随着汽车工业的迅猛发展,轻量化成为实现汽车高性能、低能耗、低排放的重要手段。发动机作为汽车中最重的部件之一,其轻量化对汽车性能提升有重要意义。柴油发动机具有功率大、经济性好、热效率高等优点,但由于工作环境恶劣,对材料的机械性能有很高的要求。为实现柴油机轻量化,常采用铝合金缸体内镶铸灰铸铁缸套方法。然而,目前该方法存在诸多问题,如有效散热接触面积小、接触面存在杂质、界面易产生缝隙等,严重影响缸体的使用性能及寿命。本文开展针对柴油机铝合金缸体与铁基缸套结合性能研究,具有较大的实际意义。针对柴油机铝合金缸体与铁基缸套结合特征,基于双金属复合的工艺特点,本文进行了缸套表面处理(浸表面改性剂和热浸铝)工艺研究,以改善铝/铁界面结合性能。主要研究工作及其结果概述如下:(1)采用模拟缸套进行复合铸造试验研究,通过浸表面改性剂的方法对模拟缸套外表面进行处理,研究不同表面改性剂对铝/铁界面结合性能的影响。研究结果表明:4%NaCl,6%KF,4%K2Zr F6,10%ZnCl2,10%X(X为自制溶液)五种单一表面改性剂中,10%X复合铸件界面性能最好,其界面基本无缝隙,界面剪切力达到59.31kN,为最佳单一表面改性剂;不同浓度X溶液对界面结合性能的影响差异明显,当浓度为10%时,其铸件界面的微观组织、缝隙率、结合力等指标均优于其他浓度;复合表面改性剂对铝/铁界面作用复杂,其中,10%X+4%K2Zr F6和7%K2ZrF6+3%NaCl铸件界面结合性能较差,而4%NaCl+6%KF铸件,界面结合较紧密,缝隙率为5.08%,但微观界面出现少量缝隙,其界面性能改善效果不及10%X。(2)采用模拟缸套进行复合铸造试验研究,通过热浸铝的方法对模拟缸套外表面进行处理,研究了热浸铝工艺对铝/铁界面结合性能的影响。研究结果表明:未+浸铝铸件在铝/铁交界处存在缝隙,未产生冶金结合,其界面结合情况较未处理铸件有所改善,界面结合力提高了21.23%,达到60.30kN,缝隙率降至10.99%;改性剂+浸铝铸件界面组织及性能均优于未+浸铝铸件,其界面结合力达到68.65kN,缝隙率仅2.93%,界面结合紧密,其铸件存在Fe-Al、Al-Al两种界面,Fe-Al界面处出现“锯齿状”过渡层,其厚度为15-35μm,产生了冶金结合。(3)综合分析模拟缸套试验阶段结果表明,相比于10%X试验组,改性剂+浸铝铸件的界面结合强度提高了15.75%,缝隙率为2.93%;但改性剂+浸铝铸件的Al-Al界面极易产生缝隙,不利于铝铁界面结合性能,会降低缸体的使用寿命。改性剂+浸铝铸件的综合界面性能不如10%X,应将浸10%X溶液作为原缸套验证试验的最佳表面处理方案。(4)采用柴油机原缸套进行复合铸造试验研究,利用模拟缸套试验阶段确定的最佳表面处理方案,即浸10%X溶液的方法,对柴油机原缸套进行表面改性,并进行铝合金浇注试验,验证表面处理方案的可行性。研究结果表明:浸表面改性剂处理后,原缸套表面形成了一层致密的保护膜,有效的防止了基体表面的氧化;浸表面改性剂铸件界面结合紧密,未出现肉眼可见的缝隙,界面结合性能良好,符合工厂生产实践要求。