提高小型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸組件質(zhì)量的探究

莫持標(biāo)

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東江門 529090）

1 概述

氣缸組件包括氣缸體和氣缸蓋。氣缸組件是小型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零部件之一，對(duì)整機(jī)的性能影響很大。常用小型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體是雙金屬鑲鑄件，含鑄鐵缸套和帶散熱片的鋁合金Y112 外殼。原生產(chǎn)工藝上，要求對(duì)此種氣缸體進(jìn)行淬火和完全人工時(shí)效處理，實(shí)踐表明，淬火和完全人工時(shí)效處理使氣缸體表面嚴(yán)重起泡，缸套脫離，產(chǎn)生嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。因此，Y112鋁合金氣缸體作為一般壓鑄件不宜采用淬火和完全人工時(shí)效的熱處理，即T6熱處理[1]。

南方某汽油機(jī)廠在生產(chǎn)初期，小型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋低壓鑄件質(zhì)量不理想，鑄件不合格率曾一度超過(guò)40%，后經(jīng)過(guò)多方研究和改進(jìn)，使該鑄件不合格率大幅降到10%以下。氣缸蓋所用材料為鋁合金ZL104。鑄件帶有厚2 mm，高40～50 mm的散熱片，而氣缸蓋壁厚度只有5～10 mm。影響氣缸蓋鑄件質(zhì)量的主要因素是鑄造工藝和鑄型排氣條件，低壓鑄造出現(xiàn)的缺陷主要是夾氣和夾渣等。合理設(shè)計(jì)鑄型工藝是低壓鑄造獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的必要條件。鑄型工藝涉及的因素較多，主要有鑄型材料如型砂、金屬模型材料、澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、澆注位置與鑄件結(jié)晶的確定、鑄型排氣通道的布置、鑄型開與合情況、冷卻條件的控制等。生產(chǎn)表明，氣缸蓋壓力鑄造（高壓）能有效提高氣缸蓋鑄造質(zhì)量。

2 Y112鋁合金壓鑄氣缸體熱處理試驗(yàn)

Y112 鋁合金是我國(guó)編制的一種壓鑄鋁合金。Y112是代號(hào)，牌號(hào)為YZAlSi9Cu4，成份如下：

名稱Y112（代號(hào)）YZAlSi9Cu4 Si（%）7.5～9.5 Cu（%）3.0～4.0 Mg（%）0.1～0.3 Al（%）余量

小型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體一般采用雙金屬鑲鑄件，外層金屬為帶散熱片的鋁合金，內(nèi)層材料為硼鈦或高磷鑄鐵的耐磨缸套[2]。

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

以170F柴油機(jī)與本田CG125摩托車氣缸體作為試驗(yàn)對(duì)象。170F柴油機(jī)氣缸體與原裝日本本田摩托車CG125 氣缸體均為鋁合金包鑄鐵雙金屬鑲鑄件。將170F整體氣缸體和解剖開的本田摩托車CG125 半邊氣缸體裝入爐，另外半邊氣缸體放在爐外。為了使銅達(dá)到固溶強(qiáng)化，需要把試驗(yàn)對(duì)象放在爐內(nèi)加熱至515 ℃～525 ℃，并在爐內(nèi)保溫較長(zhǎng)時(shí)間后才能淬火。具體試驗(yàn)情況如下。

將試驗(yàn)對(duì)象放入爐中，控制爐內(nèi)的溫度：每小時(shí)升溫約100 ℃，在515 ℃±5 ℃范圍保溫2 小時(shí)，取出試驗(yàn)對(duì)象觀察并淬入溫水中。

170F柴油機(jī)氣缸體：鋁合金表面起泡，缸套離層。

CG125 本田摩托車氣缸體：鋁合金表面起泡，入爐的半邊氣缸體比不入爐的半邊增高大約2.5 mm。

2.2 試驗(yàn)情況分析

（1）對(duì)不采取特殊壓鑄工藝如真空壓鑄、充氧壓鑄、擠壓鑄等的一般壓鑄件，因?yàn)閴荷涞匿X合金液體在高壓高速下充型，型腔內(nèi)原有的氣體在極短的時(shí)間內(nèi)不能及時(shí)排出，被金屬壓縮包容在鑄件內(nèi)，就在工件內(nèi)形成小氣孔。這些小氣孔在高溫作用下就必然膨脹，導(dǎo)致氣泡產(chǎn)生，鑄件表面出現(xiàn)不平整或變形，直接影響鑄件質(zhì)量[3]。

170F柴油機(jī)氣缸和本田CG125摩托車氣缸在熱處理T6淬火溫度下產(chǎn)生氣泡，表明一般壓鑄件不能采用T6 熱處理。試驗(yàn)時(shí)候只保溫了兩小時(shí)，如果在生產(chǎn)中正式進(jìn)行T6熱處理，保溫時(shí)間要超過(guò)兩小時(shí)，工件將會(huì)出現(xiàn)更大的問(wèn)題。

（2）因不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，T6熱處理引起嵌鑲壓鑄件尺寸變化，缸套脫離，產(chǎn)生嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題；同時(shí)，經(jīng)檢測(cè)，本田CG125 摩托車氣缸體屬一般壓鑄件，并沒(méi)有經(jīng)過(guò)熱處理而使用。兩方面充分說(shuō)明，采用一般壓鑄件生產(chǎn)的氣缸體不能進(jìn)行T6熱處理。

（3）鋁合金經(jīng)過(guò)T6 熱處理，性能可得到改善，能獲得最大限度的硬度和強(qiáng)度。但對(duì)摩托車氣缸體來(lái)說(shuō)，鑄鐵缸套的耐磨性和鋁合金外殼的散熱性是主要的。所選擇的鋁合金在熱處理前已具備較好的強(qiáng)度、硬度（其抗拉強(qiáng)度σb=2.4 MPa，硬度為HB85，延伸率δ=1%），其性能已滿足使用要求，若再用T6熱處理工藝進(jìn)一步強(qiáng)化其強(qiáng)度和硬度，就顯然沒(méi)有必要。

（4）對(duì)摩托車鋁合金氣缸體進(jìn)行T6 熱處理，需時(shí)多耗電大，增加成本，影響效率，經(jīng)濟(jì)上顯然也不合算。

3 氣缸蓋低壓鑄件的主要缺陷及改進(jìn)

（1）氣孔。鑄件內(nèi)部存在的氣體所形成的孔洞。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，南方某汽油機(jī)廠氣缸蓋低壓鑄件上的氣孔或夾氣約占鑄件總?cè)毕莸?0%。影響氣孔或夾氣主要是鑄型的排氣條件和澆注充型速度。氣孔或夾氣的形成往往在氣缸蓋葉片的“死角”處、頂部或通道旁。

要避免出現(xiàn)氣孔或夾氣，采取以下措施：①要控制金屬液流速不能過(guò)快，同時(shí)要增設(shè)溢流槽和排氣道；②氣孔的產(chǎn)生還在于型芯熾透程度低，含水氣量大，低壓鑄造用的模具在噴刷涂料時(shí)要預(yù)先加熱到150 ℃～250 ℃，降低含水量，為了發(fā)揮模具或型芯表面涂料原有的氣泡“蓄氣庫(kù)”作用，減少鑄件產(chǎn)生氣孔的可能性，模具涂料層厚度一般要控制在0.1～0.3 mm范圍內(nèi)，涂料過(guò)多或涂料中的稀釋劑沒(méi)有徹底揮發(fā)就合模澆注，也容易產(chǎn)生氣孔；③對(duì)合金液充分排氣，控制熔化溫度和澆注溫度；④開模過(guò)早也是形成這一缺陷的原因之一，故要注意不能開模過(guò)早。

（2）夾渣及氧化皮。此類缺陷約占鑄件缺陷的20%。氣缸蓋低壓鑄件斷面上有不規(guī)則的明孔或暗孔，孔內(nèi)常被熔渣充塞，此類缺陷稱為夾渣。氧化皮在低壓鑄件內(nèi)部有不規(guī)則的點(diǎn)或小塊，外形呈薄片、皺皮或團(tuán)絮狀。低壓鑄件夾渣和氧化皮主要是金屬液含有雜物和氧化所致。

改進(jìn)的主要措施：①使用潔凈的合金材料，控制回爐料比例；②進(jìn)行精煉除氣，將合金液中的熔渣清除干凈；③澆勺取液澆注時(shí)，應(yīng)盡量避免混入熔渣或氧化皮；④適當(dāng)降低保溫溫度和減少保溫時(shí)間。

（3）縮孔和縮松。鑄件內(nèi)部收縮形成的孔洞，形狀和分布不規(guī)則，大而集中的孔稱為縮孔，小而分散的稱為縮松。鑄件壁厚變化大，冷卻條件較差，補(bǔ)縮困難，容易出現(xiàn)內(nèi)、外縮孔和縮松，約占鑄件缺陷10%。縮孔和縮松通常在探傷或機(jī)械加工時(shí)才能被發(fā)現(xiàn)。產(chǎn)生縮孔和縮松的主要原因是澆注溫度過(guò)低或金屬液在鑄型中順序凝固條件較差；其次受合金液成份、鑄型涂料厚度、冷卻速度和鑄型結(jié)構(gòu)的影響。

改進(jìn)的措施：①合金液冷凝過(guò)程未得到補(bǔ)縮而形成的縮孔，如因澆注溫度不適宜（如溫度過(guò)高），應(yīng)保證合適的澆注溫度，同時(shí)使模具保持適宜的工作溫度，減少鑄件收縮量；②如因鑄件結(jié)構(gòu)有熱節(jié)，壁厚不均勻，則應(yīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，消除或減少熱節(jié)；③如因澆注壓力低，應(yīng)提高壓力，以利補(bǔ)縮；④如因溢流槽容量不足，溢口過(guò)薄，則應(yīng)增加溢流槽容量，增厚溢口。

（4）澆不足。金屬液未充滿型腔，鑄件表面有不規(guī)則的孔洞、凹陷、棱角不齊、輪廓不清或鑄件形狀不完整。此類缺陷約占鑄件缺陷的20%。澆不足的主要原因是合金液流動(dòng)性不良、金屬液過(guò)早凝固、型腔困氣使金屬液充填受阻，造成充型不完全。

改進(jìn)的措施：①提高澆注溫度、模具工作溫度，強(qiáng)化金屬液的流動(dòng)性和充型能力；②改善充型條件，在澆不足部位加設(shè)溢流槽或排氣槽，在深凹型腔處可設(shè)通氣塞，轉(zhuǎn)角處取圓弧過(guò)渡；③修改澆注系統(tǒng)，改變充型模式，改善型腔排氣。如內(nèi)澆口截面太小，則應(yīng)適當(dāng)增大。

4 結(jié)論

（1）用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體壓鑄的Y112鋁合合金含有銅、鎂等元素，特別是銅含量較高，其三元化合物Al2CuMg 強(qiáng)化相的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，引起周圍晶格變形比較大，強(qiáng)化效果也較大，能較好地形成合金中的時(shí)效強(qiáng)化相；經(jīng)T6熱處理可取得第二強(qiáng)化相，可獲得最大限度的硬度和強(qiáng)度，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致其他嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。經(jīng)試驗(yàn)和分析得出：對(duì)小型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體一般壓鑄件，不進(jìn)行T6熱處理。

（2）小型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋低壓鑄件缺陷產(chǎn)生的原因是錯(cuò)綜復(fù)雜的，有時(shí)同樣的原因可能會(huì)產(chǎn)生不同的鑄造缺陷；有時(shí)不同的原因可能導(dǎo)致相同的鑄造缺陷。因此，要對(duì)鑄件缺陷的成因作具體的分析，才能找出真正的原因，采取有效的改進(jìn)措施益，保證鑄件的質(zhì)量。要獲得優(yōu)良的鑄件，必須要有正確的鑄造工藝。需要指出，小型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的鑄造，可采用壓力鑄造。采用壓力鑄造氣缸蓋容易獲得組織致密、輪廓清晰的鑄件，其表面質(zhì)量和尺寸精度總體高于低壓鑄造的鑄件。

［1］施廷藻，玉玉瑋.鑄造實(shí)用手冊(cè)：第1 版［M］.沈陽(yáng)：東北工學(xué)院出版社，1988.

［2］林本釗.對(duì)摩托車用汽缸壓鑄件要求T6熱處理的探討［J］.五邑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1998（2）：63-65.

［3］盧宏遠(yuǎn)，董顯明，王峰.壓鑄技術(shù)與生產(chǎn)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.