AlSi7MgCu0.5鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體試制

梁寶乙，楊友坤，趙梓淳，溫春巖，劉吉東

華晨寶馬汽車有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110000

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是車輛的關(guān)鍵部件，缸體作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心，其生產(chǎn)制造是整個(gè)汽車生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。人們對(duì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)注度越來(lái)越高，缸體研發(fā)向低成本和輕量化方向發(fā)展[1]。某公司采用全新的發(fā)動(dòng)機(jī)模塊化開發(fā)模式，即每個(gè)氣缸的排量為0.5 L，通過(guò)調(diào)整氣缸數(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不同的排量，該模式可以大大減少發(fā)動(dòng)機(jī)核心系統(tǒng)的開發(fā)工作，方便不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線的共線生產(chǎn)，降低制造成本。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和低速轉(zhuǎn)矩，新一代發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)缸筒長(zhǎng)徑比進(jìn)行了科學(xué)優(yōu)化。全新的發(fā)動(dòng)機(jī)單件試制已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室成功完成，本次測(cè)試過(guò)程為批量化的生產(chǎn)線試制，首批試制產(chǎn)量大于100件，相關(guān)質(zhì)量要求與單件試制要求一致。

1 試制工藝

1.1 鑄造

對(duì)某款全新設(shè)計(jì)的AlSi7MgCu0.5鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行批量化試制，AlSi7MgCu0.5材料是在ZL101A材料基礎(chǔ)上添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Cu,以提高材料的強(qiáng)度和機(jī)械加工性能，但添加Cu后不利于材料的可鑄造性和韌性，因此應(yīng)嚴(yán)格控制材料中Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。鑄造砂芯采用無(wú)危害的有機(jī)黏結(jié)劑及催化劑成型，通過(guò)機(jī)械熱再生工藝，90%鑄造后的廢砂可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，其余廢砂裝送水泥廠進(jìn)行廢物利用，做到環(huán)境友好。砂芯成型后采用機(jī)器人全自動(dòng)去毛刺工藝，確保無(wú)殘留毛刺。砂芯含水率直接影響鑄造的氣孔率及鑄件黏砂[2]，在砂芯儲(chǔ)存車間布置除濕機(jī)，采用全自動(dòng)濕度控制，確保儲(chǔ)存車間相對(duì)濕度低于40%。采用中央新風(fēng)溫控系統(tǒng)，確保全年溫度為15～40 ℃。為縮短砂芯轉(zhuǎn)移時(shí)間，采用智能搬運(yùn)機(jī)器人將砂芯轉(zhuǎn)移至鑄造機(jī)旁；在鑄造機(jī)旁放置期間，使用烘烤設(shè)備確保砂芯含水率在規(guī)定范圍內(nèi)。采用低壓澆鑄工藝進(jìn)行鑄造，澆鑄壓力為360～380 kPa，澆鑄溫度為720～740 ℃；澆鑄過(guò)程中精確控制模具的預(yù)熱和模具冷卻水壓力，確保澆鑄質(zhì)量。

1.2 預(yù)處理

鑄造完畢后，為確保每個(gè)缸體的全加工生命周期均可追溯，對(duì)缸體進(jìn)行激光打碼；然后進(jìn)行砂芯去除和鋸切，檢查缸體外觀和重要尺寸；為確保能夠有效去除殘砂且無(wú)裂紋產(chǎn)生，自動(dòng)重點(diǎn)監(jiān)控適當(dāng)?shù)腻N擊力和缸體溫度；進(jìn)行人工熒光裂紋探傷抽查，對(duì)缸體部件全部進(jìn)行全自動(dòng)x射線檢查及外觀檢查，確保產(chǎn)品內(nèi)、外部質(zhì)量合格且無(wú)表面裂紋。

1.3 熱處理

為保證產(chǎn)能，采用全自動(dòng)連續(xù)式燃?xì)鉄崽幚頎t進(jìn)行熱處理，試制前采用9點(diǎn)法對(duì)熱處理設(shè)備進(jìn)行爐溫均勻性測(cè)試[3-4]。保溫區(qū)的溫度誤差為±5 ℃，確保爐溫均勻性和設(shè)備的可靠性；缸體采用T6熱處理工藝[5]，固溶溫度和保溫時(shí)間分別為540 ℃和6 h，時(shí)效溫度和保溫時(shí)間分別為180 ℃和4 h；淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間不超過(guò)25 s，以確保轉(zhuǎn)移過(guò)程中無(wú)Mg和Si的強(qiáng)化相脫溶；淬火介質(zhì)選用水溶性淬火液，為避免鈣離子等影響水溶性淬火液的冷卻特性[6-7]，采用軟水與水溶性淬火液混合，水溶性淬火液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度分別為12%～16%和(50±5)℃(全自動(dòng)控溫)；每次補(bǔ)充冷卻液后均進(jìn)行水溶性淬火液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)，以確保冷卻液始終合格；時(shí)效處理后，進(jìn)行鼓風(fēng)空冷，使用紅外測(cè)溫傳感器對(duì)缸體進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)溫，當(dāng)缸體表面溫度低于40 ℃才可以轉(zhuǎn)入硬度測(cè)試工位；采用布氏硬度機(jī)測(cè)試硬度。所有熱處理過(guò)程數(shù)據(jù)及硬度測(cè)試結(jié)果均自動(dòng)上傳至生產(chǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)中可以追溯每個(gè)工件熱處理過(guò)程的所有信息。

1.4 粗加工及電弧絲噴涂

產(chǎn)品熱處理后進(jìn)行拋丸處理，清除缸體表面殘留的淬火液和殘砂，使缸體呈現(xiàn)金屬本色，然后進(jìn)行粗加工及高壓水試漏，最后進(jìn)行缸筒電弧絲噴涂工藝。其工作過(guò)程為：在2根帶電的絲材之間點(diǎn)燃高能電弧，并使絲材材料熔化；以氮?dú)庾鳛楣に嚉怏w，使熔化材料均勻噴涂在缸筒表面形成鐵碳合金涂層；涂層厚度為300～450 μm，表面HV0.025硬度為720～850。這種涂層可以替代傳統(tǒng)的笨重鐵缸套，減輕缸體質(zhì)量，降低摩擦，改善散熱，提高燃料利用率，降低油耗及排放。噴涂前，需加工待噴涂表面，使其達(dá)到一定的粗糙度，確保鐵碳合金涂層與鋁制基體之間有牢固的結(jié)合力。上一代發(fā)動(dòng)機(jī)采用的加工工藝為高壓水加工，耗水量很大，而且加工后的水體含有鋁粉，增加了污水處理成本。本次試制的缸筒加工首次采用Dμ-Cap工藝，工藝示意如圖1所示。首先使用精密鋸片在缸筒壁處加工出矩形凸臺(tái)，然后使用滾壓刀具將矩形凸臺(tái)壓成燕尾形，作為關(guān)鍵參數(shù)，α、β和加工深度全部采用全自動(dòng)光學(xué)檢查，確保鐵碳合金涂層與缸體本體高強(qiáng)度結(jié)合并在隨后的使用過(guò)程中不脫落。將高壓水加工設(shè)備的水壓調(diào)低后，可以用于電弧絲噴涂工藝前的清洗，避免設(shè)備的閑置浪費(fèi)。噴涂工藝結(jié)束后，再次進(jìn)行缸體外觀檢查，確保缸體無(wú)任何超差的表面缺陷。

圖1 噴涂前缸筒預(yù)加工工藝示意

2 缸體檢查

2.1 化學(xué)成分分析及組織檢驗(yàn)

缸體材料的化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 試制缸體的化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)

熱處理后，在5個(gè)軸承座位置進(jìn)行金相取樣，每個(gè)取樣位置取10個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量二次枝晶間距，結(jié)果如表2所示。由表2可知：二次枝晶間距均小于35 μm，符合要求。

表2 二次枝晶間距檢測(cè)結(jié)果 μm

圖2 熱處理后金相組織

金相組織如圖2所示。由圖2可知：無(wú)共晶組織和片層組織，符合要求。

2.2 機(jī)械性能及變形檢查

缸體熱處理后進(jìn)行布氏硬度測(cè)試[8]，測(cè)試位置(圖中藍(lán)色的點(diǎn))如圖3所示，該位置的HBW硬度為106，符合要求。在缸體的軸承座及缸筒壁處取樣加工并進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試[9-10]，其中軸承座處拉伸試樣為M12試樣，缸筒壁處拉伸試樣為M6試樣?？估瓘?qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2及延伸率A等缸體機(jī)械性能檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知：缸體各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)均完全滿足要求。

圖3 缸體硬度測(cè)試位置

采用Wenzel三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備，選取缸體截面厚度變化較大、應(yīng)力集中位置附近以及加工精度要求較高處等9個(gè)易發(fā)生變形或?qū)ψ冃蚊舾械奈恢?，進(jìn)行熱處理前、后的空間位置測(cè)量，熱處理前、后的變形測(cè)量結(jié)果如表4所示。由表4可知：9個(gè)位置的最大變形為0.236 mm，滿足變形不超過(guò)±0.8 mm的要求。采用顯微維氏硬度機(jī)測(cè)試鐵碳金屬涂層硬度[11]，該涂層HV0.025硬度為765，符合要求。

表3 試制缸體的機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果

表4 熱處理前后變形測(cè)量結(jié)果 mm

2.3 分析討論

嚴(yán)格控制砂芯的含水率(<0.3%)并設(shè)定嚴(yán)格的砂芯使用壽命(<80 h)，可以減少砂芯造成的鑄造缺陷；有效控制鑄造過(guò)程中的強(qiáng)制冷卻能夠獲得較小的二次枝晶間距；在截面較厚的軸承座位置設(shè)置強(qiáng)制水冷，有助于獲得優(yōu)異的力學(xué)性能[12]；在熱處理過(guò)程中，淬火冷卻速率的控制非常關(guān)鍵，如果冷卻速率過(guò)慢，Mg2Si和共晶Si就會(huì)在晶界或位錯(cuò)處析出，降低Mg和Si在基體內(nèi)的過(guò)飽和度，導(dǎo)致力學(xué)性能降低[13]，尤其在溫度由450 ℃降低為200 ℃時(shí)，由于合金元素的過(guò)飽和度很大，原子擴(kuò)散速率較高，強(qiáng)化相非常容易析出[14]；如果冷卻速率過(guò)快，特別是低溫段冷速過(guò)快時(shí)，會(huì)造成缸體不可逆的永久變形。針對(duì)這種情況，選用AlSi7MgCu0.5合金專用的水溶性淬火液，通過(guò)調(diào)整冷卻液中水溶性淬火液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度，降低缸體由450 ℃冷卻到200 ℃的冷卻速率，避免過(guò)飽和固溶體的強(qiáng)化相提前析出，確保時(shí)效處理后材料的力學(xué)性能滿足要求。水溶性淬火液中的大分子在低溫時(shí)會(huì)脫溶出來(lái)，由于淬火液在低溫時(shí)的冷卻速率較小，減小了熱應(yīng)力[15]，缸體的變形遠(yuǎn)低于要求的±0.8 mm。另外，在整個(gè)試制過(guò)程中設(shè)置2次100%外觀檢查，在熱處理前進(jìn)行的100%外觀檢查可以盡量避免不合格工件進(jìn)入后續(xù)昂貴的加工工序，避免后續(xù)的加工浪費(fèi)，降低報(bào)廢率；發(fā)現(xiàn)的連續(xù)同類型鑄造缺陷可以很快地反饋給鑄造工序，以便其進(jìn)行調(diào)整，降低批量缺陷，提高鑄件的合格率，降低成本。

3 結(jié)論

1)加強(qiáng)砂芯含水率及鑄造過(guò)程中的溫度管控，有助于獲得優(yōu)良的鑄造組織。

2)通過(guò)控制水溶性淬火液的使用，可以獲得優(yōu)異機(jī)械性能和較低的熱處理變形。

3)對(duì)整個(gè)制造過(guò)程的合理規(guī)劃和有效管控是完成試制的關(guān)鍵，嚴(yán)密的過(guò)程控制是產(chǎn)品穩(wěn)定且持續(xù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。