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颠覆传统的铝硅合金气缸新技术

2009-4-14  来源:摩托车行情 阅读次数:14668
雅马哈DiASil Cylinder新技术是Die-casting Aluminum-Silicon Cylinder的英文缩写,亦即印模压铸铝硅合金气缸新技术(见图1)。

这种颠覆传统的高性能铝硅合金气缸仅需一次压铸成型,再经水淬和精镗后,便可直接投入使用,气缸内壁硬度达到800HV~1000HV的惊人程度,粗糙度达到0.1um~0.2um的镜面效果,再也无须镶嵌铸铁内衬(见图2)或电镀复合陶瓷层(见图3),便具有耐高温、耐腐蚀、自润滑、高强度、高耐磨等综合技术性能,戏剧性地提升全转速域的功率,大幅度提高生产效率,降低生产成本,延长使用寿命,减少废气排放。

经权威认证机构检测证明:雅马哈高性能铝硅合金气缸DiASilCylinder,20万公里内的磨损量不足0.10mm,配缸间隙可缩小至0.015mm~0.025mm,而不必担心胀缸、拉缸和漏气等故障发生,性能优于电镀复合陶瓷气缸,为当今世界最高水平,目前已批量应用于最佳中量级车2006YAMAHA YZF-R6上,很值得我国摩托车生产厂家和科研机构借鉴。

目前99%以上的国产摩托车以及绝大部分国外车均采用含C(碳)3.0~3.2%、Cr(铬)0.3~0.45%、Si(硅)1.9~2.0、Mn(锰)0.6~0.8%、Cu(铜)2%、P(磷)0.4~0.6%、S(硫)<0.1%的特种合金铸造镶嵌气缸套的工艺方法,虽然可基本满足要求,但还存在许多弊端。

还有不足1%的车采用电镀NiSiC等复合陶瓷薄膜新技术,如国外大多数著名公司以及我国部分企业生产的“金陶”气缸等,由于生产成本高,仅限于高性能摩托车使用,部分质量不高的“金陶”气缸还存在附着力不佳,使用较长一段时间后陶瓷镀层出现起皮、龟裂、微裂纹及起泡等现象。

雅马哈高性能铝硅合金气缸DiASilCylinder新技术的核心有两个方面,一是采用含硅量高达20%的铝硅合金新材料;二是采用雅马哈独有的CF(Controlled Filling)计算机控制压铸专利新技术。

一、雅马哈铝硅合金新材料

采用含硅量高达20%的铝硅合金新材料的目的在于大幅度提高铸件的综合技术性能,颠覆传统的铝合金气缸镶钢套和电镀陶瓷层工艺,同时提高生产效率、降低生产成本。

硅为坚硬难熔的灰黑色固体,结构与金刚石相似,具有极高的熔沸点及硬度,常温下具有非常稳定的化学性能,不与水、氧气及强酸反应。因此,硅具有极佳的耐高温、耐磨损、耐腐蚀等综合技术性能。更为重要的是铝硅合金在压铸时熔化状态高温条件下,金属液中的硅元素会迅速与空气中的氧反应,生成更加坚硬难熔的二氧化硅:Si+O2= SiO2(常见的石英砂)。如果高达20%的硅和二氧化硅能充分均匀地弥散到铝合金母体材料中,那么成型后的整个气缸必然具有极佳的耐温、耐磨和耐腐蚀性能,不像镶钢套气缸和电镀陶瓷层(金陶)气缸那样,只有气缸内壁部分具有最佳性能。雅马哈高性能铝硅合金气缸使用寿命比整车还长,无任何后顾之忧!不必担心长期使用后,气缸套磨损过度必须换新而带来较大的经济损失;也不必担心电镀层可能出现起皮、龟裂、微裂纹及起泡等现象而无法继续使用带来的苦恼!

二、雅马哈独有的CF计算机控制压铸专利新技术

采用CF计算机控制压铸专利新技术的根本目的在于解决铝硅合金铸件成型异常困难的工艺技术瓶颈。

由上可知:铝硅合金新材料中的硅及其氧化物二氧化硅性能稳定、难于熔化,因而流动性和弥散性极差,采用传统的铸造方法根本无法成型结构复杂、厚薄不均的铝硅合金气缸,即使通过采用非常严格的工艺流程控制勉强成型,铸件质量也是非常难以控制的。

以传统的低压铸造(见图4)成型为例,开始注射时,以250mm~450mm/s的速度移动的压射活塞前部高速形成的波峰会将空气卷入金属液(见图5),在铸件中形成气孔。

在型腔充填阶段,压射活塞以1000mm~1200mm/s的速度快速移动,金属流喷射式进入型腔(见图6),型腔充填时间仅为十分之几秒至百分之几秒,此时,型腔内的空气一方面阻碍金属液的流动,另一方面也无法完全从排气孔排出,导致铸件中再次形成气孔和疏松。

在型腔被金属液即将充满的时刻,快速流动的金属液突然速度降低为零,金属液的动能顷刻变为压力,所以金属液中的压力突然增得很高,此时夹杂在金属液中的空气迅速形成气泡,同时,巨大的压力还会冲击尚未完全冷却的铸件,形成不规则的微裂纹,使铸件的质量进一步下降。

铸件在型腔中冷却成型时,厚的部分和拐角处冷却速度慢,收缩率大,容易产生缩松裂纹;薄的部分,冷却速度快,收缩率小,易于产生冷隔、浇不足、表面流纹等缺陷。

由此可见,采用传统的铸造方法(含目前普遍采用的高压铸造、低压铸造和重力铸造等),必须结合铸件结构特点,(如壁厚、复杂程度、尺寸的大小等),综合考虑压铸压力、压铸速度、压铸的工作温度等诸多影响因素,尽可能达到相对较为满意的铸件质量。而这些不利因素相互制约、相互影响,变化波动的机率较大,很难人工控制到非常合理的程度,稍有偏差,均会严重影响铸件的质量,产品质量较低,报废率较高便在情理之中了。因此,唯有采用计算机综合分析这些相互制约的影响因素,自动控制到最佳状态,才有可能确保产品质量。此外,采用传统铸造方法成型的铸件,由于存在气孔、疏松和裂纹等缺陷,不能进行强力热处理(如水淬等),特别是高压铸件也只能采用温和热处理(如T6热处理),因此,铸件的最终质量都较差,无法达到产品应有的技术性能要求。

为此,雅马哈公司采用自己独创的CF(Controlled Filling)计算机控制压铸专利新技术(见图7)成功地解决了铝硅合金成型难的技术瓶颈。该技术的最大特点是:(1)使用完全真空模,并用计算机控制型腔真空度;(2)通过计算机控制金属液和真空模的温度;(3)通过计算机控制压射速度,并大幅度提速5倍。

1、采用完全真空模,并用计算机控制型腔真空度带来的技术经济效果。

(1)从图7中可见,采用特制的耐高温材料将固定模与活动模的接合面以及浇注口完全密封,用真空泵将型腔内的空气抽出,并通过真空传感器检测型腔内的真空度,传递给计算机,通过计算机控制真空泵工作,使模具型腔始终保持最佳真空度,消除型腔内气体的反作用力,使铝合金液的流动阻力大幅度减少6倍,促使铝硅合金液中坚硬难熔的硅及二氧化硅与母体材料一道紧密地紧贴型腔表面,充填型腔内细小的缝隙,更好地复制模具上的线条、花纹,使气缸上众多较薄的散热片表面更为光洁和清晰。

(2)进一步改善铝硅合金液与模具间的热传导,促使性能稳定的硅及二氧化硅均匀地扩散到母体材料中,晶粒变得更细小。

(3)模具型腔内抽成真空后,铝硅合金液可顺利充满型腔,铸件在排气不畅处易于出现裂缝的可能性也小了很多,几乎不会出现气孔、疏松等缺陷,大幅度提高铸件的致密度,改善铸件力学性能,铸件上的表面强化层厚度可达0.5mm,显著降低铸件的废品率。

(4)由于铸件内无气孔,铸件可进行热处理,进一步改善铸件最终的综合技术性能。也可提前开型,取出铸件,不必顾虑由气孔引起的铸件表面鼓泡问题。

(5)对铸型抽真空的同时,可实现压铸机上的金属液进入压注室的自动化,提高了压铸机的自动化程度,大幅度提高生产效率,适用于大批量生产。

(6)模具型腔内抽成真空后,大大降低了浇注系统和排溢系统对铸件质量的影响程度,从而可减少调试新压铸型的工作量,进一步缩短产品制造周期,降低生产成本。

2、采用计算机控制金属液和真空模温度的重要作用

采用计算机控制金属液和真空模的温度,对确保结构复杂、厚薄不均的气缸铸件的质量十分重要。金属液的温度亦即为压铸时金属的浇注温度。其温度过高或过低都会影响铸件的质量。温度过高进入铸型后的收缩大,会使铸件容易产生疏松、裂纹,充型时金属易卷入气体,还能造成铸件粘型,降低模具的使用寿命。

雅马哈独创的CF压铸专利技术主要是通过较为精确地控制模具的温度来控制金属液的温度。模具上装有多个温度传感器,计算机可根据不同的压铸时期和铸件不同的厚度,自动控制模具的温度,从而使金属液的流动性能最佳,并在相同的温度下同步稳定冷却。

3、采用计算机控制压射速度,并提速5倍的重要作用

采用计算机控制压射速度对金属液在充型时的流动状态、充型时间和最终的铸件质量有很大影响。

雅马哈CF压铸技术除通过计算机精确控制活塞在不同压射阶段的移动速度来精确控制压射速度外,总的原则是将压射速度大幅度提高5倍。其目的之一是将生产效率提高3倍以上;更为主要的是以更大的压力和更快的速度迫使坚硬难熔的硅和二氧化硅快速均匀地弥散到铝合金母体材料中,以提高铸件的质量。图8为铝合金铸件内部金相组织图。结构致密,大小几乎一致的200um的硅和二氧化硅颗粒均匀地分布在铝合金母体材料组织中,与基体材料完全融合为一体,气缸内表面即使经水淬后,也不会出现“金陶”气缸电镀层长期使用后易于出现的伤痕、龟裂、微裂纹及起泡现象,使整个气缸都具有优异的耐高温、耐高压、耐腐蚀、耐磨损性能。

综上所述,雅马哈印模压铸铝硅合金气缸DiASil Cylinder的设计人员完全可以根据气缸的实际受力情况和使用功能进行科学合理地设计,例如气缸上众多散热片可以充分发挥设计人员的聪明才智,设计出最佳外形和最佳厚度,不必考虑成型和加工等方面的影响因素,可使气缸的重量降低30%,外形更加美观漂亮;传热效率为传统镶嵌内衬气缸的6倍。导热效率高,发动机不会发生过热现象;使用寿命长也是其突出的特点,长期使用后,均可通过镗缸活塞的方法解决,即使整车报废,气缸也不会报废。

经反复测试证明,使用YAMAHA高性能铝硅合金气缸DiASilCylinder,初期功率可提高约12%,油耗可降低8.6%;200h耐久性试验后功率可提高8%,油耗可降低5%。可见该最新技术具有广阔的市场前景,值得我国摩企学习和借鉴!(吴正权/文)


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