轿车柴油机气缸体及其铸造方法

摘要

本发明公开了一种轿车柴油机气缸体及其铸造方法。轿车柴油机气缸体采用蠕墨铸铁材料，壁厚为3mm，缸心距为86mm，气缸体前端以直接铸造方式设置喷油泵安装法兰和齿轮室或链轮室；气缸体后端以直接铸造方式设置变速箱连接法兰和起动电机安装法兰。通过调整蠕化剂配方、控制熔炼和浇注工艺实现了薄壁轻量化、高强度的目标，水套砂芯采用整体式结构，浇注工艺性好，同时采用缸顶朝下的铸造姿态，保证水套铸造精度；采用全冷芯铸型，这种铸型可喷涂耐高温涂料，砂型强度硬度高、精度高，铸型发气量小，从而保证薄壁气缸体铸件的精度，并有效减少铸造缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及柴油机气缸体及其铸造方法，尤其涉及一种轿车柴油机气缸体及其铸造方法。

背景技术

为了减少燃油消耗和降低二氧化碳排放，汽车的轻量化已经成为众所关注的焦点之一。轻量化尤其是改善汽车燃料经济性的有效途径，有研究表明，汽车整备质量每减少10％，燃料经济性可提高3％-5％，同时降低排放10％左右。同时，轻量化还可以提高整车的动力性，节省材料，降低成本。

作为汽车核心元件的发动机，其零部件中以气缸体的体积最大，重量最重，它是将发动机各机构、各系统组装成一体的基本部件。气缸体的轻量化设计开发自然而然成了一项重要的课题。

作为发动机中最重要的部件之一，气缸体尺寸较大，结构复杂，壁厚较薄且往往不均匀，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，其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，包括良好的强韧性、导热性、耐磨性、耐蚀性、加工工艺性能和经济性。另外，随着发动机的比功率越来越大，导致发动机气缸体的工作温度越来越高，很多部位温度超过200℃，这就要求气缸体必须有足够的强度，能承受高的机械负荷和热负荷。

铝合金的性能已经达到质量轻、强度高、耐腐蚀的要求，但铝合金的强度受温度影响较大，当工作温度超过200℃时其强度迅速下降，不足以承受高的机械负荷。随着发动机比功率及强化程度的提高，铝合金作为气缸体材料应用受到制约。

传统的灰铸铁、合金铸铁材料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，被广泛用作气缸体材料。但随着整车轻量化发展及发动机比功率的提高，其应用的局限性越来越大，主要原因是目前的技术水平使最薄壁厚仅为3-5mm的本体断面硬度差＜40HBS、组织细密均匀很难；同时片状石墨的存在，使得为了满足更高的使用要求而继续提高强度、韧性和耐磨性变得极为困难，难以实现薄壁高强度、轻量化气缸体。

对于轿车柴油机，气缸体技术尤其需要考虑轻量化和结构强度的提高。蠕墨铸铁的石墨形状与片状石墨相比，长度较短而厚，端部较圆，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。这种独特的石墨形状，能大大提高抗拉强度、疲劳强度、弹性模量和耐磨性等性能。另外，蠕墨铸铁的金相组织具有筐络结构，筐络结构强化了蠕墨铸铁的组织，使蠕墨铸铁具有良好的机械性能，在承受润滑摩擦时，球铁筐络凸起，蠕墨共晶团下凹而储油，从而使蠕墨铸铁具有良好的耐磨性能。这些特点决定了蠕墨铸铁是一种理想的气缸体材料，它具有球墨铸铁的强度，和灰铸铁相比又有类似的防振、导热能力及铸造性能，而又比灰铸铁有更好的塑性和耐疲劳性能；同时可以实现薄壁轻量化的目标。

此外，传统的小型柴油机气缸体铸造方式一般采用气缸水平的重力浇注方式，相对来说，气缸体顶部和气缸部位的材料致密度差，铸造缺陷较多，从而成品率低，制造成本高；同时随着轿车柴油机比功率的不断提高，铸件的强度要求越来越高，这种传统的浇注方式越来越不能满足高强度的要求。另外，传统铸型一般采用热芯，其变形大，同时导致能耗大，且生产效率相对低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种轿车柴油机气缸体，该气缸体具有薄壁轻量、强度高等特点。同时，本发明还提供一种轿车柴油机气缸体铸造方法，该方法可以铸造出高质量的薄壁轻量轿车柴油机气缸体。

本发明轿车柴油机气缸体，采用蠕墨铸铁材料，通过同时使用稀土镁硅铁和稀土硅铁两种蠕化剂，其中稀土镁硅铁蠕化剂用量为0.2％～0.3％；稀土硅铁蠕化剂用量为0.3％～0.5％(根据铁水含硫量调整)，铸件主要部位蠕化率控制在80％～95％之间。

本发明轿车柴油机气缸体，壁厚为3mm，缸心距为86mm，气缸体的长×宽×高(mm)为：413.4×464.2×225.6，薄壁、总体尺寸小、重量轻，相对整车适配性好。

本发明轿车柴油机气缸体布置所需油道、水道、加强筋结构，气缸体的结构刚度、强度满足实现高的比功率要求。

本发明轿车柴油机气缸体铸造工艺中，通过调整两种蠕化剂的用量、控制浇注工艺实现了薄壁轻量化、高强度的目标。气缸体铸件采用缸顶朝下的重力浇注方式浇注，其中，采用水套砂芯采用整体式结构，浇注工艺性好，保证了水套的铸造精度以及气缸体顶部和气缸部位材料的致密度，从而能满足高强度要求；另外采用全冷芯铸型，这种铸型可喷涂耐高温涂料，砂型强度硬度高、精度高，铸型发气量小，从而保证薄壁气缸体铸件的精度，并最大限度地控制了铸造缺陷。

本发明轿车柴油机气缸体铸造工艺中，气缸体前端直接铸造出喷油泵的安装法兰，并直接铸出齿轮室或链轮室；后端直接铸出变速箱连接法兰及起动电机的安装法兰，总体结构紧凑，装配工艺性好。

本发明轿车柴油机气缸体铸造工艺中，缸孔部位通过等离子淬火，进一步提高缸孔工作部位的硬度，实现无缸套制造，进一步降低了整机成本。

由于采用上述的技术方案，本发明具有以下的有益效果：

1、气缸体总体尺寸小，结构紧凑，壁薄，实现了轻量化目标，相对整车适配性好；

2、采用蠕墨铸铁材料，通过两种蠕化剂调配使用，铸件主要部位蠕化率达到80％～95％，实现了高强度薄壁铸造。并通过采用缸顶朝下、整体式水套砂芯以及全冷芯铸型的浇注工艺，大大提高了气缸体的抗拉强度、疲劳强度、弹性模量和耐磨性能；

3、薄壁、轻量化铸造，并采用缸孔等离子淬火实现无缸套制造有效地降低了整机制造成本；

4、成熟的蠕化、浇注工艺，可以推广应用于大功率机型气缸体及气缸盖的制造。

附图说明

图1为本发明轿车柴油机气缸体的前端轴侧视图；

图2为本发明轿车柴油机气缸体的俯视图；

图3为图2的A-A剖面示意图；

图4为图2的B-B剖面示意图；

图5为本发明轿车柴油机气缸体的仰视图；

图6为本发明轿车柴油机气缸体的后端轴侧视图。

其中：11-齿轮室或链轮室，12-喷油泵安装法兰，13-变速箱连接法兰及起动电机的安装法兰，3-气缸体壁厚(为3mm)。

具体实施方式

本发明公开了一种轿车柴油机气缸体，采用蠕墨铸铁材料，通过同时使用稀土镁硅铁和稀土硅铁两种蠕化剂，其中稀土镁硅铁蠕化剂用量为0.2％～0.3％；稀土硅铁蠕化剂用量为0.3％～0.5％(根据铁水含硫量调整)，铸件主要部位蠕化率控制在80％～95％之间。两种蠕化剂的配方可以按本领域知识确定。

同时通过控制浇注工艺实现了薄壁轻量化、高强度的目标，气缸体壁厚为3mm。气缸体铸件采用缸顶朝下的重力浇注方式浇注，其中，采用水套砂芯采用整体式结构，浇注工艺性好，保证了水套的铸造精度以及气缸体顶部和气缸部位材料的致密度，从而满足高强度要求；另外采用全冷芯铸型，这种铸型可喷涂耐高温涂料，砂型强度硬度高、精度高，铸型发气量小，从而保证薄壁气缸体铸件的精度，并最大限度地控制了铸造缺陷。气缸体前端直接铸造出喷油泵的安装法兰，并直接铸出齿轮室或链轮室；后端直接铸出起动电机的安装法兰，总体结构紧凑，装配工艺性好。合理布置各种油道、水道、加强筋，结构刚度、强度满足实现高的比功率要求。同时，缸孔部位通过等离子淬火，进一步提高缸孔工作部位的硬度，实现无缸套制造，进一步降低了整机成本。

以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1至图6所示，本发明实施例的轿车柴油机气缸体，壁厚为3mm；缸心距仅为86，总体尺寸小、重量轻，长×宽×高(mm)为413.4×464.2×225.6。

气缸体前端直接铸造出喷油泵的安装法兰12，并直接铸出齿轮室或链轮室11；后端直接铸出变速箱连接法兰及起动电机的安装法兰13，总体结构紧凑，装配工艺性好。

合理布置各种油道、水道、加强筋，气缸体的结构强度满足实现高的比功率要求。

本发明轿车柴油机气缸体，实现了薄壁轻量化，及强度、刚度、韧性、耐磨性等综合性能优越的目标，符合减少排放、降低油耗、提高功率和增加舒适性的汽车发展方向，同时制造成本相对低，可以广泛推广应用于轿车柴油机气缸体及大功率机型气缸体和气缸盖的制造。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。