高強度柴油機缸體材質工藝研究

田 宇

隨著行業的不斷發展，發動機的主要發展方向是在降低油耗和排放量的前提下，提高比功率、增加扭矩、降低整機體積。如何能夠同時滿足以上要求呢？這就要取決于發動機關鍵零部件的材料特性。蠕墨鑄鐵具有球墨鑄鐵的強度，與灰鑄鐵相比有類似的防振、導熱能力及鑄造性能，而又比灰鑄鐵有更好的塑性和耐疲勞性能。現代鑄造工藝已能確保得到較好的蠕化率，因此在缸體上的應用已無技術障礙，國內外發動機缸體與缸蓋85%采用灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵，只有不到15%使用鋁合金材質，高強度灰鑄鐵（HT300）和蠕墨鑄鐵將是未來缸體與缸蓋發展的方向。

1 高強度材質缸體材質檢驗

為提高缸體整體強度和優化結構，特將4M缸體作為一個突破點來研究，對此選取試驗樣件進行一系列檢測。

試驗樣件：以4M缸體作為試驗樣件，選取某毛坯廠家的HT300缸體2臺（機型：4110Q），1臺精鏜缸孔，1臺珩磨缸孔；以L4R缸蓋作為試驗樣件，選取同一毛坯廠家的HT300缸蓋，加工工藝保持不變。

抽取1臺HT300缸體做本體材質檢測，硬度、金相等數據如表1、表2所示。

表1 硬度

表2 金相

化學成分如表3所示。

抗拉強度（底部法蘭面）如表4所示。

對比分析如下。

（1）樣件HT300缸體在硬度、抗拉強度上都能滿足濰柴標準的最小值。

（2）樣件HT300缸體符合《GB/T 9439-2010灰鑄鐵件》檢測硬度和抗拉強度要求，但在金相、化學成分上略有差異：濰柴HT300標準不含Sn（錫），但Mo（鉬）含量達到0.3%～0.5%；而樣件HT300實測值Sn（錫）達到0.7%左右，Mo（鉬）含量僅為0.02%～0.03%。

表3 化學成分

表4 抗拉強度

HT250缸體取樣部位抗拉強度對比數據如表5所示。

表5 HT250缸體取樣部位抗拉強度對比數據

HT250缸體實測值與國標HT250材質標準對比數據如表6所示。

表6 HT250缸體實測值與國標HT250材質標準對比數據

對比分析如下。

（1）從化學成分上來看，基本符合HT250材質標準要求。

（2）從不同取樣部位的抗拉強度對比（取樣部位：頂面缸蓋螺栓部位、主軸承座螺栓部位、底面油底殼法蘭）發現兩家毛坯都不能滿足圖紙技術要求及錫柴標準。

結論：不論是HT250還是HT300抗拉強度都能滿足《GB/T 9439-2010灰鑄鐵件》最低標準，即≥195MPa，但是對比國內一流企業還有很大技術差距。

2 高強度材質缸體對缸孔加工的影響

通過不同材質、不同加工方式對比，分析材質、加工方式對于缸體缸孔的影響。通過三坐標測量機，從缸孔頂部10mm處（截面1）開始測量，每隔10mm取一個截面，共取18個截面，每個截面取8個點，分別對HT250、HT300不同材質、精鏜缸孔和珩磨缸孔不同加工方式依次測量，著重從四個方面來分析。

（1）精鏜缸孔與珩磨缸孔圓度分析

壓裝缸套前對缸孔進行測量，分別對精鏜缸孔和珩磨缸孔進行缸孔圓度的測量，如圖1所示。

圖1 精鏜缸孔與珩磨缸孔圓度對比

由圖1可知，珩磨缸孔的各截面圓度變化值在0.01mm之內，精鏜缸孔的各截面圓度變化值在0.02mm之內（一缸缸孔的截面16和截面17測量值較大，變化不正常，統計為測量誤差，不計），測量結果和采用內徑表進行缸孔圓度測量結果變化一致。分析認為：珩磨缸孔圓度整體好于精鏜缸孔圓度。

（2）精鏜缸孔壓裝缸蓋前后缸孔圓度分析

缸套裝在缸體內，壓裝缸蓋前對缸孔進行圓度的測量，測完后，壓裝汽缸蓋再進行缸孔圓度的測量，缸蓋螺栓扭矩為240N·m，如圖2所示。

圖2 精鏜缸孔壓裝缸蓋前后缸孔圓度對比

由圖2可知，缸套壓裝進缸孔之后，缸套的圓度變化不是很大，幾乎與缸孔的變化一致，差值在0.02mm以內。但壓裝缸蓋后再進行測量，變化比較明顯，且呈腰鼓型（中間部分變化較大），差值在0.04mm以內。分析認為：精鏜缸孔，預緊力對缸孔的圓度影響比較大。

（3）珩磨缸孔壓裝缸蓋前后缸孔圓度分析

缸套裝在缸體內，壓裝缸蓋前對缸孔進行圓度的測量，測完后，壓裝汽缸蓋再進行缸孔圓度的測量，缸蓋螺栓扭矩為240N·m，如圖3所示。

由圖3可知，缸套壓裝進缸孔之后，缸套的圓度變化不是很明顯，幾乎與缸孔的變化一致，差值在0.025mm以內。但壓裝缸蓋后再進行測量，變化比較明顯，且呈腰鼓型（中間部分變化較大），差值在0.04mm以內。分析認為：珩磨缸孔，預緊力對缸孔的圓度同樣影響比較大，變形量基本和精鏜缸孔保持一致。

（4）精鏜缸孔與珩磨缸孔壓裝缸蓋后缸孔圓度分析

針對精鏜缸孔和珩磨缸孔兩種不同的加工方式，壓裝汽缸蓋后進行缸孔圓度的測量，缸蓋螺栓扭矩240N·m，如圖4所示。

圖3 珩磨缸孔壓裝缸蓋前后缸孔圓度對比

由圖4可知，壓裝缸蓋后預緊狀態下，精鏜缸孔的缸套孔圓度與珩磨缸孔的缸套孔圓度對比變化基本一致（第4缸變化較大），但圖4顯示，整體珩磨缸孔在預緊力狀態下缸套孔圓度要好于精鏜缸孔在預緊力狀態下缸套孔圓度。分析認為：預緊力對整體珩磨缸孔和精鏜缸孔的圓度都有影響，但整體珩磨要略好于精鏜。

結論：通過以上四組不同對比方式的分析得出如下結論。（1）珩磨缸孔的圓度整體好于精鏜缸孔的圓度。珩磨缸孔的各截面的圓度變化值在0.01mm之內，精鏜、缸孔的各截面的圓度變化值在0.02mm之內。（2）壓裝完缸蓋后，在預緊力狀態下，缸套圓度變化較大，呈腰鼓型（中間大，兩頭小）。缸套壓裝后，缸套的圓度變化差值在0.02～0.025mm，但壓裝缸蓋預緊后圓度變化差值在0.04mm以內。（3）預緊力對整體珩磨缸孔和精鏜缸孔的圓度都有影響，但整體珩磨要略好于精鏜。

綜上，以4M缸體為例，整體珩磨工藝要好于精鏜缸孔工藝。缸套孔圓度在缸蓋預緊力作用下，不論整體珩磨缸孔還是精鏜缸孔變形都很大，但同樣珩磨缸孔要整體好于精鏜缸孔，可以說明，缸孔圓度變化與缸體結構整體強度有很大關系，但材質變化對缸孔圓度的影響較小。

圖4 精鏜缸孔與珩磨缸孔壓裝缸蓋后缸孔圓度對比

3 高強度材質缸體的工藝可行性分析

3.1 技術可行性分析

（1）高強度灰鑄鐵（HT300）機械性能略高于HT250，加工蠕墨鑄鐵所需機床功率要增大10%～30%；蠕墨鑄鐵的導熱率僅為灰鑄鐵的78%，這會加大刀具的熱磨損效應，但蠕墨鑄鐵延展性較好，抗拉強度和疲勞強度約為灰鑄鐵的兩倍，需要選用高強度、耐熱磨損性刀具。使用高性能涂層刀具、CBN刀具、陶瓷刀具等可以滿足切削要求。

（2）蠕墨鑄鐵具有球墨鑄鐵的強度，與灰鑄鐵相比又有類似的防振、導熱能力及鑄造性能，而又比灰鑄鐵有更好的塑性和耐疲勞性能。現代鑄造工藝已能確保得到必須的蠕狀石墨和蠕化率，因此在缸體上應用已無技術障礙，國外很多汽車企業如Audi、DAF、Ford-PSA、Hyundai、BMW、Opel等已批量生產蠕墨鑄鐵機體缸蓋，國內如一汽錫柴、東風汽車也已開始生產蠕墨鑄鐵機體缸蓋，因此，具有可借鑒的技術工藝。

3.2 生產可行性分析

（1）HT300鑄件硬度高于HT250鑄件，加工時刀具磨損增加，鉆孔時鐵屑變長。HT300鑄件添加合金較多，造成鑄件收縮率增大，不但會造成鑄件內腔出現內漏、裂紋等，還會影響鑄件尺寸。

（2）HT300鑄件可全線正常加工，已合格交出成品，但刀具磨損明顯加快。加工過程中所有的銑削工序均在邊緣有掉塊兒現象，加工面亮度高，表面更光滑，鐵屑碎末少，但成型鐵屑形狀略小于HT250鑄件；鉆孔和攻絲機床受力較大，有振動，切削聲音較大；鏜孔加工由于各道工序余量分配較小，無明顯異常。

結合現狀，高強度灰鑄鐵（HT300）可以實現批量生產。蠕墨鑄鐵批量生產難度較大，生產線機床負荷、切削參數、刀具材質都難以滿足蠕墨鑄鐵加工需求，可根據現有生產線狀況，通過柔性加工單元實現小批量驗證，或新建加工線兼顧灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵實現批量生產。

3.3 市場可行性分析

從國內外發動機企業使用蠕墨鑄鐵的實例來看，機體缸蓋材質性能得到很大提高，多用珠光體基體蠕墨鑄鐵，它比灰鑄鐵和鋁合金的抗拉強度要高出75%以上，彈性模量高40%以上，而疲勞強度要高出近100%，防振、導熱性較好，而又比灰鑄鐵有更好的塑性和耐疲勞性能。采用蠕墨鑄鐵機體缸蓋的發動機在市場中具有很強的競爭力，功率增加、熱負荷力增加、排放量降低，在不增加發動機尺寸和重量的前提下，用蠕墨鑄鐵缸體和缸蓋所制造的柴油發動機不僅滿足了使用壽命的要求，同時尺寸也穩定，在整個使用壽命內滿足尾氣質量的要求，在市場競爭中將具有巨大的技術優勢。

3.4 成本分析

（1）鑄造時需要增加Cr、Cu、Sn的含量，同時需要添加Mo，主要是貴重金屬投料成本增加。（2）鑄件加工外廢、料廢會有所增加，成品率有所降低。（3）鑄件為合金鑄鐵，結構復雜，內應力大，必須進行時效熱處理。

（4）鑄件收縮率增大，會造成鑄件內腔出現內漏、裂紋等，影響鑄件尺寸，質量控制投入要求高。

除成本增加外還需突破關鍵技術瓶頸：良好的鑄造工藝性、穩定的蠕化率和成品率、良好的機械加工性、刀具選型、降低鑄件收縮率，消除內漏和薄壁冷隔缺陷。解決了上述關鍵技術問題，才能保證質量和生產穩定性。

4 結語

目前，毛坯供應商批量生產高強度材質缸體的能力還有待提高，尤其是在鑄造工藝和熔化工藝等方面，需要進一步采用可靠成熟的工藝手段來控制質量，加工生產線還存在一定的瓶頸問題，但隨著柴油機行業的快速發展和國家排放標準的進一步提高，通過采用高強度灰鑄鐵（HT300）和蠕墨鑄鐵材質，提高缸體的整體強度，在減少油耗和排放量的同時提高比功率、增加扭矩、減少體積，進一步提高柴油機整體強度和性能指標，這將是柴油機未來發展的必由之路。

[1]全國鑄造標準化技術委員會.JB/T3829-1999蠕墨鑄鐵 金相[S].北京：中國標準出版社，1999.

[2]全國鑄造標準化技術委員會.JB/T4403-1999蠕墨鑄鐵件[S].北京：中國標準出版社，1999.

[3]全國內燃機標準化技術委員會.JB/T9742-1999內燃機 灰鑄鐵氣缸蓋和機體鑄件 技術條件[S].北京：中國標準出版社，1999.

[4]全國內燃機標準化技術委員會.JB/T9753-1999內燃機 鑄鐵機體 技術條件[S].北京：中國標準出版社，1999.

[5]全國內燃機標準化技術委員會.JB/T9753.2-2008內燃機 氣缸蓋與機體 第2部分：鑄件氣缸蓋 技術條件[S].北京：中國標準出版社，2008.

[6]中國國家標準化管理委員會.GB/T 9439-2010灰鑄鐵件[S].北京：中國標準出版社，2010.

[7]中國國家標準化管理委員會.GB/T 7216-2009灰鑄鐵金相檢驗[S].北京：中國標準出版社，2009.

[8]中國國家標準化管理委員會.Q/WCG 050-2009濰柴灰鑄鐵通用技術條件[S].北京：中國標準出版社，2009.

[9]毛萍莉.材料成形技術[M].北京：機械工業出版社，2007.