發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸體壓鑄工藝及力學(xué)性能研究①

(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，滁州 239000)

0 引 言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車(chē)制造業(yè)提出了以輕量化、低能耗、減少污染、提高燃料經(jīng)濟(jì)性等方面的發(fā)展要求，而輕量化是滿(mǎn)足上述要求最直接有效的途徑[1～2]。作為汽車(chē)的核心部件，發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)劣決定汽車(chē)的環(huán)保性、動(dòng)力性以及經(jīng)濟(jì)性。缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝和制造生產(chǎn)中難度程度較高鍛鑄造加工成形件，因汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)功能上的特殊需求，缸體必須具有較高的強(qiáng)度、剛性以及承受熱沖擊的能力，此外，須具有較低的熱膨脹性和良好的耐磨性。鋁合金作為一種稀有金屬融合型新材料被多用于加工成缸體，缸體被鋁合金生產(chǎn)制作大大減輕了汽車(chē)動(dòng)力的重量，順應(yīng)政府即時(shí)提倡既減排又節(jié)能型的汽車(chē)發(fā)展的需求[3～4]。達(dá)到高性能的鋁合金缸體量化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)鍵和根本的條件是需要鑄造的材料以及工藝的問(wèn)題[5]。汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體壓鑄成型的工藝不斷被改進(jìn)及提高，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了新型的鋁合金鑄造工藝，比如采用真空型壓鑄、低壓性的控制型鑄造及消失模型的鑄造。此外，Si元素含量的多少對(duì)鋁合金的流動(dòng)性產(chǎn)生影響，Cu元素含量對(duì)鋁合金的強(qiáng)度和硬度影響效果明顯，簡(jiǎn)述汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金的缸體壓鑄方法，并分析和研究了在特定含量的Si和Cu元素在A356鋁合金中鑄造工藝過(guò)程中斷面或表層產(chǎn)生的力學(xué)性能變化。

1 鋁合金缸體壓鑄工藝

鋁合金型材質(zhì)汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造成型的缸體制造工藝方法比較多，對(duì)具有代表性的及實(shí)際運(yùn)用相對(duì)較多的壓鑄工藝步驟和特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)述。

1.1 壓力鑄造工藝的特點(diǎn)

壓鑄成型的鋁合金材質(zhì)的汽缸生產(chǎn)方式是現(xiàn)今國(guó)內(nèi)和國(guó)外普遍采用的。獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在于短暫的工藝步驟，要求事先做好模具，缸體毛坯鑄件從被澆注后的模具中快速取出，加工并剔除飛邊或毛刺，交予檢驗(yàn)合格后入庫(kù)保存；自動(dòng)作業(yè)的程度較高；具備較強(qiáng)的工藝穩(wěn)定性及操作性，包括復(fù)雜的薄壁鑄件在內(nèi)；高標(biāo)準(zhǔn)的鑄件成品，高精度的尺寸，符合表面的粗糙度要求；占用空間小。缺陷在于用于壓鑄缸體的配套裝備的價(jià)格比較高，并且小批量生產(chǎn)的需求無(wú)法保證；壓鑄模具多為金屬型，設(shè)計(jì)制造成本較高，周期較長(zhǎng)；為確保脫模及抽芯的作業(yè)，大大地制約了缸體在壓鑄成型時(shí)的結(jié)構(gòu)或形狀要求；多數(shù)下不能采用熱處理來(lái)改善或提高壓鑄型的鋁合金缸體的機(jī)械性能，壓鑄鋁缸體一般需要加大壓鑄模的體積或壁厚來(lái)滿(mǎn)足機(jī)械性能的要求；高速的射流被用于壓鑄成型中，就會(huì)導(dǎo)致紊流卷氣，缸體鑄件內(nèi)部出現(xiàn)高氣量、內(nèi)部氣孔多。

1.2 壓力鑄造工藝原理

采用壓力成型的鑄造方式是在鑄件模具的腔室內(nèi)注入半固態(tài)或全液態(tài)的金屬液，用于壓射的沖頭快速將金屬液向下壓，金屬液快速地被充填到型腔中去，金屬液在巨大的沖壓力積壓下快速地結(jié)晶和凝固以此獲得的鑄件的鑄造方式[6]。壓鑄成型時(shí)通常作用于金屬液上的壓力壓介于5MPa至70MPa之間，有時(shí)作用在金屬液上的壓力高達(dá)600MPa。壓鑄模具的型腔在被充填完畢后，高達(dá)0.5～70m/s的線(xiàn)速度在澆口處出現(xiàn)。充填的時(shí)間極短，一般為0.01～0.03s。國(guó)內(nèi)外學(xué)者為了能夠獲得內(nèi)部精密的，外部無(wú)缺陷的缸體，而研究出的壓鑄成型的工藝參數(shù)如表1所示[7]。

表1 壓鑄工藝技術(shù)參數(shù)表

熱壓室壓鑄的基本原理：在坩堝的金屬液注入壓鑄模具的壓室中去。鑄造成形的過(guò)程中，當(dāng)壓射的沖頭在上升時(shí)，金屬液進(jìn)入壓鑄模具的壓室中，金屬液順著壓射沖頭的通道從噴嘴到壓鑄模的型腔進(jìn)行填充，當(dāng)注入到型腔后的金屬液冷卻并凝固成形以后，壓射的沖頭向上運(yùn)動(dòng)，壓鑄模被開(kāi)模鑄件被取出，一個(gè)完整的壓鑄工藝順序就完成了。 冷壓室壓鑄的基本原理：用于保溫的坩堝和冷壓室的壓鑄室不是緊挨著的，冷壓的壓鑄采用人工方式將放置在保溫的坩堝中的金屬液澆入壓鑄室后進(jìn)行作業(yè)。以壓鑄模與壓鑄的壓室之間的位置來(lái)劃分，冷壓室可劃分成全立式、臥式和立式。

圖1 鋁合金的壓鑄缸體示圖

如圖1所示為一鋁合金壓鑄缸體。鋁合金的壓鑄成型的工藝側(cè)重點(diǎn)是如何來(lái)準(zhǔn)確又合理地設(shè)計(jì)用于壓鑄成型的澆注系統(tǒng)，而澆注系統(tǒng)通常又分為單側(cè)澆注和雙側(cè)澆注的缸體壓鑄。一般分別適用于大型缸體和小型缸體。澆注系統(tǒng)應(yīng)注意沿金屬液流動(dòng)方向逐步縮減，以減少氣體卷入[6]。沖壓的速射工藝參數(shù)的不斷調(diào)整決定于缸體的壓鑄成型件的工作效率和質(zhì)量，速射的速度過(guò)快就很輕易地使鑄件在腔室中的氣體量增多，速度比較低時(shí)，就容易會(huì)形成充填不良的鑄件出來(lái)。此外，還要注意控制壓鑄溫度，溫度應(yīng)控制在740℃～750℃左右，如果溫度過(guò)高，導(dǎo)致鋁液出現(xiàn)過(guò)熱的現(xiàn)象，大量的氫氣就會(huì)被吸收，也需要適宜的熔煉時(shí)間，以免造成熔體吸氣量的增加，在確保完全熔化時(shí)，溫度較高的時(shí)間需要的越短。

2 A356鋁合金力學(xué)性能提升的方法

A356鋁合金的力學(xué)性能如表2所示。提高缸體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的主要方法：晶粒的細(xì)化、破壞晶粒結(jié)構(gòu)處理和合金晶粒組合。

表2 A356鋁合金的力學(xué)性能

注：S-砂型鑄造；B-變質(zhì)處理；T6-人工時(shí)效和固溶處理。

晶粒的細(xì)化是鋁合金熔煉工藝中的重要工藝環(huán)節(jié)，最有效的解決鑄件氣孔、裂紋及晶粒粗大等鑄造產(chǎn)生的各種缺陷。

破壞晶粒結(jié)構(gòu)處理是將稀有金屬加入到金屬液中去，破壞金屬液凝固后形成更好的表面材料。在破壞鋁合金的晶粒結(jié)構(gòu)處理是不可或缺的工序，加入不同含量或種類(lèi)的破壞晶粒劑對(duì)鋁合金的工藝性能具有深遠(yuǎn)的影響[8]。

合金晶粒組合不但可以使鑄件模具中氣體的含量降低，而且還可以控制其他雜質(zhì)元素的含量。鑄態(tài)下的鋁合金鑄件，由于力學(xué)性能較差，又滿(mǎn)足不了對(duì)載荷的要求，因此需要通過(guò)金屬的熱處理來(lái)提高鑄件的力學(xué)性能和綜合性能。

3 鋁合金力學(xué)性能測(cè)試方法介紹

3.1 抗拉強(qiáng)度測(cè)試

通常運(yùn)用澆注樣本經(jīng)加工后得到的試樣在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并進(jìn)行多次試驗(yàn)取平均值，得到較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

伸長(zhǎng)率可由下式得出：

η=(Lu-L0) /L0

(1)

式中，Lu為測(cè)量試樣斷裂后的標(biāo)距；L0為室溫下施力前的試樣標(biāo)距

抗拉強(qiáng)度：

(2)

式中，F(xiàn)為拉伸試驗(yàn)機(jī)拉力值；d0為試樣平行長(zhǎng)度的原始截面直徑。

3.2 布氏硬度

經(jīng)一定的時(shí)間后，試驗(yàn)力做消除處理，殘留壓痕在試樣的表面上，位于試樣表面的壓痕直徑被測(cè)量，通過(guò)計(jì)算得出布氏硬度的值，表示是作用于試樣的壓痕表面積上的平均壓力[9]。按下式計(jì)算：

(3)

式中，D為鋼球直徑(mm)；F為試驗(yàn)載荷(N)；d為壓痕直徑(mm)。

試驗(yàn)原理是：用一定直徑的硬質(zhì)合金鋼球，以特定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，如圖2所示。

圖2 布氏硬度試驗(yàn)原理圖

4 鋁合金的力學(xué)性能影響分析

4.1 試驗(yàn)材料的準(zhǔn)備和試驗(yàn)步驟

A356鋁合金材料力學(xué)性能取決于共晶Si相和組織中初生α-Al相組織形態(tài)。表3所示為材質(zhì)A356的鋁合金金屬的化學(xué)成分質(zhì)量百分含量。試驗(yàn)采用si含量達(dá)8.8%的Al-Si合金，然后將純鋁加入其中，使所含si元素達(dá)到A356鋁合金化學(xué)成分要求含量，分析在鋁合金力學(xué)性能中的si含量影響。并在最優(yōu)Si含量的狀態(tài)下，再加入Al-1/2Mg中間的合金，同時(shí)繼續(xù)分析Mg的影響。

圖3 A365鋁合金中Si含量力學(xué)性能影響

圖4 A365鋁合金中Mg含量力學(xué)性能影響

圖5 A365鋁合金中Si-Mg含量力學(xué)性能影響

SiMgCuZnMnTiFe其它6.5～7.50.25～0.450.20.10.10.20.2≦0.15

試驗(yàn)時(shí)，將單晶硅加入坩鍋，將2/3的純鋁量覆蓋于Si上共同加熱，在660℃的溫度時(shí)Al先于Si熔化而將Si覆蓋。待Si熔化之后用石墨棒攪拌均勻。接著，加入余下的純A1，待升溫至800℃使其混合物完全被熔化后，再進(jìn)行保溫至半小時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，使其制成含Si量為8.8%的Al-Si合金。第二步，將坩堝預(yù)熱后升溫加熱Al-Si合金和初預(yù)算一定量純鋁，在800℃左右溫度下完全溶化，溫度為750℃，再加入Al-5Ti-1B絲細(xì)化劑，并充分?jǐn)嚢璨㈧o置5min的時(shí)間，在溫度為765℃時(shí)加入A1-10%Sr中間合金變質(zhì)劑，靜置15 min之后再加入一定量的精煉劑做精煉處理，過(guò)程分為扒渣、除氣、精煉，靜置一刻鐘，澆鑄試棒。最后對(duì)鑄件做力學(xué)性能測(cè)試。

在進(jìn)行Mg含量的試驗(yàn)時(shí)，將最優(yōu)的含量下的Al-Si合金進(jìn)行熔煉，在溫度于750℃時(shí)期加入Al-1/2Mg中間合金，均勻攪拌。試驗(yàn)程序同Si元素試驗(yàn)。

4.2 對(duì)比試驗(yàn)步驟

將單晶硅和鎂加入坩鍋，將2/3的純鋁量覆蓋于Si和Mg上共同加熱，在660℃的溫度時(shí)Al先于Si和Mg熔化而將Si-Mg覆蓋。待Si-Mg熔化之后用石墨棒攪拌均勻。接著，將余下純A1加入，升溫至800℃待其混合物完全熔化后，保溫大約半小時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，配成8.8%的含Si量的Al-Si-Mg合金。第二步，將坩堝預(yù)熱后升溫加熱Al-Si-Mg合金和初預(yù)算一定量純鋁，在800℃左右溫度下完全溶化，在大約750℃溫度，加入Al-5Ti-1B絲細(xì)化劑，充分?jǐn)嚢韬箪o置大約5min時(shí)間，A1-10%Sr中間合金變質(zhì)劑在大概765℃加入，靜置15 min，之后再加精煉劑進(jìn)行精煉，過(guò)程分為扒渣、除氣、精煉，靜置一刻鐘，澆鑄試棒。最后對(duì)鑄件進(jìn)行力學(xué)性能的檢測(cè)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

硅元素含量對(duì)A365鋁合金的抗拉強(qiáng)度(P曲線(xiàn))和伸長(zhǎng)率(Q曲線(xiàn))的力學(xué)性能分析如下圖3所示，從圖中分析可得：A365合金的抗拉強(qiáng)度隨著si含量的比重的增高而呈現(xiàn)一種先增后減的趨勢(shì)，其最大伸長(zhǎng)率為13.6%，最大抗拉強(qiáng)度為230Mpa，此時(shí)所含Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.2%。在含Si量為7.2%(最優(yōu)值)時(shí)進(jìn)行Mg元素力學(xué)性能影響試驗(yàn)，圖4為不同含Mg量下的抗拉強(qiáng)度(P曲線(xiàn))和伸長(zhǎng)率(Q曲線(xiàn))的分析，從圖中分析可得：在Mg含量0.45%時(shí)，抗拉強(qiáng)度最好，為219Mpa，伸長(zhǎng)率為9.88%，抗拉強(qiáng)度(P曲線(xiàn))和伸長(zhǎng)率(Q曲線(xiàn))隨著含Mg量的增加而呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。將Si和Mg同時(shí)加入到純Al中，硅元素含量對(duì)A365鋁合金的抗拉強(qiáng)度(P曲線(xiàn))和伸長(zhǎng)率(Q曲線(xiàn))的力學(xué)性能分析如下圖5所示，抗拉的強(qiáng)度(P曲線(xiàn))與伸長(zhǎng)率(Q曲線(xiàn))隨含Si-Mg含量的增加而先上升又下降，當(dāng)在Si-Mg含量10.0%時(shí)，抗拉強(qiáng)度最好，為225Mpa，伸長(zhǎng)率為10.4%。

5 結(jié) 語(yǔ)

以Si、Mg及Si-Mg含量為研究基礎(chǔ)，對(duì)A365材質(zhì)鋁合金壓鑄成型的力學(xué)性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究分析，結(jié)果論證：A356鋁合金中Si含量最佳狀態(tài)為7.2%，其抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率達(dá)到230Mpa和13.6%，當(dāng)Mg的含量達(dá)到0.45%，A356材質(zhì)的鋁合金抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率分別為219Mpa和9.88%；當(dāng)Si-Mg含量為10.0%，其抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率為225Mpa和10.4%，因此可以根據(jù)不同材料要求特性來(lái)合理選擇Si和Mg搭配，以及壓鑄工藝中Si和Mg添加的順序。