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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，每公里二氧化碳的排放量降低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351ｍｍ×334ｍｍ×269ｍｍ，壁厚為（4±０0.4）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（ＨHB）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/h。

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℃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℃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10ms。

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℃。

2.4.2 鑄鐵缸套嵌入

在缸套嵌壓前，缸套需要預熱至90℃，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，見圖7。

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1.0-1.5MPa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。

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。

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

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。

采用Loctite 3475A(Hurter)及3475B（Harz）混合后，對確定標準范圍內的氣孔、縮孔進行填充修補，返修工藝：填充修補→12h固化→打磨→清洗。

通過壓鑄工藝的優化和返修工藝的應用，廢品率降低到２％左右，主要缺陷仍以油道及水套泄漏值超出可浸滲上限為主。

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50ｍｍ，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6ｍｍ×15ｍｍ、3.5ｍｍ×15ｍｍ。 

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。

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。