淺析汽車(chē)鋁合金鑄造的工藝性能

林潤(rùn)琛

廣東肇慶動(dòng)力金屬股份有限公司

淺析汽車(chē)鋁合金鑄造的工藝性能

林潤(rùn)琛

廣東肇慶動(dòng)力金屬股份有限公司

隨著輕量化發(fā)展的要求，汽車(chē)工業(yè)廣泛采用鋁合金代替鋼鐵部件以減輕整車(chē)重量，從而降低排放，節(jié)約材料。鋁合金鑄造工藝性能，通常理解為在充滿(mǎn)鑄型、結(jié)晶和冷卻過(guò)程中表現(xiàn)最為突出的那些性能的綜合。鋁合金材料可以用來(lái)減輕汽車(chē)重量，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體缸蓋是汽車(chē)所有零件中最重的，而且最重要，結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜?；诖?，文章就汽車(chē)鋁合金鑄造的工藝性能進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

汽車(chē)；鋁合金鑄造；工藝性能

1.汽車(chē)鋁合金鑄造的工藝性能

1.1 鋁合金鑄造工藝的流動(dòng)性

流動(dòng)性是指合金液體充填鑄型的能力。流動(dòng)性的大小決定合金能否鑄造復(fù)雜的鑄件。在鋁合金中共晶合金的流動(dòng)性最好。常見(jiàn)鋁合金鑄造時(shí)流動(dòng)性的影響有：充型能力首先取決于金屬液體本身的流動(dòng)能力(即流動(dòng)性)，同時(shí)又受鑄造工藝隱身(如：鑄型性質(zhì)、澆筑條件及鑄件結(jié)構(gòu)等)的影響。影響流動(dòng)性的因素很多，主要是成分、溫度以及合金液體中存在金屬氧化物、金屬化合物及其他污染物的固相顆粒，但外在的根本因素為澆注溫度及澆注壓力(俗稱(chēng)澆注壓頭)的高低。

1.2 鋁合金鑄造工藝的收縮性

收縮性是鑄造鋁合金的主要特征之一。一般講，合金從液體澆注到凝固，直至冷到室溫，共分為三個(gè)階段，分別為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。合金的收縮性對(duì)鑄件質(zhì)量有決定性的影響，它影響著鑄件的縮孔大小、應(yīng)力的產(chǎn)生、裂紋的形成及尺寸的變化。通常鑄件收縮又分為體收縮和線(xiàn)收縮，在實(shí)際生產(chǎn)中一般應(yīng)用線(xiàn)收縮來(lái)衡量合金的收縮性。鋁合金收縮大小，通常以百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，稱(chēng)為收縮率。

1.3 鋁合金鑄造工藝的熱裂性

鋁鑄件熱裂紋的產(chǎn)生，主要是由于鑄件收縮應(yīng)力超過(guò)了金屬晶粒間的結(jié)合力，大多沿晶界產(chǎn)生從裂紋斷口觀(guān)察可見(jiàn)裂紋處金屬往往被氧化，失去金屬光澤。裂紋沿晶界延伸，形狀呈鋸齒形，表面較寬，內(nèi)部較窄，有的則穿透整個(gè)鑄件的端面。

1.4 鋁合金鑄造工藝的氣密性

鑄鋁合金氣密性是指腔體型鋁鑄件在高壓氣體或液體的作用下不滲漏程度，氣密性實(shí)際上表征了鑄件內(nèi)部組織致密與純凈的程度。不同鑄鋁合金氣密性不同，它與合金的性質(zhì)有關(guān)，合金凝固范圍越小，產(chǎn)生疏松傾向也越小，同時(shí)產(chǎn)生析出性氣孔也少，則合金的氣密性也越高。

1.5 鋁合金鑄造工藝的鑄造應(yīng)力

鑄造應(yīng)力一般包括：鑄造熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和收縮應(yīng)力三種。各種應(yīng)力產(chǎn)生的原因不盡相同。它們?cè)阡X鑄件中的殘余應(yīng)力降低了合金的力學(xué)性能，嚴(yán)重影響了鑄件的加工精度。當(dāng)然鋁鑄件中的殘余應(yīng)力也可以通過(guò)退火處理預(yù)以消除。一Si合金因?qū)嵝院?，冷卻過(guò)程中無(wú)相變，只要鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，鋁鑄件中的殘余應(yīng)力就較少。

2.以汽車(chē)鋁合金缸體缸蓋鑄造工藝為例分析

研究發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體缸蓋材質(zhì)和鑄造工藝，一方面可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，另一方面還涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和工藝。

2.1 主要的鑄造工藝分析

2.1.1 金屬型鑄造工藝。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋主要鑄造方法中，有比較先進(jìn)的方法，也有傳統(tǒng)的方法，比如金屬型鑄造工藝就是一種典型的傳統(tǒng)鑄造方法。其優(yōu)點(diǎn)在于鑄造時(shí)間快，鑄造零件組織緊密，性能良好。但是缺點(diǎn)也很明顯，其所生產(chǎn)的鑄件內(nèi)部有空氣，有開(kāi)裂的紋路等。由于對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋質(zhì)量要求很高，因此單一的金屬型鑄造工藝所生產(chǎn)的零部件不一定符合發(fā)動(dòng)機(jī)要求。金屬型鑄造工藝的成本高，周期長(zhǎng)，不適合小批量生產(chǎn)，關(guān)于缸體缸蓋的制造方面，可針對(duì)外形采取該工藝，內(nèi)腔采用砂芯，二者結(jié)合就會(huì)起到事半功倍的效果。

2.2.2 中壓鑄造工藝。中壓鑄造工藝具有高壓鑄造不能替代的優(yōu)勢(shì)，比如可以使用砂芯。其主要是經(jīng)由高壓鑄造改造的。改造后的重壓鑄造工藝可以進(jìn)一步滿(mǎn)足要求越來(lái)越高的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和日益復(fù)雜的缸體結(jié)構(gòu)，而且，可以使用砂芯是中壓鑄造工藝的突破點(diǎn)。其主要原理就是通過(guò)比高壓要低的壓力進(jìn)行鑄造，同時(shí)可以使用砂芯，適用于復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的缸體。

2.2.3 低壓鑄造工藝。低壓鑄造工藝結(jié)合了上述鑄造工藝的優(yōu)勢(shì)，使用的壓力更低，可以充分利用鑄造材料，鑄造出更加牢固、密閉的缸體。其利用了較低的壓力，使鋁合金液體由下而上的對(duì)型腔進(jìn)行填充。低壓鑄造工藝的有點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，比如金屬液體充型的速度可以方便調(diào)節(jié)，鑄件質(zhì)量更高。其不僅可以使用砂芯，適合更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，還能夠以較低的壓力實(shí)現(xiàn)鑄造。缺點(diǎn)是鑄造時(shí)間長(zhǎng)，效率低，成品率低。

2.2 鑄件低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.2.1 加工余量與收縮率。鑄造工藝設(shè)計(jì)中，在滿(mǎn)足產(chǎn)品要求基礎(chǔ)上，采用增大起模斜度、調(diào)整機(jī)械加工量及增加工藝余量等措施，與鑄造工藝條件相滿(mǎn)足。缸體鑄件機(jī)械加工余量：小平面為(1.5±0.5)mm，大平面為(2.5±0.5)mm，根據(jù)7級(jí)精度對(duì)鑄件尺寸差進(jìn)行控制。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體低壓鑄造過(guò)程中，依照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征與鑄件材料AC4B，設(shè)置模具收縮率為0.7%。

2.2.2 模具中鑄件位置。低壓鑄造模具中，對(duì)鑄件位置予以確定時(shí)，禁止違背順序凝固原則，應(yīng)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)低壓鑄造過(guò)程中液體金屬補(bǔ)縮鑄件所需的條件予以充分利用，創(chuàng)建一個(gè)由底殼結(jié)合面至發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)合面，以安裝在缸體的螺栓孔處為實(shí)際澆注位置。

2.2.3 模具結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。為達(dá)到順利開(kāi)模的目的，應(yīng)采用多分型面的方式從6大方向?qū)δ＞哌M(jìn)行開(kāi)模，具體為：頂模、底模、左模、前模、右模、后模。

2.2.4 模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。工藝過(guò)程中熱量向模具傳入與從模具中傳出應(yīng)該保持平衡，所以要在模具中對(duì)水冷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，以保證及時(shí)傳出模具中的熱量。設(shè)計(jì)中通過(guò)調(diào)整通入模具冷卻水流量與時(shí)間，對(duì)模具溫度進(jìn)行控制，實(shí)際生產(chǎn)中，鑄件與澆道相遠(yuǎn)離的水泵孔凸臺(tái)厚大部位，容易出現(xiàn)鑄造缺陷，所以應(yīng)注意通過(guò)局部水冷對(duì)模具溫度進(jìn)行控制，先凝固厚大部位，保證該部位組織細(xì)密。

綜上，鋁是綠色環(huán)保材料，易回收，可循環(huán)回收。采用鋁所節(jié)省的能量是生產(chǎn)該零件所用原鋁耗能的6～12倍。我國(guó)車(chē)用鋁合金市場(chǎng)的發(fā)展前景非常廣闊。在汽車(chē)中擴(kuò)大鋁合金的應(yīng)用將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]李曉強(qiáng).鋁合金輪轂，汽車(chē)輪胎材料建設(shè)的新方向——針對(duì)汽車(chē)鋁合金輪轂的鑄造工藝研究[J].黑龍江科技信息，2016，27：124.