适用场景:汽车制造工艺改进、机械行业技术调研
报告要点:四把火操作流程、高温冷却效果对比、热处理工艺差距分析
行文逻辑:认识热处理→掌握四把火→分析冷却差异→探讨工艺差距→激发研究热情
没正式进入实习期时,就在心里想着800度的炉子应该是熊熊燃烧的烈火。穿着工作服,蒙着脸的面容焦急的工人。有什么就想不出来了。我有点怕了,难道就让我们这群祖国未来的人才干这些?
当我实际进入操作过程中,我才知道热处理原不是我想象的那样可怕。我见的是精致的小炉子。自动的温度调节器和时间分度盘。这完全是自动化的操作。
操作过程让我知道了热处理最 基本的知识,即四把火:正火、退火、回火、淬火。还知道了它们的不同作用及对不同的材料通过相同的热处理工艺后有什么反应特征。一根普通的锯条放在炉子中加热15分钟,800度高温后,放入水中快速冷却后就变得脆弱了,手轻轻一掰就断了。但如果把它放在空气冷却,它又变得塑性极强,任你如何拉扯,它就是不断。不懂的人还以为是玩魔术的,我却从那里了解到了原来是因为受到了高温的影响,钢件内部原子结构发生了变化,又由于不同的冷却速度,它们的内部结构又发生了变化。我被它神气的作用吸引了,决定要好好研究我们的热处理专业。
又听实习老师说,由于我国的热处理与外国有一定的差距,好多机器设备都是由外国进口过来的,而我们的国人对热处理工艺又不太重视,认为它的成本太高,太不划算,所以我国机械行业,尤其是汽车行业还落后于发达国家。真没想到一道如此简单的处理工艺会产生这么大的作用,更没想到它会影响到我国的重工业发展。
于是,我的兴奋被接下来的沉思代替了,难道我们就这样一直落后下去?难道我们不能为它做点什么吗?哪怕是一点点的微薄之力。国家教育我们成为新一代的大学生,新一代的热处理专业大学生,我们就应该为我们的祖国贡献青春,贡献生命。
外国优良的热处理工艺时时在向我们发出警示,我们要为祖国的未来贡献我们的一切。
适用场景:汽车制造工艺改进、散热系统设计优化
报告要点:散热器芯子结构型式分析、铜质与铝质材料强度对比、散热性能工艺影响评估
行文逻辑:分析构造→比较材料→评估性能
散热器是汽车发动机的冷却系统中必不可少的的重要部件,是一种将发动机水套内冷却液所携带的多余热量,经过热交换,在外界强制气流的作用下, 向大气散发的热交换装置。 因此,散热器性能的好坏,直接影响到汽车发动机的性能,乃至关系到汽车能否安全行驶的问题。目前,散热器正在向高轻型、 经济方向发展。
1 汽车散热器的构造
散热器由冷却用的散热器芯子、储存冷却液的上水室与下水室组成。由于散热器工作时产生水蒸气,因此上水室还承担汽水分离的作用。
1.1 散热器的机构形式
强制循环式水冷用散热器,可分成横流型与直流型。
其中直流型散热器, 在汽车发动机上的应用十分广泛。然而,由于其散热芯子垂直布置, 芯子上下分别布置了下水室与在发动机罩盖较低的轿车上布置比上水室, 因此高度比较大。在发动机罩盖较低的轿车上布置比较困难。 因此有些轿车上采用散热器芯子水平布置, 用左右两侧的水室代替传统的上下水室结构,冷却液左右流动的横流式散热器〔1〕。这种散热器宽度尺寸比较大, 芯子有效面积增加 10 %,从而加大了风扇尺寸,得到更多的迎风面积,使气流更为流畅。
1. 2散热器芯子的结构型式
散热器芯子是散热器的重要组成部分,起主要的散热作用。散热器芯子主要有散热片、 散热管及上下主片等组成。由于其具有足够的散热面积,因而能保证将必须的热量从发动机散发到周围的空气中。且散热器芯子是用导热性能良好的金属及其合金制造的。能使散热器芯子以最小的尺寸及质量, 达到最高的散热效果。
散热器芯子的结构,主要有管带式、管芯式、细胞式、管片式等。管带式散热器可以采用双列、单列或多列散热管。多列散热管可以在有限的空间尺寸内,
获得更好的冷却效果。 现代汽车上,随着发动机强化程度的提高,热负荷也日益增加。此外,在采用自动变速箱时, 自动变速箱所用的机油也需要冷却〔2〕。因此在冷却系统内需要增加油—水交换器。这样就增加了散热器所提供的散热量。多列与双列的管带式散热器,在现代汽车发动机上的应用增多。 同一系列的轿车,在采用手动变速箱时,装单列冷却管带式散热器,可以满足散热需求;而采用自动变速箱时,则需装用双列或多列管带式散热器。
管片式散热芯子,是由许多散热片及散热管组成。 散热管外面串装了许多薄的散热片。空气在平行的散热管及散热片的外表面所形成的风道中通过,从而使散热管内流动的冷却液得到冷却。管片式散热器的主要优点,是结构强度好,且能更好地避免油污、尘埃等堵塞芯部。多用于工况恶劣、 振动较 大的载重汽车上。
而管带式散热芯子,由于其是由波纹状的散热管与散热 带相间排列构成的。 且在散热带上开有许多类似百叶窗的孔,以破坏空气流在散热带表面上的浮着层,提高散热能力。这种散热器的芯子与管片式相比较,制造工艺简单、成本低、质量轻,散热能力更高,但是结构强度不如管片式好。
2 铜质与铝质散热器的应用
由于铜的导热性良好, 易于焊接加工且耐腐蚀,长期以来,很多汽车企业一直使用铜及铜合金制造汽车发动机散热器。 然而随着社会的进步, 汽车工业的飞速发展,人们始终力图降低汽车的自重,节省材料消耗,于是铝质散热器得到了应用。
散热器的主要功能,是为了散热,由于铜的导热性比铝要好许多,人们一直采用铜及铜合金生产散热器。 然而汽车散热器的工作环境较为恶劣,为避免铜散热器与硫、氨化氢、 氢化 物及酸等物质接触, 以便延长铜散热器的使用年限, 往往需要在铜散热器的表面上覆锡保护层与浸渍铅锡钎焊成型,这样导致铜散热器的散热效率反而比铝散热器要低很多〔3〕。并且铝散热器采用的是焊接强度高、抗腐蚀性能良好的防锈铝合金材料, 用这种材料制成的铝散热器具有散热效果良好、净质量小、耐用、节能、造价低、装拆方便、经济性与实用性都优于铜散热器的很多优点。
2.1 结构强度比较
铜质散热器常采用软钎焊,焊接强度为 800~1000 mpa,而铝质散热器采用硬钎焊,焊接强度为 950~1300 mpa, 因而铝质散热器可以承受更大的外力。铜质散热器的散热管通常是咬缝管, 焊缝也采用软钎焊, 铝质散热器的散热管采用的是高频焊管, 焊缝强度甚至高于母材, 铝质散热器可以承受更大的系统压力,在进行水爆压力试验中, 高频焊管的爆破点通常出现在焊缝附近的母材上,而不是焊缝上。另外, 铝散热器与铜散热器一样,能够经受住以相关技术章程中规定的`振动方式的台架振动试验 630 万次而不损坏,完全能够满足装车状况下的使用要求。
2.2 产品净质量比较
铝的密度为 2.7 g/cm3, 铜的密度为 8.9 g/cm3, 同样体积时, 铝材料的净质量仅是铜的 30 %。由于延展性的限制, 铝材料的轧制厚度比铜要高1倍左右。同样,散热能力和外形尺寸条件下, 铝制产品的净质量要轻 40 %左右, 整车的轻量化具有更高的经济性。
2.3 散热器散热性能比较
从铝与铜这两种材料来说, 铜的散热系数比铝要高 82 % 左右, 通常情况下, 具有同样规格尺寸的散热器, 铝散热器的散热性能比铜散热器要低,但实际情况是铝散热器的散热性能要高于铜散热器。 这首先是因为加工工艺造成的,铜散热器的芯子采用铅锡合金焊接,合金的导热系数只有铝的 23 %, 导致热量传递过程中有较大的热阻; 另外, 铜散热器在焊接过程中, 水管和散热带之间的填料与母体发生反应,形成厚度较大的铜锡合金,也严重影响了它的散热 〔4〕。而铝散热器所使用的焊料是硅铝合金,与母体的材料相同, 在钎焊炉中熔化后, 会有一部分扩散到母材中, 焊角处的厚度很小,对散热性能的影响也较小, 所以硬钎焊铝制散热器的散热性能, 比铜散热器要高。 通常相同芯体尺寸的散热器, 铝散热器的散热性能要比铜散热器高 100 %以上。所以,在已有车型上更换铝散热器,在保证连接尺寸不变的情况下,芯体的尺寸做得薄且小,而散热性能又有所提高。
3 结束语
铝散热器无论在强度和可靠性能上, 都不亚于铜散热器, 其自重质量和价格上更有优势。随着汽车轻量化和节能要求的日益提高, 作为汽车重要部件的
散热器,也日益向高效化和轻量化方向发展。 目前随着铝散热器的加工工艺的提高, 根据铝散热器目前的技术状态和加工工艺水平,完全能够满足轿车和大部分重型汽车的要求。 铝质散热器在汽车上的应用, 不仅降低了企业的生产成本, 提高了其市场竞争力, 而且对节能减排, 节约重要的战略资源有着重要的意义。
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