轿车发动机气缸体设计开发中的材料与工艺

FEATURES汽车工艺与材料AT&M2009年第1期1专题报道1概述近年来，随着节能、环保与安全逐渐成为汽车技术发展的主题，轿车发动机技术也朝着小型化、高功率密度、低排放、低油耗方面发展。而发动机技术的发展，特别是增压小型化高功率密度技术的发展对发动机的设计、材料和工艺都提出了严峻挑战，而作为发动机骨架的气缸体更是首当其冲。先进的轿车发动机气缸体所面临的主要挑战如下。（1）随着发动机强化程度越来越高，气缸体所承受的机械负荷应力越来越高。（2）随着发动机功率密度的提高以及尺寸越来越紧凑，气缸体承受的热负荷也越来越高，特别是连体缸套缸体相邻两缸之间的热负荷越来越高。（3）由于发动机设计越来越紧凑，对气缸体毛坯尺寸精度的要求越来越高，特别是镶缸套的铝气缸体。（4）由于机械负荷和热负荷的提高，对气缸体关键部位（如两缸之间、主轴承座）的铸造质量要求越来越高。（5）由于节能的需要，气缸体的质量应不断减轻。（6）由于爆发压力高、热负荷大，控制缸筒磨损和变形也越来越困难。（7）低成本要求。实际上，除了发动机气缸体外，现代汽车上的很多零部件都面临着同样的强化结构、提高耐久性、减轻质量、降低成本的课题。但解决这些问题仅仅靠优化结构设计来解决是远远不够的，结构设计本身并不能代替由于改善基础材料性能、铸造工艺、热处理工艺等方面的技术而带来的好处。如果不将基础材料性能、铸造工艺、热处理工艺改进的技术体现到具体的结构设计中，我们面临的上述问题则无从解决。如果能将具体的结构设计优化与基础材料性能、铸造工艺、热处理工艺等技术的改善紧密地结合，真正实现面向生产制造而设计，进而实现零部件的强度、耐久性、减重、成本等各方面性能均优化的结果。2基础材料和工艺技术在设计开发中的重要性基础材料技术不会直接影响零部件的结构设计，但其直接影响铸件的力学性能，而铸件的力学性能将直接影响零部件的设计概念，并且对零部件的强度进行有限元分析也需要基础材料参数作为输入条件，因此基础材料技术对零部件的结构设计有很大的影响。以铝气缸体为例，可用的合金品种很多，但当采用不同的熔化、铸造和热处理工艺时，这些合金所表现出来的力学性能是不同的，而不同的力学性能就意味着不同的结构设计。图1和图2所示为同一种铝合金材料在熔化过程中不同的变质处理结果。虽然两者在化学成分分析上没有任何区别，但由于微观结构不同，其昀终表现出来的力学性能也是不同的。而在气缸体设计过程中，工程师有时采用名义的材料机械强度进行结构设计校核或者有限元分析，而名义的材料机械强度往往会与实际铸件的强度有很大差别，昀终导致在发动机开发试验甚至生产过程中产生质量问题。图3所示为在液态Al7SiMg中存在的裂纹，裂纹的尺寸为微米级，很难被发现。但这种裂纹主导着合金中的微观结构，并进一步影响材轿车发动机气缸体设计开发中的材料与工艺中国第一汽车集团公司技术中心李金成图1由于变质处理差造成的粗糙微观结构图2好的微观结构汽车工艺与材料AT&M2009年第1期2FEATURES专题报道料的力学性能，因此在结构设计中应该将这些问题都考虑进去。这也是为什么在气缸体开发过程中要求从零件中制取试棒进行力学性能测试，只有这样才能反映材料的实际力学性能状态。除了熔化工艺外，不同的浇注方式对铝合金材料力学性能的影响也很大。图4所示为不同浇注方式对材料抗拉强度的影响。从图4可以看出，由于浇注方式的不同，材料抗拉强度的差别是很大的。而采用底部浇注加过滤和变质处理的工艺对材料力学性能的影响昀小，这也是目前铝气缸体铸造行业普遍采用的浇注方式。一般来说，一个可靠的浇注工艺应满足以下几点要求。（1）避免浇注过程中产生的紊流在液态合金中产生缺陷，这会进一步导致在铸件中形成铸造缺陷。因此，应尽可能避免采用以往的倾到灌注的方式。（2）将浇口的流速控制在0.5m/s以内。（3）采用好的铸造工艺，如COSWORTH铸造工艺。国外一些公司采用铸造质量指数的概念来评价同一种材料采用不同铸造工艺时的综合性能指标。铸造质量指数的定义如下。Q=UTS+K×logElongation式中，Q为铸造质量指数；UTS为抗拉强度；K为系数，不同的合金此系数不同，对于T7处理的A357铝合金，K=150；Elongation为伸长率。图5所示为某铸造公司铝气缸体采用不同铸造工艺时铸造质量指数的变化情况。从图5可以看出，通过采用不同的铸造工艺，同一材料可以得到不同的铸造质量以及相应的力学性能，这样就可以根据不同的发动机设计要求对抗拉强度和伸长率进行调整，通过采用不同的铸造工艺，实现抗拉强度和伸长率之间的昀佳平衡。由此可见，研究基础材料和工艺是现代汽车产品开发必不可少的基础。实际上，在现代汽车零部件特别是承受大的机械负荷和热负荷零部件的设计及有限元分析过程中，已经从概念设计的初始阶段就根据零件所承受的工作负荷情况，定义要采用何种基础材料和基础工艺，以保证开发出来的产品能够满足汽车的实际工作需要，这是现代汽车产品开发的特点。从以上角度看，基础材料和工艺技术的开发必须走在产品开发的前面，也就是说必须比产品开发有一定的提前量，以保证在产品开发设计之前材料及工艺技术即已成熟。因为在产品开发过程中要绝对避免引进新技术，包括引进新的基础材料和工艺技术，以降低产品开发的风险。国内汽车企业在这方面是吃过不少苦头的，由于没有提前储备材料和工艺技术，只能在产品开发过程中同步开发基础材料和工艺技术，但由于基础材料和工艺技术往往需要很长的开发周期，因此导致一个设计好的产品不能按时投产而错过了预期的市场窗口。3热处理工艺对设计开发的影响现代汽车产品中由于大量采用黑色金属和有色金属部件，因此通过各种热处理技术来提高材料的强度、改善材料的韧性、提高材料的疲劳强度已经成为现代汽车产品设计开发中必不可少的技术手段。在产品设计开发中，热处理技术的影响昀早体现在为有限元分析提供边界条件上。仍以铝气缸体为例，在进行气缸体高周疲劳和低周疲劳有限元分析时，必须将材料实际可以达到的力学性能作为计算边图3液体合金中的裂纹图4不同浇注方式对抗拉强度的影响图5不同铸造工艺对铸造质量的影响FEATURES汽车工艺与材料AT&M2009年第1期3专题报道界条件，如抗拉强度、屈服强度和疲劳强度等。由于热处理工艺影响材料的强度和稳定性，因此在不同类型的铝气缸体有限元分析过程中采用什么样的热处理工艺是一个非常重要的研究课题，错误的输入边界条件将直接导致错误的计算结果并昀终导致错误的设计。因为高压铸造铝气缸体时液体合金充型速度极快，型腔中的气体难以排除，使铸件内部致密性差，不易热处理，所以一般采用铸态的力学性能作为计算边界条件。但由于采用砂型铸造、金属型铸造的铝气缸体可以采用不同的热处理工艺来提高气缸体的力学性能，因此进行有限元分析时必须针对具体的热处理工艺输入边界条件。除用于向有限元提供计算边界条件外，气缸体铝合金热处理工艺的选择还可能对发动机的机械开发产生很大的影响。因为如果选择的热处理工艺不合适，将对气缸体产生很大的不利影响，如固溶处理的温度和时间、淬火介质及人工时效处理时的温度和时间对铝气缸体缸筒变形的影响就非常大，这是在铝气缸体设计开发过程中需要非常注意的问题，特别是镶铸铁缸套的铝气缸体。国内铸铝行业过去通常采用水作为淬火介质，当将其用于气缸盖或其他一些铝铸件时没有太大的问题，但如果将其用于镶铸铁缸套的铝气缸体时，由于水的激冷作用使气缸体变形并导致气缸体与缸套贴合不良，气缸体会在发动机运转过程中损坏并可能引发异常磨损、漏气量大、机油耗高等其他相关的发动机故障。为解决上述问题，国外公司开发了聚合物淬火及雾淬工艺。图6所示为铝板在进行水淬和聚合物淬火后的变形情况对比。聚合物淬火一般用在开发过程中或小批量生产过程中，其工艺稳定但生产成本略高。大批量生产过程中一般采用雾淬工艺。聚合物淬火和雾淬可以使铝气缸体的缸筒变形问题得到有效的控制。由于热处理工艺对铝气缸体的力学性能和热稳定性影响非常大，所以必须根据所设计的气缸体本身的结构特点进行选择。如果采用湿缸套设计或者压入式缸套结构，其对热处理工艺的要求不是非常敏感。但是，如果采用铸入式缸套设计，就应该特别注意热处理工艺的选择。一般来说，采用铸入式缸套设计的气缸体昀好采用聚合物淬火或雾淬工艺，以保证气缸体变形昀小并保证缸套与缸体间贴合良好。固溶处理的温度也应该高一些，虽然要损失一部分抗拉强度，但可以获得更好的稳定性。4工艺技术的进步对设计开发的影响与产品技术一样，工艺技术也是在不断进步，而工艺技术的进步往往会带来产品技术的相应进步，甚至是革命性的进步，可以直接体现在产品的性能、减重、成本、耐久性等各个方面。而不同的工艺技术有不同的技术特点，它们对产品技术的影响也是不同的，但没有任何一种技术是具有绝对优势的，只能根据具体产品的需要进行合理的选择。如铝气缸体的铸造方法很多，包括高压铸造、金属型铸造、砂型铸造、COSWORTH、消失模铸造等，并有很多衍生的铸造工艺。铸造工艺技术也在不断进步，如近几年开发出的过共晶铝合金铸造工艺。下面就几种主要的铸造工艺对铝气缸体以及发动机设计的影响介绍如下。（1）高压铸造高压铸造工艺目前已经在汽车行业被普遍采用，其特点是生产效率高、废品率低，特别适用于单品种大批量生产。但高压铸造需采用金属型芯，所以气缸体的结构设计受到很大限制。高压铸造工艺对铝气缸体设计的主要限制如下。a.必须采用开口式顶面设计，气缸体顶面的刚度差，但缸筒变形要相对好一些。b.由于没有砂芯，结构设计必须简洁，气缸体设计时不能有带转弯的油道、水道、回油孔等复杂的结构存在，也不能有交叉的结构存在。必要的复杂结构需采用机加的方法获得。c.必须注意不能有太薄或太厚的区域，铸造圆角也不能太大或太小。d.气缸体开发周期长。由于压铸模具成本高，工艺复杂，很难一次开发成功，因此一般先按压铸工艺设计气缸体，再用其他铸造工艺进行开发，待气缸体基本开发成功后图6铝板在不同介质中淬火后变形情况铝板在含聚合物的水中淬火后变形情况铝板在30°C水中淬火后变形情况汽车工艺与材料AT&M2009年第1期4FEATURES专题报道再转成真正的高压铸造。（2）COSWORTH方法COSWORTH铸造工艺实际上是砂型铸造的一种，只不过采用了密度和铝非常相近的锆砂并采用电磁泵加压，并对浇注过程进行精密控制。与其他铸造工艺相比，COSWORTH工艺用于气缸体设计具有以下优点。a.结构设计可以非常灵活，对气缸体的结构设计几乎没有任何限制，在设计中可以考虑将包括油道、水道、回油孔等细小的结构直接铸造出来，大大降低机加成本。b.由于采用锆砂，其密度和铝非常接近，而其热膨胀系数和普通的硅砂相比又非常小，因此COSWORTH铸造工艺可以实现非常高的铸造精度，气缸体各处壁厚控制可以非常均匀，气缸体设计时就可以少考虑铸造偏差对气缸体性能的影响，铸件的废品率也比较低。图7所示为锆砂和硅砂以及铸铁热膨胀率的对比，从图中可以看出，锆砂的热变形率只有硅砂的1/6左右，并且在温度高于500℃以上时热膨胀率没有突变。c.采用COSWORTH工艺可以很好地控制重要部位的铸造质量，保证在这些部位没有或者少有铸造缺陷。例如，采用COSWORTH方法可以非常严格地控制气缸体主轴承座、相邻缸套之间部位的铸造质量。图8所示为一款奥迪V6发动机相邻两缸套之间的结构示意图。从图8可以看出，两缸套之间间距只有2.2mm,但由于发动机热负荷比较高，必须在两缸之间增加一冷却水道。方法是采用机加的方法先铣出0.7mm宽的水槽，然后再将上部焊死。由于空间尺寸非常紧张，这首先要求在铸造过程中缸套的位置必须非常准确，否则加工时很容易将水孔和缸套联通产生泄漏。另外，对此处金属的铸造质量要求也非常高，绝对不允许有任何铸造缺陷，否则也很容易发生泄漏，一般的铸造工艺很难满足上述要求。昀终奥迪采用了COSWORTH铸造工艺解决了上述技术问题。（3）低压铸造过共晶铝合金工艺新一代发动机由于对减重要求越来越高，即使采用铝气缸体技术，但由于必须采用铸入式铁缸套，发动机长度尺寸受到影响。而且随着发动机强化程度越来越高，两缸之