淺析汽車鋁合金鑄造的工藝性能

林潤琛

廣東肇慶動力金屬股份有限公司

淺析汽車鋁合金鑄造的工藝性能

林潤琛

廣東肇慶動力金屬股份有限公司

隨著輕量化發展的要求，汽車工業廣泛采用鋁合金代替鋼鐵部件以減輕整車重量，從而降低排放，節約材料。鋁合金鑄造工藝性能，通常理解為在充滿鑄型、結晶和冷卻過程中表現最為突出的那些性能的綜合。鋁合金材料可以用來減輕汽車重量，實現汽車輕量化。汽車發動機的缸體缸蓋是汽車所有零件中最重的，而且最重要，結構也很復雜。基于此，文章就汽車鋁合金鑄造的工藝性能進行簡要的分析。

汽車；鋁合金鑄造；工藝性能

1.汽車鋁合金鑄造的工藝性能

1.1 鋁合金鑄造工藝的流動性

流動性是指合金液體充填鑄型的能力。流動性的大小決定合金能否鑄造復雜的鑄件。在鋁合金中共晶合金的流動性最好。常見鋁合金鑄造時流動性的影響有：充型能力首先取決于金屬液體本身的流動能力(即流動性)，同時又受鑄造工藝隱身(如：鑄型性質、澆筑條件及鑄件結構等)的影響。影響流動性的因素很多，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，共分為三個階段，分別為液態收縮、凝固收縮和固態收縮。合金的收縮性對鑄件質量有決定性的影響，它影響著鑄件的縮孔大小、應力的產生、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收縮，在實際生產中一般應用線收縮來衡量合金的收縮性。鋁合金收縮大小，通常以百分數來表示，稱為收縮率。

1.3 鋁合金鑄造工藝的熱裂性

鋁鑄件熱裂紋的產生，主要是由于鑄件收縮應力超過了金屬晶粒間的結合力，大多沿晶界產生從裂紋斷口觀察可見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，內部較窄，有的則穿透整個鑄件的端面。

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，氣密性實際上表征了鑄件內部組織致密與純凈的程度。不同鑄鋁合金氣密性不同，它與合金的性質有關，合金凝固范圍越小，產生疏松傾向也越小，同時產生析出性氣孔也少，則合金的氣密性也越高。

1.5 鋁合金鑄造工藝的鑄造應力

鑄造應力一般包括：鑄造熱應力、相變應力和收縮應力三種。各種應力產生的原因不盡相同。它們在鋁鑄件中的殘余應力降低了合金的力學性能，嚴重影響了鑄件的加工精度。當然鋁鑄件中的殘余應力也可以通過退火處理預以消除。一Si合金因導熱性好，冷卻過程中無相變，只要鑄件結構設計合理，鋁鑄件中的殘余應力就較少。

2.以汽車鋁合金缸體缸蓋鑄造工藝為例分析

研究發動機的缸體缸蓋材質和鑄造工藝，一方面可實現汽車輕量化，另一方面還涉及到發動機內部復雜的結構和工藝。

2.1 主要的鑄造工藝分析

2.1.1 金屬型鑄造工藝。在汽車發動機缸體缸蓋主要鑄造方法中，有比較先進的方法，也有傳統的方法，比如金屬型鑄造工藝就是一種典型的傳統鑄造方法。其優點在于鑄造時間快，鑄造零件組織緊密，性能良好。但是缺點也很明顯，其所生產的鑄件內部有空氣，有開裂的紋路等。由于對于發動機缸體缸蓋質量要求很高，因此單一的金屬型鑄造工藝所生產的零部件不一定符合發動機要求。金屬型鑄造工藝的成本高，周期長，不適合小批量生產，關于缸體缸蓋的制造方面，可針對外形采取該工藝，內腔采用砂芯，二者結合就會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勢，比如可以使用砂芯。其主要是經由高壓鑄造改造的。改造后的重壓鑄造工藝可以進一步滿足要求越來越高的發動機功率和日益復雜的缸體結構，而且，可以使用砂芯是中壓鑄造工藝的突破點。其主要原理就是通過比高壓要低的壓力進行鑄造，同時可以使用砂芯，適用于復雜內腔結構的缸體。

2.2.3 低壓鑄造工藝。低壓鑄造工藝結合了上述鑄造工藝的優勢，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型腔進行填充。低壓鑄造工藝的有點是顯而易見的，比如金屬液體充型的速度可以方便調節，鑄件質量更高。其不僅可以使用砂芯，適合更加復雜的結構，還能夠以較低的壓力實現鑄造。缺點是鑄造時間長，效率低，成品率低。

2.2 鑄件低壓鑄造工藝設計

2.2.1 加工余量與收縮率。鑄造工藝設計中，在滿足產品要求基礎上，采用增大起模斜度、調整機械加工量及增加工藝余量等措施，與鑄造工藝條件相滿足。缸體鑄件機械加工余量：小平面為(1.5±0.5)mm，大平面為(2.5±0.5)mm，根據7級精度對鑄件尺寸差進行控制。在汽車發動機缸體低壓鑄造過程中，依照產品結構特征與鑄件材料AC4B，設置模具收縮率為0.7%。

2.2.2 模具中鑄件位置。低壓鑄造模具中，對鑄件位置予以確定時，禁止違背順序凝固原則，應對汽車發動機缸體結構特性進行分析的基礎上，對低壓鑄造過程中液體金屬補縮鑄件所需的條件予以充分利用，創建一個由底殼結合面至發動機缸體結合面，以安裝在缸體的螺栓孔處為實際澆注位置。

2.2.3 模具結構形式設計。為達到順利開模的目的，應采用多分型面的方式從6大方向對模具進行開模，具體為：頂模、底模、左模、前模、右模、后模。

2.2.4 模具冷卻系統設計。工藝過程中熱量向模具傳入與從模具中傳出應該保持平衡，所以要在模具中對水冷系統進行設置，以保證及時傳出模具中的熱量。設計中通過調整通入模具冷卻水流量與時間，對模具溫度進行控制，實際生產中，鑄件與澆道相遠離的水泵孔凸臺厚大部位，容易出現鑄造缺陷，所以應注意通過局部水冷對模具溫度進行控制，先凝固厚大部位，保證該部位組織細密。

綜上，鋁是綠色環保材料，易回收，可循環回收。采用鋁所節省的能量是生產該零件所用原鋁耗能的6～12倍。我國車用鋁合金市場的發展前景非常廣闊。在汽車中擴大鋁合金的應用將會產生巨大的經濟效益和社會效益。

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