， 铸件出口量也随之 而增长。 我国的发动机缸体材质大多采用 HT250， 同时坚持高碳当量，低合金的原则，这主要是为了获 得较好的力学性能及防渗漏性能。 为了能够获得持 续稳定的高质量铁液， 通常采用感应电炉双联熔炼 技术，将温 度设置在 1450℃左 右 ，并 在 炉 前 采 用 二 次孕育的方法对铸件进行生产。在制芯上，我国采用 冷芯盒制芯，发展速度较快，具有低膨胀、高强度及 高溃散性的优点，在缸体铸件中得到大量生产。在清 理上，由于发动机缸体的内腔结构较为复杂，若按照
从缸体材料的发展程度来看，经历了铸铁、铝合 金及蠕铁的过程，大部分的车都采用灰铁材质，其材 料牌号为 HT250。 如：康明斯 B 系列，缸顶面的硬度 为 (197±7)HB，A 型 石 墨 超 过 80% ，B 型 石 墨 小 于 10%，石墨等级长度在 4～6 级 左右，其基体 为细片 状珠光体。 一方面，应控制好铸铁成分。 工频炉熔化 将硫调整到 0.05%， 锰元素的含量在 0.5%到 0.70% 之 间 ，通 过 孕 育 可 得 到 95%A 型 石 墨 ；硅 含 量 适 宜 控制在 0.6%范围内，碳含量 低时收缩性 较大，极易 产生缩松渗漏，当碳含量高时，力学性能又较差，硬 度较低，因此 ，碳含量适 宜控制在 3.05%～3.50%范 围内；对于合金的含量，加入适量能够提高缸体的铸 造强度及硬度，若大量产生游离碳化物，对缸体强度 及硬度有着严重影响。 故合金的含量适宜控制在 0.3%左 右 ；锡 能 够 阻 碍 碳 化 物 的 形 成 ，但 有 助 于 获 得珠光体基体，若珠光体集体较多则极易造成脆化， 故锡含量适宜控制在 0.1%左右。 另一方面，控制好 浇注时间及浇注温度。 对于缸体铸造， 传统的浇注 温度在 1290～1310℃内，浇注时间在 19～22 s，而现 在的浇注温度则控制在 1380～1440℃，其浇注时间 控制在 16 s。 当采用现在浇注时间及浇注温度，减少 了冷隔现象的出现，同时也使气孔废品降低了 50%。 2.2 改进合理的造型工艺
表 1 析出相 EDS 分析结果 Tab.1 EDS analysis results of precipitated phase
元素
Al
Si
Ti
Cr
Nb
wt(%)
14.20
12.00
58.00
3.22
12.58
at(%)
22.28
18.09
51.27
2.62
5.73
析出相，在组织中分布变密，沿生长方向逐渐连成线 条状，线条之间间距变窄。
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硅化物
20μm
图 4 析出相在扫描电镜下二次电子形貌(v=25 μm/s) Fig.4 The second electronic morphology of precipitated
phase under SEM (v=25 μm/s)
(上接第10页)通畅，尤其是芯头的位置，在设计时应 加大砂芯见的接触。 水套芯能够在芯子内部进行钻 孔，较容易形成内部通气网络。缸筒芯最大限度做好 中空，有利于气体的流通。 对于芯子的清理，尤其对 芯子的飞边毛刺进行清理，若没有进行清理，则浇出 的铸件极易出现凹痕， 就会严重削弱铸件质量。 最 后，应正确使用覆膜砂。 可直接购买，或者使用流动 性较好的中砂。 这样，不仅省去了涂料，而且还节约 了资源。 在使用过程中应注意不能将覆膜砂存放太 久，若存放久了就会相应地产生砂粒分离现象，生产 的芯子极易发生龟裂及破损。
DOI: 10.14158/j. cnki. 1001-3814. 2015. 01. 003
中 图 分 类 号 ：TG250.6
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2015)01-0009-02
Analysis of Automobile Engine Cylinder Block Casting Process
2 发动机缸体铸造技术分析
我国的汽车产业发展较为迅速， 国产化进程在 不断加快， 汽车消费需求也在不断增长。 据不完全 统计，我国汽车保有量达到八千多万辆，这就意味着 我国汽车发动机的缸体市场有着较大的发展空间。 这就要求缸体铸造技术在借鉴国外经验的同时，进 行自主创新， 开发研究出新型的缸体铸造技术。 下 面分别从缸体材质、造型工艺、缸体精度、型芯及缸 体气孔防止等方面进行阐述。 2.1 选择合适的缸体材质
3 结论
(1) 对 于 定 向 凝 固 Ti-47.5Al-6Nb-2Cr-0.5Si 合 金，抽拉速率为 6 μm/s 时，固 / 液界面以胞枝状向前 推进；抽拉速率为 15～100 μm/s 时，固 / 液界面以树 枝状向前推进，且随着抽拉速率的增加，枝晶变多变 细，一次枝晶间距减小。
(2) 抽拉速率为 6 μm/s 时，凝固初生相为 β 相， 定向生长区片层取向与生长方向呈 45°； 随着抽拉 速率的增加，凝固初生相由 β 相向 α 相转变，定向 生长区片层取向由 45°变为 90°。
收 稿 日 期 :2014-01-09 作 者 简 介:冯顺利(1974- ),男,河南焦作人,讲师,硕 士,研究方向:汽 车技术;
电话:13838258669
1.1 国外汽车发动机缸体铸件技术 发动机缸体材料的选择主要有铝合金、 灰铸铁
等，但随着环保理念的深入及发动机对功率的需求， 使得灰铸铁的使用越来越多。 国外的汽车发动机缸 体普遍使用 HT250，而 HT300 已应用于缸盖的生产 中。缸体的造型大多采用静压造型线及气冲造型线； 在铸铁熔炼方面， 为了确保能够获取良好的金相组 织及稳定的力学性能， 通常要求铁液具有较稳定的 化学成分及较高的出炉温度等。 常使用的熔炼设备 有冲天炉及感应电炉双联熔炼； 在缸体的铸芯上大 多采用冷芯盒或壳芯，主要包括：端面芯、曲轴箱、以 呋喃树脂粘结剂的热芯盒。 1.2 国内汽车发动机缸体铸件技术
3 结束语
伴随我国汽车行业的发展， 缸体作为发动机的 核心部件， 其铸造技术直接关系到汽车发动机的质 量。 为此，应创新其铸造技术。 本文首先阐述了国内
(3) 合金在凝固过程中向界面前沿及周围液相排 出 Si 原子，抽拉速率大于 6μm/s 时，在凝固组织中形 成明显的硅化物析出相，且随着抽拉速率增大，析出 相含量变多，在组织中沿生长方向逐渐连成线条状。