發(fā)動機(jī)鑄鐵材料導(dǎo)熱性能研究

金通 袁福安 康明 涂欣達(dá) 劉詩逸

摘要：本文研究了發(fā)動機(jī)鑄鐵材料的組織和化學(xué)成分對其導(dǎo)熱性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：灰鑄鐵的熱擴(kuò)散性能明顯優(yōu)于蠕墨鑄鐵，但隨著溫度的升高其差別越小;灰鑄鐵碳含量越高熱擴(kuò)散性能越好，蠕墨鑄鐵蠕化率越高熱擴(kuò)散性能越好;化學(xué)元素中Si能夠明顯降低鑄鐵熱擴(kuò)散性能，而其他合金元素對熱擴(kuò)散性能影響較小。

主題詞：熱應(yīng)力;熱擴(kuò)散率;缸蓋;鑄鐵

中圖分類號：TG143? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2021）002-0066-04

Abstract： The effect of microstructure and chemical composition on thermal conductivity of cast iron engine was studied.The results show that the thermal diffusivity of grey iron was better than that of vermicular iron， but the difference was smaller with the increase of temperature.The thermal diffusivity was better with the increase of carbon content of gray iron and vermicular rate of vermicular Iron. Si could significantly reduce thermal diffusivity of cast iron， but other alloying elements had little influence on the thermal diffusivity.

Key words： Thermal stress; Thermal diffusivity; Cylinder head; Cast iron

1? ? ?前言

汽車發(fā)動機(jī)作為核心零部件，也是工作環(huán)境最惡劣的部件之一，承受較大的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。隨著發(fā)動機(jī)的爆壓不斷提升，市場上經(jīng)常出現(xiàn)疲勞失效開裂。目前高功率柴油發(fā)動機(jī)缸體缸蓋普遍使用灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵材質(zhì)。蠕墨鑄鐵擁有較高的強(qiáng)度和剛度，而灰鑄鐵雖然力學(xué)性能較低，但擁有較好的導(dǎo)熱性能。發(fā)動機(jī)材質(zhì)除了需要有良好的力學(xué)性能外，還需要良好的導(dǎo)熱性能，以快速傳遞熱量，防止熱機(jī)疲勞及變形的產(chǎn)生。鑄鐵的導(dǎo)熱性能與力學(xué)性能一樣，與其石墨性能、分布和化學(xué)成分有關(guān)。因此，研究鑄鐵組織成分對導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能的影響，對發(fā)動機(jī)選材具有重要的指導(dǎo)意義。

發(fā)動機(jī)缸蓋受力比較復(fù)雜，同時承受缸蓋螺栓預(yù)緊力、閥座壓力、鑄件殘余應(yīng)力、溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力和爆壓產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。其中螺栓預(yù)緊力、閥座壓力和殘余應(yīng)力為恒定載荷，其應(yīng)力隨發(fā)動機(jī)的運(yùn)行不發(fā)生較大的變化。而熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力為周期載荷，載荷隨時間變化非常復(fù)雜。當(dāng)缸蓋某部位的應(yīng)力值超過材料的許用應(yīng)力時，便會發(fā)生失效風(fēng)險。其中，缸蓋失效主要是由熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力造成的。缸蓋的熱應(yīng)力要大于機(jī)械應(yīng)力，特別是大缸徑內(nèi)燃機(jī)鑄鐵缸蓋的熱應(yīng)力[1]。熱應(yīng)力是溫度改變時，物體由于在外在約束以及內(nèi)部各部分之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。熱應(yīng)力大小可參考以下公式[2]：

式中：B熱-熱應(yīng)力，α-熱膨脹系數(shù)，E-彈性模量，△T-溫度變化，F(xiàn)形狀系數(shù)，μ-泊松比。形狀系數(shù)和泊松比隨溫度變化不大，灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵的熱膨脹系數(shù)基本一致。因此鑄鐵熱應(yīng)力大小主要取決于彈性模量和溫度變化。溫度變化由材料的導(dǎo)熱性能決定，衡量材料導(dǎo)熱性能高低的指標(biāo)主要是熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率，兩者關(guān)系如公式（2）所示：

式中：K-熱擴(kuò)散率式， λ-熱導(dǎo)率，ρ-密度，Cp-比熱容。其中熱導(dǎo)率表征物體傳導(dǎo)熱量速度快慢的物理量，目前大部分研究主要關(guān)于鑄鐵的熱導(dǎo)率，熱擴(kuò)散率研究較少。熱擴(kuò)散率表征物體溫度變化快慢的物理量，物體的熱擴(kuò)散率越大，表明物體在加熱或冷卻中，溫度區(qū)域均勻一致的能力越強(qiáng)。熱擴(kuò)散率更能反映物體的溫差和冷卻效率，因此，本文主要研究了鑄鐵中組織和成分對熱擴(kuò)散率的影響。

2? ? 試驗(yàn)方法

材料導(dǎo)熱性能的測試方法眾多，大體可分為穩(wěn)態(tài)法與瞬態(tài)法兩大類?，F(xiàn)有的穩(wěn)態(tài)法（包括熱流法、保護(hù)熱流法、熱板法等）僅適用于在中等溫度下測量中低導(dǎo)熱系數(shù)材料。瞬態(tài)法則應(yīng)用范圍較為寬廣，尤其適合于高導(dǎo)熱系數(shù)材料以及高溫下的測試，其中最具代表性、應(yīng)用范圍最廣泛的方法為閃光法，或稱為激光閃射法，閃光法也是測試金屬材料導(dǎo)熱性能的最優(yōu)方法[3]。

本文所用的測試方法為閃光法，采用耐馳LFA457 激光導(dǎo)熱儀測試。其原理是，在一定溫度下，激光源瞬間發(fā)射一束光脈沖，使樣品一側(cè)表面瞬時升溫，并作為熱端將能量以一維熱傳導(dǎo)方式向冷端（另一側(cè)樣品表面）傳播，紅外檢測器連續(xù)測量冷端的溫升過程得到半升溫時間t1/2。理想條件下該溫度下的熱擴(kuò)散率K可由公式（3）得出：

而對于實(shí)際測量過程中對理想條件的任何偏離需使用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型進(jìn)行計算修正。本文試驗(yàn)采用“Cowan+脈沖修正”進(jìn)行熱損耗修正。

試驗(yàn)材料采用中頻爐進(jìn)行熔煉，按照方案設(shè)計進(jìn)行配料，將鐵水化學(xué)成分調(diào)整到目標(biāo)值后，進(jìn)行孕育和蠕化處理，當(dāng)溫度達(dá)到1400℃時進(jìn)行澆注。對鑄造試樣切割成直徑12.7mm厚度3mm的導(dǎo)熱試樣，在熱擴(kuò)散儀上測試其在50℃、100℃、200℃、300℃和400℃溫度下的熱擴(kuò)散系數(shù)，采用氦氣進(jìn)行保護(hù)。

3? ? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

鑄鐵的熱擴(kuò)散性能主要由組織和化學(xué)成分決定。組織由石墨、基體和碳化物等組成，鑄鐵的導(dǎo)熱性能不僅與組織中各組成相的導(dǎo)熱性能有關(guān)，還與其數(shù)量、形態(tài)和分布有關(guān)。鑄鐵中各組成相的導(dǎo)熱性能相差極大，其中石墨的導(dǎo)熱性能要遠(yuǎn)高于其他相，石墨對鑄鐵導(dǎo)熱性能的高低有決定性的影響。而化學(xué)元素主要通過其加入量和存在形式來影響鑄鐵的組織形成，從而影響鑄鐵的導(dǎo)熱性能[4， 5]。因此，本研究針對鑄鐵的組織和化學(xué)成分共進(jìn)行兩組試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)一：研究石墨的數(shù)量和形態(tài)對鑄鐵熱擴(kuò)散性能的影響。實(shí)驗(yàn)二：研究化學(xué)元素對鑄鐵熱擴(kuò)散性能的影響。

3.1? ?石墨組織對鑄鐵熱擴(kuò)散性能的影響

本研究通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 石墨的形態(tài)和數(shù)量對鑄鐵導(dǎo)熱有著重要的影響，在一定Si/C比情況下，灰鑄鐵的碳含量雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蠕墨鑄鐵，但其熱擴(kuò)散率要高于蠕墨鑄鐵， 但隨著溫度的升高其差別越小;灰鑄鐵的碳當(dāng)量越高熱擴(kuò)散率越高，蠕墨鑄鐵蠕化率越高熱擴(kuò)散率越高。不同鑄鐵材料的熱擴(kuò)散率和化學(xué)成分如表1和表2所示。

鑄鐵的大部分熱量靠石墨傳導(dǎo)，石墨量越多，導(dǎo)熱性能越好?；诣T鐵共晶團(tuán)較大，不同共晶團(tuán)的石墨彼此有一定的互相鑲嵌和接觸，而蠕墨鑄鐵共晶團(tuán)較灰鑄鐵小，不同共晶團(tuán)的石墨之間沒有接觸，蠕鐵中石墨導(dǎo)熱能力不如灰鑄鐵。隨著蠕化率的降低，蠕蟲狀石墨逐漸變短而彎曲，端部更圓鈍，部分蠕蟲狀石墨衰退成球狀石墨，球狀熱量需要通過鑄鐵基體才能進(jìn)一步傳導(dǎo)，球狀石墨越多導(dǎo)熱能力越差。

隨溫度的升高，灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵的導(dǎo)熱性能的都變小，而灰鑄鐵導(dǎo)熱性能隨溫度變化速率下降更快。在50℃時，灰鑄鐵熱擴(kuò)散率比蠕墨鑄鐵高25%，而當(dāng)溫度提高到400℃時，其熱擴(kuò)散率僅比蠕鐵高5%。這是因?yàn)殡S溫度的升高，石墨要部分揮發(fā)，并且鑄鐵內(nèi)部原子熱運(yùn)動加劇，阻礙熱量的擴(kuò)散，石墨對鑄鐵導(dǎo)熱性能的作用減小。

3.2? ?化學(xué)元素對鑄鐵熱擴(kuò)散性能影響的研究

本研究通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：化學(xué)元素中Si元素明顯惡化鑄鐵的導(dǎo)熱性能，其他元素影響較小，可以通過調(diào)整合金元素含量，實(shí)現(xiàn)在不降低鑄鐵導(dǎo)熱性能的前提下，明顯提升其力學(xué)性能，保證鑄鐵材料的可靠性。

鑄鐵中的元素除C以外Si的含量最多，其含量對鑄鐵熱擴(kuò)散性能的影響如表3所示。從試驗(yàn)結(jié)果可知，Si嚴(yán)重惡化鑄鐵的熱擴(kuò)散性能。Si的含量由1.94%增加到2.35%，熱擴(kuò)散系數(shù)下降7%左右。Si雖然在凝固過程中促進(jìn)石墨化，但Si易固溶于奧氏體或鐵素體中，使熱量的擴(kuò)散在基體中受阻，惡化鑄鐵導(dǎo)熱性能。對于缸體缸蓋這類承受較大熱疲勞的鑄鐵零件，其Si/C比對鑄鐵力學(xué)性能基本無影響，但對導(dǎo)熱性能影響較大，因此此類零件易采用高C低Si化學(xué)成分。

一般情況下，凡是加入鑄鐵后能增加石墨數(shù)量的元素則有利于鑄鐵導(dǎo)熱性能，而易形成碳化物的元素不利于導(dǎo)熱。其他合金元素在鑄鐵中的加入量很少，基本可以分為兩類：石墨化元素（Cu、Ni等）和碳化物形成元素（Cr、V、Nb等）。表4為灰鐵1#缸蓋成分優(yōu)化前后的熱擴(kuò)散性能對比，表5為灰鐵1#缸蓋成分優(yōu)化前后的力學(xué)性能對比。對灰鐵1#缸蓋材料中的石墨化元素Cu、Ni的含量分別降低0.3%、0.45%，同時碳化物形成元素Nb、V、Cr的含量分別增加0.04%、0.04%和0.1%，熱擴(kuò)散系數(shù)相差不大，但常溫和高溫力學(xué)性能可提升10%左右。因此，可以通過調(diào)整化學(xué)元素（C、Si除外）在不明顯影響材料導(dǎo)熱性能的基礎(chǔ)上，大幅度提升其力學(xué)性能，提升材料的可靠性。

4? ? 結(jié)束語

本試驗(yàn)系統(tǒng)研究了發(fā)動機(jī)鑄鐵材料的石墨組織和化學(xué)成分對其導(dǎo)熱性能的影響，石墨的形態(tài)和數(shù)量對鑄鐵的導(dǎo)熱性能具有非常顯著的影響，而鑄鐵中其他化學(xué)成分的影響較小?；诣T鐵的熱擴(kuò)散性能明顯優(yōu)于蠕墨鑄鐵，但隨著溫度的升高其差別越小;灰鑄鐵碳含量越高熱擴(kuò)散性能越好，蠕墨鑄鐵蠕化率越高熱擴(kuò)散性能越好;化學(xué)元素中Si能夠明顯降低鑄鐵熱擴(kuò)散性能，而其他合金元素對其影響較小。由于發(fā)動機(jī)用鑄鐵材料同時承受較大的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，材料的選用和優(yōu)化要根據(jù)實(shí)際情況同時兼顧其力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，保證零件的可靠性。

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