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B390压铸铝合金在汽缸产品上的应用

 
楼主  收藏   举报   帖子创建时间:  2010-10-05 19:33 回复：0 关注量：301
 
1.汽缸材料
     气缸体作为发动机中最重要的部件之一，其尺寸、结构复杂，壁厚较薄又很不均匀(最薄处仅为3 mm～5 mm)，而且在高温、高压及润滑条件不良且有固体微粒和腐蚀介质工况条件下作高速相对运动，零件内部产生很大的机械应力和热应力，同时承受强烈的摩擦磨损。因此，要求气缸体材料具有良好的综合性能，即应具有良好的强韧性、导热性、耐磨性、耐蚀性、加工工艺性能和经济性。另外，对材料的再循环性及环境保护的因素在国外也是要考虑的重要方面。
 
1.1铸铁汽缸
          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，在很多任务业领域的铁系零件中被选定为复杂形状零件的首选材料，特别是交通运输行业用作制造发动机的材料。
 
1.2铝合金基体镶铸铁套汽缸
          近年来，汽车工业正面临越来越严峻的三大课题：能源，环保，安全。因此，随着汽车工业的迅速发展，减轻汽车重量，降低油耗，改善对环境的污染等要求，是汽车工业目前所面临的挑战之一，就是在汽车零部件设计中尽可能多的采用轻量化的材料，节约有限资源，已达到减轻汽车自重的要求。减轻汽车自重的关键是使用轻质材料。由于汽车工业发展的这一需求，使得结构材料比强度高的，能够大幅度减轻重量的铝、镁合金材料的应用越来越广泛，特别是铝及其合金由于具有质轻，耐磨，耐腐蚀，弹性好，比强度和比刚度高，抗冲击性能好，易表面着色，良好的加工成形性以及极高的再回收、再生性等一系列优良特性，成为汽车轻量化最理想的材料。
由于铝合金材料具有上述的一系列特点，所以，发动机由铸铁汽缸逐步被采用铝合金基体上镶铸铁衬套的方法所取代。铝合金基体汽缸重量轻，导热性良好，冷却液的容量可减少。启动后，汽缸很快达到工作温度，并且和铝活塞热膨胀系数完全一样，受热后间隙变化小，可减少冲击噪声和机油消耗。和铝缸盖热膨胀相同，工作可减少冷热冲击所产生的热应力。
  
1.3铝合金基体陶瓷电镀汽缸
          陶瓷汽缸系在铝硅合金汽缸上镀上一层碳化硅及镍的复合镀层。这一层复合镀层取代传统球墨铸铁衬套，较之与球墨铸铁衬套汽缸更具有耐磨、耐高温、热传导快速、质轻、马力高、寿命长等突出优点。
1.3.1与铸铁衬套汽缸相比陶瓷汽缸有如下特点
     ①铸铝汽缸初步镗孔加工后再电镀镍基之碳化硅陶瓷镀层，最后实施之镗么。
     ②镀层厚度约为0.005mm，硬度比一般铸铁高（HV550）。
     ③镀层为多孔性表面，驻油性佳，使汽缸表面与活塞，活塞环随时保持高度润滑，各接触件不会刮伤，磨耗也降低。
     ④铝合金比重是铸铁的0.35倍，重量仅为铸铁的1/3，热传导系数是铸铁的2.3倍。所以引擎的热积累很快传出，保证引擎在适当温度运转，避免高温造成的润滑油膜脱落产生构件刮伤，或零件因热负荷疲劳而破坏。
     ⑤由于铝合金电镀陶瓷汽缸可使引擎运转于较苛刻的状态而损坏，可以调整条件提升马力节省油耗。
     ⑥铝合金电镀陶瓷特色：润滑性好；磨耗率低；汽缸壁不刮伤；热传导快；重量轻；油耗低；性能提升。
1.3.4电镀陶瓷存在的问题
        镀层剥落是一般常见的问题，其原因为镀层与铝硅合金基材之结合力不足所造成。当结合力不足时，用钻孔或锯割方式，就会使镀层崩裂，又在实施热冲击试验后镀层会有突起之气泡产生而崩裂。镀层一但崩裂，则立即产生卡缸现象，引擎将导致烧毁并无法使用。这是目前陶瓷电镀技术面临的最大挑战，国内仅有少数工厂能够过关。
 
 
      目前汽车用铝缸体所用合金材料主要为铝硅系合金，主要应用的合金牌号是美国标准的B390合金（见表1，B390合金），这种合金由于它合金组织中存在大量的初晶硅颗粒，具有很好的耐磨性能，目前世界上研究的较多的都是使用一般铝合金（见表1,ADC12合金）生产缸体在缸筒内都镶铸铁缸套，而采用B390这种合金生产铝缸体可不镶缸套，因而能够进一步降低汽缸的成本。但高硅铝合金随着硅含量的增加，压铸生产中也会出现一系列问题：如初晶硅粗大，分布不均匀，会产生加工硬点，耗散层增厚等。但这些问题在国外先进国家目前均已得到解决，并且其制造成本要比压铸后再进行陶瓷电镀的方法节省一倍以上。

表1   B390合金与ADC12铝合金化学成分

牌号
Si
Cu
Mg
Fe
Zn
Mn
Ni
Sn
Al
ADC12
9.6～12.0
1.5～3.5
<0.3
<1.3
<1.0
<0.5
<0.5
<0.3
余量
B390
16.0～
18.0
4.0～
5.0
0.45～
0.65
0.6～
1.0
<1.3
<0.5
<0.1
<0.2
余量

         我厂于2007年初引进美国B390合金压铸生产技术，通过几年的不断发展，目前已具备年产B390合金压铸件1500吨以上的生产能力。并且产品质量得到客户的认可。由于该合金具有高的耐磨性及低的热膨胀系数等优点（见表2、表3），近年来，在活塞、缸体类铸件中得到了广泛应用。
 
                            表2 B390铝合金与常用合金的物理性能比较

项目
合金名称
B390
 
ADC12
铸铁
比重
2.73
 
2.68
7.2
熔点℃
505-650
 
577--600
1279--1148
热导率w/m.k
 
125.5
117.2
75
热膨胀系数
×10（-6），℃（-1）
（20--100）
 
18
19
8.7—11.6

                               表3  B390合金与常用合金的力学性能比较

合金名称
拉伸强度
磅/英寸²
（Mpa）
屈服强度（0.2%永久变形）
磅/英寸²
（Mpa）
伸长率
δ5
（%）
布氏硬度
HB
 
B390
295
249
<1.5
120
ADC12
295
185
≥2
≥95
HT200
300
 
 
188

2. B390铝合金压铸生产工艺的控制
 2.1 初晶硅的控制
          过共晶Ａｌ Ｓｉ合金具有耐磨和线膨胀系数极小的特点 ,是制造活塞、缸套等零件的首选材料。但过共晶铝 硅合金中初晶硅的ＨＶ高达 14 0 0 ,且与铝的基体无任何共格界面 ,粗大的初晶硅不仅使切削加工十分困难 ,甚至会从零件表面一粒粒剥落 ,造成整台发动机或压缩机破坏 ,因此在铸造时过共晶铝硅合金必须经过熔体初晶硅细化处理。理想的过共晶铝硅合金的细化处理必须满足三点要求 :一是将初生硅细化到 5 0 μｍ以下 ,均匀分布在共晶体 (α Ａｌ+Ｓｉ)基体上 ,不出现偏聚现象 ,且应在铸件正常的浇注温度下保持长时间的细化效果  ;二是应使共晶硅同时被细化成点状;三是在细化处理及随后的浇注过程中不造成对环境的任何污染。我们公司采用B390合金熔体专利细化处理技术使得其初晶硅最大尺寸 <5 0 μｍ ,分布均匀 ,未发现任何偏聚现象 ;共晶硅基本上呈点状均匀分布 。
B390压铸合金在汽缸产品上的应用                  B390压铸合金在汽缸产品上的应用
    图1 初晶硅细化不良                                             图2初晶硅细化好    
 
 2.2初生硅贫乏层
          初生硅微粒区是合金具有耐磨性和防粘咬的重要微观组织。初生硅微粒的重要作用由它的大小及分布状态决定。表层存在的初生硅微粒区又称为初生硅相区，这相区的最外层是初生硅贫乏层，厚度一般在0.25—0.375mm范围，有时会达到0.9mm。这层比较软，应加工去掉，以便使初生硅微粒裸露成为工作表面，保证耐磨性和防粘咬。因此，必须在压铸工艺上进行控制，以便在机加工后使初晶硅刚好暴露在铸件的耐磨表面。我们公司采用专利技术对B390合金压铸产品耗散层厚度进行控制，能够稳定地将其厚度控制在0.25—0.375mm范围，保证在机械加工后产品表面的耐磨功能。
 
2.3硬点的预防
在B390合金产品压铸生产的另一个技术难点是该合金中容易出现硬点。硬点的存在会给后续机械加工带来困难。硬点大致分为三种形式，一种是粗大的块状初晶硅，是合金熔体处理不当而产生的，如图1；另一种是一些较重的金属元素如Fe,Mn,Cr等在一定条件下极易与Al,Si,Cu,Mg等发生反应形成的一系列金属间化合物，如图2，这些化合往往以粗大的块状出现。还有些硬质点是非金属夹杂物，显微硬度为铝基体（HV68）的8-20倍，不仅尺寸大，硬度高于刀具硬度，如图3。这些硬点的存在经常造成机械加工时刀具崩坏和加快磨损。我公司采用特别技术控制B390铝合金熔体中的硬质点，从而保证机压铸后续机械加工正常生产。
 

       
      
B390压铸合金在汽缸产品上的应用    B390压铸合金在汽缸产品上的应用
图1 粗大块状初晶硅                                    图2 金属间化合物
                                
 		  
       
 
 
 
 

 
 
 

 

B390压铸合金在汽缸产品上的应用
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