目前,基于能源、環保的需要,社會對汽車的要求越 來越趨向于高性能、低能耗、低污染。途徑有兩個:一是 改進動力系統;二是減輕汽車質量,即汽車輕量化。鋁 合金是汽車發動機上應用最多和最廣的輕金屬,因為鋁 合金具有質量輕、耐腐蝕性良好等優良性能,完全滿足了發動機活塞、缸體、缸蓋在惡劣環境下工作的要求。某新款發動機相比舊款發動機的質 量減輕了14.7kg , 百公里油耗降低了1l,每公里co 2 的排放量降低10g 左右。
汽車發動機鑄件,如缸體、缸蓋、罩蓋、鏈輪殼、油底殼等,多屬于形狀復雜、結構多變、尺寸精密和致密性高的鑄件,由于高標準、高成品率的要求,對鋁合金鑄造工藝、品質保證等提出了挑戰。

1 鋁合金壓鑄缸體
圖1為al-9si-3cu合金壓鑄缸體,其尺寸為351 mm×334 mm×269 mm,壁厚為(4±0.4)mm,毛坯質量為18.9kg,硬度(hb)為90~110。采用高磷蠕墨鑄鐵缸套,硬度(hb)為220~290,壁厚為4.4mm,桁磨后壁厚為2.8mm。缸體結構包含缸筒、水套、高壓油道、曲軸箱、主軸承座等。

2 鋁合金缸體壓鑄工藝及品質控制
2 .1 鋁合金熔化設備及工藝
熔化采用lpg 燃氣爐,其具備上料、熔化及保溫功能,熔化率為3.5t/h,保溫爐容量為10t。為節省能源,目前多采用鋁合金液直送工藝,即由 鋁合金供應商在廠內進行鋁合金液的熔化,將合金液直接送至壓鑄車間保溫爐內。合金牌號為al-9si-3cu,鋁合金錠與回爐料配比為4∶6;采用直讀光譜儀檢測出爐前合金液成分;合金液在熔化爐保溫室內進行720°c 保溫,在進行爐內精煉除渣之后,出爐到轉運澆包內;在轉運澆包內采用氮氣(99.99%)+旋轉除氣裝置進行除氣處理,可凈化合金液內部殘存氣體及殘渣;通過含氣量檢測裝置進行除氣效果評價,密度指數=(1-ρ真空/ρ常壓 )×100,控制標準為≤1。

2.2 壓鑄模及澆注系統設計
模具采用六面抽芯結構,主要由定模部分、動模部 分、成形部分、澆注系統、抽芯機構、頂出機構、排氣系 統、加熱保溫裝置、定位導向系統等組成。壓鑄模材質為3cr2w8v和h13鋼,抽芯棒可采用鈦合金或高溫合金,熱處理后其硬度(hrc)達到45以上,通過表面氮化處理后,壓鑄模具的壽命可達10萬次以上。
通常缸體壓鑄件的澆注系統有兩種形式:單側澆注 系統和雙側澆注系統。單側澆注系統一般用于小型缸體,雙側澆注系統一般用于大型缸體。通過充填和凝固模擬的模流分析軟件,可使澆注工藝布置得到優化。圖2為單側澆注工藝,圖3為雙側澆注工藝。

2.3 壓鑄機及壓鑄工藝
為獲得高品質壓鑄件,溫度、速度、壓力、時間等關 鍵工藝參數必須滿足壓鑄生產的需要。
2.3.1 溫 度 控 制
澆注溫度控制在640~680 °c。澆注溫度過高,則收縮大,鑄件容易產生裂紋、晶粒粗大、粘模;澆注溫度過低,易產生冷隔、表面花紋和澆不足等缺陷。澆注期間,應確保保溫爐內的鋁合金液表面氧化層的及時清理,否則將可能導致氧化夾雜缺陷。
壓鑄模在使用前要預熱到一定溫度。在連續生產中,壓鑄模溫度往往升高,溫度過高除使液態金屬產生粘模外,也導致鑄件冷卻緩慢,使晶粒粗大、頂出變形等。
鋁合金缸體模具加熱使用6臺模溫加熱器,所有的型芯、鑲塊等均采用冷卻水,使模具工作溫度控制在180~200°c范圍內。

2.3.2 速 度 和 壓 力 控 制缸體壓鑄件品質對壓射工藝參數的變化非常敏感。速度過高容易造成鑄件中的氣體增加;過低則容易造成充填不良。壓射壓力過低,鑄件中氣孔、縮孔等缺陷增 加;壓力過高,飛邊及毛刺等缺陷增加,對模具損害也大。采取合適的壓射速度(壓射比壓),確定合理的速度轉換位置,在凝固之前對鑄件實現快速增壓(增壓比壓)。
因缸體尺寸大、結構復雜、壁厚差異大,采用28000kn壓鑄機,設置慢壓射速度為0.2m/s左右,慢壓射行程為400mm,快壓射速度為5.5m/s左右,最終壓力保持在45mpa左右。圖4為位移、壓力和速度與時間的關系曲線。
2.3.3 時 間 控 制

充填時間長短取決于鑄件體積的大小和復雜程度,充填時間與內澆口的截面積有密切關系,并與沖頭壓射速度直接關聯。充填時間最終體現為2級壓射速度,即快壓射速度控制在4~5m/s。合金液充填型腔完畢,將進入凝固成形階段,此時應立即進行增壓,使合金液在高壓下凝固結晶,大噸位 壓鑄機建壓時間控制在30ms以內,小型壓鑄機可達到10 ms。持壓時間的長短取決于鑄件的材質和壁厚。持壓時間過短容易產生氣孔、縮松;持壓時間過長則鑄件溫 度低,收縮大,抽芯和頂出鑄件時的阻力大,不僅出模困難,同時容易引起鑄件開裂,一般取30s。
2.4 壓鑄自動化生產單元的實現
壓鑄機配備有澆注機械手、噴涂機器人、取件機器 人、切邊機等周邊附屬裝置,可實現全自動生產,單件節拍為110s。
2.4.1 合金液保溫
通過轉運澆包將成分、含氣量合格的合金液轉至壓鑄機前保溫爐內進行保溫,溫度控制在640~680°c。
2.4.2 鑄鐵缸套嵌入在缸套嵌壓前,缸套需要預熱至90°c,避免鋁合金收縮應力導致的開裂。
2.4.3 澆注系統清理
采用自動液壓切邊機及切邊模,切除澆注系統、排溢系統及缸孔內飛邊。
2.5 熱處理
缸體鑄造殘余應力包括熱應力、相變應力及收縮應力。殘留應力降低了鑄件的力學性能,影響鑄件的加工精度。通過24h自然時效后t5處理,可以達到消除殘余應力的目的。圖5為t5處理曲線。
t5處理將導致鑄件硬度(hb)下降8~10,通過提高cu、si、mn的含量及適當降低t5處理的溫度,可得到理想的鑄件硬度。其中,cu含量的增加,硬度增大效 果明顯,但材料成本較高,需通過化學成分和溫度的正交試驗,以確定工藝方案。硬度測量點見圖1中 a、b 兩點。
2 .6 粗加工
為確保交付產品滿足后續精加工定位及加工精度,需對毛坯進行粗加工以消除鑄造公差,粗加工范圍包含 定位孔、主軸承座、缸孔等,均采用加工中心完成。
2 .7試漏
粗機加后的零件需要進行試漏,分為水套試漏、高壓油道、低壓油腔,試漏過程主要分為充氣、穩壓、測量、排氣4個階段,測試參數見表1。

2 .8 浸 滲
針對要求水套泄漏量小于100ml、曲軸箱泄漏量小于500ml的泄漏零件,將進行浸滲處理,使有機浸 滲液填補進鑄件的細微氣孔、縮松中,使缸體達到應有 的氣密性要求。對毛坯泄漏而言,浸滲只是針對表面縮 松、冷隔缺陷零件的返修,其所占比例很小。毛坯在機 加工后,厚壁縮松部位才能暴露出來,成品浸滲是重要 的返修工藝。允許2次浸滲,浸滲有效率可達99%。
3 關鍵技術應用
3 .1 實時參數控制
影響壓鑄件品質的因素是多方面的,如鑄件中的氣 孔、縮松、尺寸精度及表面品質等。實時壓射控制系統 是由快速響應的電液伺服閥為主體所組成的閉環液壓 控制系統,最終實現自動壓射系統的速度和增壓壓力實 時控制,使每次壓射過程壓射速度和增壓壓力曲線的重 復性好,批量生產鑄件的內在品質穩定。

同時,通過對壓射速度、壓射壓力等重要參數進行spc統計控制,在每次壓射過程完成后,如參數合格, 鑄件將被自動標識,如超出控制限制,則鑄件將被判為 不合格而被自動隔離。圖6為伺服系統實時壓射工藝參數壓射曲線。


3 .2 真空壓鑄

真空壓鑄是將型腔內的氣體抽出,金屬液在接近真空狀態下(4.5×10-4mpa)充填型腔,可以有效消除或減少氣孔。傳統壓鑄件是不能進行熱處理的,因為殘存 氣體的膨脹導致鑄件鼓包,而采用真空壓鑄,使缸體熱 處 理 成 為 可 能 。

3 .3 局 部 增 壓

缸體存在壁厚不均,主軸承座厚壁處因來不及補縮而導致內部縮松,加工油道孔后存在泄漏風險,僅依靠 工藝參數優化及抽真空措施不能完全避免縮松。局部 增壓是當金屬液充滿型腔并建立最終增壓壓力的2s 后,立即針對厚壁部位的半固態金屬以增壓針再次進行 加壓,使其在高壓下凝固,可有效解決主軸承座厚壁部 位的縮松問題。

3 .4 高 壓 水 冷
針對鑄件上厚壁加工部位,如螺紋孔,加工后出現縮松導致的零件泄漏。因模具結構限制,厚壁部位的縮 松問題不能通過局部增壓得以解決。通過1.0~1.5 mpa高壓水,對直徑大于4mm 的型芯內部進行冷卻, 可使型芯周邊組織先行凝固,形成致密層,減少縮松傾 向。圖8為冷卻管及型芯結構。

3 .5 產 品 可 追 溯 性

每個鑄件的壓射過程參數均在存儲器中和壓射系 列號對應,并將系列號標識在鑄件表面,如自動判斷為 合格,將自動進行激光標識二維矩陣碼,其中包含設備、模具、生產日期、系列號等相關信息;如不合格,將自動隔離報廢。

氣孔多呈圓形,表面光亮。通過對合金液的除氣處理、合理設計澆注及排溢系統、合理設置工藝參數,可以 適當降低氣孔的產生。通過抽真空技術的應用,可以最 大程度地消除氣孔并使后續熱處理成為可能。

渣孔屬于內部夾雜,外觀表現為黑色、形狀不規則。 產生原因是來自合金液、模具上涂料等殘余隨合金液充 填型腔,在鑄件內部形成渣孔。解決此問題的方法,首 先,優化合金的配料,輔之精煉處理,達到凈化合金液的 目的;其次,合理布置澆注及排溢系統,將前端充填的低 溫、臟污合金液導入集渣包內,采用齒形激冷排氣塊排氣集渣效果良好 。

縮松表現為組織縮松、不連續,可為孔洞和松散區域。產生的原因是合金液充填型腔的同時,壓力不能及時傳遞并確保合金液在壓力下冷卻凝固,并存在局部厚壁區域液態金屬收縮大于固態收縮現象。消除縮松的方法,首先,在工藝設計中須遵循順序填充、順序凝固、及時建壓原則,確保鑄件各部位在增壓壓力下得到合金液的及時、有效地補充;其次,采用降低局部成形部位模 具溫度、局部增壓、高壓水冷等措施,可有效改善周邊成 形品質。

對于壓鑄件而言,因影響因素眾多,不可能完全避 免加工面存在氣孔、縮孔缺陷,因此從鑄造廠和主機廠 成本而言,對加工面氣孔、縮孔的返修顯得至關重要。 返修標準見表2。


4 重點品質問題分析及改進

4.1 降低廢品率

批量生產初期廢品率高達15%。圖9為鑄件缺陷類 型。主要缺陷為油道及水套泄露值超出可浸滲上限、加 工面缺陷等。加工面缺陷有氣孔、渣孔、縮松3種形式。

4 .2 降低泄漏率

批量生產初期,機加工后缸體泄漏率高達40%,浸 滲后缸體需要重新試漏,嚴重影響生產效率。統計發 現,泄漏部位主要集中在主軸承座螺栓孔、機油泵安裝 螺栓孔處。

經過 ct 檢測發現,在主油道和螺栓孔之間存在較 大面積縮松。因該處屬于厚壁部位,局部厚度達到50 mm,冷凝速度慢,周邊金屬來不及補縮,且離澆口位置 遠,壓力無法及時傳遞,導致縮松出現。為減少此處壁厚、確保周邊金屬均勻收縮,在主軸承座螺栓孔處及機油泵安裝螺栓孔處增加了預鑄孔,尺寸 分 別 為 6 m m × 1 5 m m 、 3 .5 m m × 1 5 m m 。 通過增加預鑄孔,缸體毛坯加工后試漏合格率提高 到90%。在復制模上采用了主軸承孔的局部增壓工藝,試漏合格率進一步提高。

4 .3 減 少 裂 紋

該產品裂紋主要為缸體水套外壁深腔部位裂紋和 缸套間鋁合金裂紋。缸體水套外壁深腔部位裂紋屬于典型的冷裂,因此 處型腔較深,合金凝固后對型芯包裹力大,強制脫模導 致拉裂,通過加大起模斜度及過渡段圓角、模具定期拋 光、增加局部涂料潤滑,可有效解決此類問題。缸套間鋁合金裂紋屬于典型的熱裂,應力一方面來 自缸套和鋁合金的收縮率差異,鋁合金凝固時收縮率較大,受到缸套的阻力產生拉應力;另一方面來自產品結 構設計的壁厚差異。裂紋處壁厚僅3mm,受到兩側厚 壁部位凝固時產生的拉應力。通過嚴格控制缸套的預 熱溫度可減少熱裂紋風險;通過提高缸套定位芯軸精度 和缸套制造精度,可同時減少熱裂紋及冷裂紋風險。

5 關鍵特性標準及檢測手段

5 .1 孔 隙 率

鑄件內在缺陷主要為氣孔和縮孔。氣孔、縮孔的存在 ,對 鑄 件 的 強 度 、氣 密 性 、表 面 結 構 以 及 外 觀 都 有 影 響 。 當通過外力對零件加負荷時,在對應的鑄件截面產生一個應力,它和外力及零件截面積成比例。有氣孔、 縮孔的有效截面積減少,應力增大,一旦形成的應力超 過材料的彈性限值,將產生永久變形,最終導致斷裂。此外,截面積縮小引起的應力升高,將產生與氣孔、縮孔形狀有關的應力集中,應力集中隨著氣孔表面積和孔徑 的增大而增大。有關鋁合金鑄件疲勞強度的研究表明, 孔隙率從氣孔級別0增加至級別8,疲勞強度降低15% ~20% 。 對有密封要求的鑄件或機加密封面而言,氣孔、縮松將損害鑄件的密封性。同時,當鑄件進行表面噴凃、熱處理時,鑄件表面的氣縮孔將導致中斷和表面氣泡的產生。孔隙率的檢測分為有損和無損檢測。有損檢測是采用放大25倍的金相圖剖面,通過分析軟件來定量評 估孔隙率;無損檢測采用工業 ct 進行。

5 .2 缸套結合力

缸套作為鑲嵌件置入模具中,為確保缸套和鋁合金的結合,在缸套表面留有螺紋狀或者凸刺狀表面(高度為0.7 ~ 0.9mm)。 缸套結合力的影響主要來自澆口的工藝布置、缸套表面形狀的選取,如缸套結合力不足將導致發動機運轉時產生敲缸噪音。目前缸套結合力的檢測無統一標準,多采用縱向剖 面剝離、橫向剖面著色滲透、結合面低倍放大、結合面覆 蓋率等方法進行多重評估、對比分析。

結合面覆蓋率=(360°-縫隙角度)/360°×100%,圖10中結合面覆蓋率為67 % 。


5 .3 清潔度

缸體作為發動機的核心部件,對其清潔度要求極為嚴格。為確保機加成品缸體的清潔度及清洗過程穩定,對鑄件毛坯的清潔度也作了明確的規定,要求質量≤ 300mg,允許最大顆粒直徑為2mm。

目前,清潔度檢查操作方法也形成了相關標準,如清洗液牌號、沖洗壓力、沖洗位置、試樣收 集、烘干、稱重均有明確的規定,同時相關檢測硬件設備和分析軟件也實現了標準化配置。分析軟件可在顯微鏡下實現自動分析顆粒大小級別及數量分布情況。

為此,鑄造廠需要增加機加后清洗工序,多采用通 過式高壓清洗機,并在批量生產過程中針對質量及最大顆粒實施統計控制。

6 結語

針對某鋁合金發動機缸體的生產工藝及設備、關鍵 壓鑄技術的應用、重點品質問題的分析及改進、檢測等 方面作了詳細介紹。目前此發動機在國內汽車市場占 有率高達20%,該鋁合金缸體的批量投產極大地促進 了國內鋁合金缸體壓鑄技術及周邊技術的提升。