1、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 popu
2、lar 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机是汽车
3、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。
4、随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
5、合材料为首的高强度、低密度的材料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%
6、和 Cu0-0.8%，有的还含有Mo、Ni、Sn 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
7、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
8、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
9、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 mm
10、320 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
11、。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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、，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，
18、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
19、（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
20、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 MPa 450 250 300 275弹性模量 GPa 145 105 115 80伸长率 % 1-2 0 0 1旋转-弯曲疲劳强度（
21、20）MPa 210 110 125 100旋转-弯曲疲劳强度（225）MPa 205 100 120 35热传导 W/m-k 36 46 39 130热膨胀 Um/m-k 12 12 12 18密度 g/cm3 7.1 7.1 7.1 2.7布氏硬度 BHN 103000 215-255 190-225 215-255 110-1504.2 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
22、 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 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
23、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（
24、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。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
25、 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 /%1.6 I-4 汽油 35.4 25 29.41.8 I-4 柴油 38.0 29.5 22.42.0 I-4 汽油 31.8 26.6 16.42.5 V-6 赛车 56.5 45.0 20.42.7 V-6 柴油 未知 未知 （15）3.3 V-8 柴油 未知 未知 （10）3.8 V-8 柴油 未知 未知 （20）4.0 V-8 柴油 未知 未知 （15）4.2 V-8 柴油 未知 未知 （20）4.6 V-8 汽油 72.7 59.6 18.09.2 I-6 柴油 158 140 11.412.0
26、V-6 柴油 240 215 10.414.6 V-8 柴油 408 352 14.2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（%）1.8 I-4 汽油发动机 181.8 I-4 柴油发动机 202.2 I-4 汽油发动机 284.6 V-8 汽油发动机 22德国欧宝（OPEL）公司在 19
27、95 年成功开发了蠕墨铸铁缸体，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/mm 7 3 -57.1衍磨面粗糙度Ra/um 0.32 0.18 -43.8气缸圆柱度/um 32.09 8.97 -71.8气缸部位磨损量/比率 100 60 -40质量/kg 56.5 45.0 -20.4功率/PS 168 457 +172缸体质量/功率/（kgPS
28、 -1） 0.336 0.100 -70.2表 4.3.4 I-4 发动机缸体效果比较项目 HT250 大批量生产型 蠕墨铸铁试生产型 效果（%）铸件重/kg 40.4 30.0 -25.7加工后重/kg 35.4 25.0 -29.5衍磨面粗糙度Ra/um 0.320 0.160 -50功率/PS 106 106 0缸体质量/功率/（kgPS -1） 0.332 0.233 -29.8缸体缸径/mm 79 78 0缸体长 X 高/mm 389X243.5 389X243.5 04.4 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
29、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
30、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。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
31、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-AJ V8 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
32、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致气泡的
33、生成，以致无法通过热时效硬化改善力学性能。这个缺点可以利用挤压铸造来避免。因为这种工艺采用的压力较低，使得充型过程明显地减缓，有可能进行补缩。此外，压住对于水套的长度有着间接的影响由于气缸直径、拉杆螺栓的位置、密封法兰最小宽度以及必须的通常为 0.5的起模斜度等因素，实际制成的压铸机体的水套通常至多只能覆盖活塞行程的 70%。这会降低通过活塞环的热流量，提高机油的热负荷。在机体结构方面，压铸有一些局限性。不过这些均可通过技术手段加以控制。机体是否采用压铸的工艺，首先还是取决于生产量。对于高负荷的发动机来说，选择砂型铸造更能通过合适的造型工艺、合金优化和热处理来生产可靠、耐久的发动机机体。从零件
34、成本来看，充分利用砂型铸造在成型方面较大的自由度，还可以将各种功能整形到气缸中去，在总体上减轻质量，提高经济效益。5.3 铝合金与铸铁的比较铝合金与铸铁相比，主要优势体现在密度低，导热性好。其次其加工工艺性优势明显。例如：在加工铝合金时，机床主轴的转速可以达到 10000r/min，高精密机床甚至可以达到 20000r/min。而传统的铸铁加工在机床功率不变的情况下，15 机床要有大的扭矩，因而机床的转速就得下降。一般的铸铁加工，常用到的机床的转速都是在 3000r/min，很少部分可以使用到 6000r/min 以上的。因此在机加工方面，铸铝材料的加工为铸铁材料的两倍。其次由于加工铝合金缸体
35、的切削力比铸铁材料小很多，对加工夹具的刚性要求也比铸铁工件的加工低得多，因而夹具所用油缸的直径、数量也少。由于结构偏向简单，夹具的设计和制造成本也为之降低。表 5.3.1 给出了铸铁材料和铝合金材料加工参数表。表 5.3.1 铸铁材料和铝合金材料加工参数表铸铁材料加工刀具参数 铝合金材料加工刀具参数序号加工内容刀具直径齿数刀具材料Vcm/minNr/minFzmm/rFmm/r刀具材料Vcm/minNr/minFzmm/rFmm/r1 粗铣 125 8 合金 250 637 0.17 866 PCD 1000 2548 0.2 40762 精铣 125 8 合金 300 764 0.12 73
36、4 PCD 1500 3822 0.12 36693 钻孔 6.8 1 合金 120 5620 0.2 1124 合金 200 9367 0.2 18734 攻丝 8 1 HSS 30 1194 1.25 1493 HSS 50 1990 1.25 24485 镗孔 60 2 合金 250 1327 0.06 159 PCD 1800 9554 0.06 11466 绞孔 16 4 合金 40 796 0.1 318 PCD 600 11943 0.1 4777通过商标可知，铝合金材料的加工可实现 5 倍于铸铁的加工，进给速度可以达到 10 倍以上。同时铝合金可采用压铸工艺生产，加工余量本来就
37、比铸铁少很多，而加工速度又有了很大提高。所以铝合金工件工艺有点很明显：加工时间短，效率高，效果明显。同时高速精铣带来的还有加工精度高：由于铸铝材料加工切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区域窄，变形系数小，切削力下降大概 30%-90%。刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被告诉流出的铝屑所带走，因此工件和刀具的热变形小，有效地提高了加工精度。表 5.3.2 给出了缸体曲轴孔加工后精度对比。表 5.3.2 缸体曲轴孔加工前后精度对比工件材料 直径 圆度 mm 直线度 mm 粗糙度 备注铸铁 H3 0.005 0.005 Ra 1.25 研磨铸铝 H6 0.003 0.005 Rz6 精镗镁合
38、金因为性质与铝合金类似，在此便不一一阐述。6 氮化硅陶瓷材料6.1 轻盈性氮化硅陶瓷的密度为钢的 2/5，比铝的密度还要小，同时还可以省去冷却系统，可以大大减轻发动机的重量，从而达到轻量化的目标。6.2 绝热性陶瓷材料与金属材料相比，导热率要低很多，所以陶瓷发动机可以成为“ 绝热发动机”。用导热率低的材料做气缸、活塞、缸盖，可以组成对外散热很少的燃烧室系统，以此提高发动机的燃烧质量和做功效率；这是陶瓷材料做发动机燃烧系统在理论上最迷人的地方。使用陶瓷材料做的发动机输出功率比较大，特别是冷机性能较好。可以想象：在缸壁提高温度还减少散热的情况下，缸内的燃烧质量会因散热少而有所提高；特别是淬熄层会大
39、幅度地减少，燃烧室周边的燃汽也可以参与燃烧，当然会有节约燃油增加功率和减少排放污染的效果。6.3 抗磨性从理论上来讲，陶瓷材料本身由高温烧结而成，应该具有耐高温、抗氧化、坚硬、耐磨等性能。但是实际上陶瓷材料的材质结构应该是类似粉末冶金，不是通常金属的那种紧密材质，便对它的抗磨性与坚韧性产生了怀疑。按说粉末材质应该是便于含油有利于润滑的，是不是目前配给的润滑油不符合其不同的高温特性？还是因为它不耐冲击的材质特性受不了活塞环磨擦冲刷在微观上的冲击产生破损？是不是陶瓷缸体需要配置另类特别设计的活塞环才行？这些都是今后需要研究的课题。6.4 润滑性虽然过去有陶瓷材料润滑性较好的说法，但是其真实性有待考
40、量。因为陶瓷是一种粉末烧结出的材料，其原材料类似可以做磨刀油石的钢玉细沙泥，除非其材质细腻到某种程度，或是有表面涂层和加工到一定的表面粗糙度。否则气缸内壁在工作时与活塞环高速摩擦，势必会降低工作效率甚至会损坏活塞。通常机械运动件在金属与金属的配合中，接触面除了尺寸和光洁度外，材质和润滑油都有讲究。一般接触面小的那一端容易磨损，多用比较光滑坚硬的材质；接触面大的那一面多用硬度略微低一点的材料，最好还是具有自行磨光润滑的材料，免得过早将小面积的那端磨损。按上述常规理论，在发动机的气缸与活塞的设计上，活塞环就是一个最容易受到加倍磨损的严重薄弱环节。在一般的金属气缸里，一个缸体在其使用寿命期间，可以用
41、到两个活塞和四套活塞环；如果陶瓷气缸的材质太硬或是缺少自行光洁能力，活塞环的寿命势必会大大降低。还有一个问题就是陶瓷材料导热率很低，也就是绝热性能很好，做气缸有严重的缸壁温度过高问题，除了要小心残余热点诱发油汽早燃外，最伤脑筋的是需要特别耐高温的润滑油！一般用在金属气缸中的润滑油在此已经不行。所以陶瓷气缸还存在一个问题就是高温润滑油的使用。6.5 耐用性氮化硅陶瓷强度可以一直维持到 1200不下降，但是一但工作温度超过 1200，材料的力学性能便会急剧下降，而发动机气缸工作温度最高可以达到 1800-2200，在这种情况下陶瓷发动机气缸的寿命会急剧下降。6.6 散热性即使是用耐高温和低导热率的
42、材料来做气缸和燃烧室系统，也要考虑到适当的散热问题，要不然燃烧室的温度越来越高，进入气缸的油汽不等火花塞点火就会在燃烧室内受热被过早引燃。陶瓷材料的导热率较低，这时对内部热量的输出散发又有点问题了。如果从发动机的需要来讲，燃烧室系统倒不必全部都用象陶瓷这样缺少韧性的材料，只要缸体、缸盖、活塞等几个接触燃烧高温的零部件在表面上有点陶瓷那样的抗热隔热特性就行，因此最好的做法应该是在高温接触表面使用氮化硅陶瓷涂层。 6.7 协调性有了上述的这么些问题后，陶瓷气缸的实际应用就不是一件简单的事，要讲究与其配套的一系列问题，不是简单地单独装上去就可以使用。初步看来：1.有活塞与活塞环的设计与磨损问题。2.
43、有耐高温润滑油的配套问题。3.有自身的抗磨性能问题。4. 有防止炽热点早燃的问题。5.有排气温度偏高的问题。6.还有少许气缸与缸盖的外部散热问题。6.8 经济性陶瓷气缸有其性能优越迷人的一面，但因其原料与工艺的特殊性，目前造价不低，性能与质量上也有点不是很完善；待以后完善解决了上述的一些问题后，随着技术的不断进步，相信其制造成本和售价会慢慢降下来，或许在未来的某一天，氮化硅陶瓷气缸能够真正得到普及应用。7 几种发动机材料的比较由于技术方面的问题，陶瓷发动机至今仍然还处于实验室阶段，未能得到量产，有许多问题，因此在这里仅比较灰口铸铁、蠕墨铸铁和铝合金的相关性能指标。前文已经对蠕墨铸铁和灰口铸铁做
44、了比较，下文将主要对蠕墨铸铁和铝这两种新的发动机材料进行比较。与铝相比较，蠕墨铸铁的力学性能可以为发动机提供以下优势：较小的发动机尺寸；较高的性能比；降低气缸内径的变形和改进油耗；不需要气缸村套或表面不需要浸蚀处理或涂层；改善噪声-振动-不平顺性；低的生产成本；改善可循环利用性。由于蠕墨铸铁和铝之间的密度差别较大（蠕墨铸铁 7.1g/cm3，铝 2.7 g/cm3） ，我们很容易想到蠕墨铸铁缸体要比相似容积的铝制缸体重。但是，由于蠕墨铸铁的高强度和高刚度，因而可以降低主要承受载荷处的厚度。缸体体积大大减小，因此与其相关的一些配件也可以减小，从而总体质量降低。对有两排气缸组成的 V 型缸体，组装
45、好的蠕墨铸铁发动机与组装好的铝发动机重量几乎相同表 7.1 给出了奥迪发动机与奔驰发动机比较的实例。表 7.1 奥迪 4.2L 蠕墨铸铁 V-8 发动机与奔驰 4.0L 铝 V8 发动机比较参数 奥迪 4.2L V-8 TDI 奔驰 4.0L V-8CDI功率/kw 240 231比功率/kw/litre 57 57扭矩（Nmrpm） 6501600 5801600加速度/（0-100km/h，sec）5.9 6.1缸筒间距/mm 520 640总长/mm 255 259发动机重量/kg 255 259功率重量比/（kw/kg） 0.94 0.898 结束语人类文明的进步总是随着材料的发展而不
46、断进步，而汽车也不例外。汽车发动机缸体的材料从最初单一的灰口铸铁，到今天的百家争鸣，蠕墨铸铁，铝合金，镁合金，钛合金，甚至陶瓷材料，而制造工艺从最初的砂型铸造，到今天的压铸成型。可以说随着工艺的不断进步，新材料的应用会越来越广泛，以后将会出现更多不同种类的发动机。References1益小苏 杜善义 张立同等。中国材料工程大典第十卷：复合材料工程M 。北京：中国化学工业出版社，2005 年：557-563，816。2刘文川 梁应雄。国内外车用发动机气缸体铸造技术现状J 。汽车技术，1993 年。3钱人一。轿车发动机机体的轻量化技术J 。汽车工艺与材料，2000 年。4史蒂夫道森。蠕墨铸铁现代柴油发动机缸体和缸盖的材料 J 。铸造技术，2009年。5张少华。铝合金在汽车上的应用进展J 。汽车工业研究，2003（3 ）：36-39 。6毛麟瑞。汽车轻量化与铝合金J 。金属世界，2002（6 ）：16-17.
