原標題：壓鑄工藝對AlSi9Cu3鑄件力學(xué)性能的影響

摘要：某款汽車發(fā)動機在耐寒實驗時出現(xiàn)冷機啟動異響故障，分析其原因，是由于氣缸體力學(xué)性能不足以及氣缸體漏氣量超標所導(dǎo)致。通過在軸承孔處增加局部擠壓技術(shù)，并選擇合適的擠壓工藝；采用優(yōu)化壓鑄工藝參數(shù)，改進模具澆注系統(tǒng)，調(diào)整噴涂位置等方案，使鑄件力學(xué)性能達標，機油標識孔漏氣率由32%降低到0.4%，使發(fā)動機漏氣量低于限定值，有效地解決了發(fā)動機冷機啟動異響故障。

近年來，隨著汽車輕量化進程加快，鋁合金由于密度小、強度高、塑性好，已經(jīng)取代鑄鐵成為生產(chǎn)汽車發(fā)動機氣缸體的首選材料。其中，壓力鑄造因生產(chǎn)效率高，鑄件尺寸精度高，表面粗糙度值低，是最常見的一種鋁合金鑄造工藝。然而，壓力鑄造也存在著充填時間短，排氣不充分，導(dǎo)致鑄件氣孔、薄壁鑄件在熔液凝固時易形成熱節(jié)導(dǎo)致裂紋、厚壁鑄件易出現(xiàn)縮孔、縮松等問題。研究表明，壓鑄件縮孔、縮松、裂紋缺陷易引起鑄件漏氣，影響鑄件的力學(xué)性能，為了消除縮孔、縮松缺陷，在實際生產(chǎn)中廣泛采用局部加壓工藝。對于裂紋缺陷，一般采用優(yōu)化模具冷卻系統(tǒng)、調(diào)整留模時間和把控熔煉過程等方式予以改善或消除。某款汽車發(fā)動機在進行極寒3萬公里實驗后，出現(xiàn)冷機啟動噪聲大問題，調(diào)查發(fā)現(xiàn)發(fā)動機水壓實驗漏氣率為32%，漏氣量超過漏氣限制36.2%，通過在鑄件上取樣進行拉伸實驗測得鑄件抗拉強度為152.8 MPa、屈服強度為104 MPa，均遠低于標準值：≥200 MPa和≥140 MPa，故判定為發(fā)動機氣缸體力學(xué)性能不足導(dǎo)致漏氣量超標，從而引起發(fā)動機冷機啟動異響問題。

1、鑄件特點及缺陷分析

該鑄件為四缸汽車發(fā)動機缸體，毛坯質(zhì)量為9.7 kg，采用布勒2800T冷室壓鑄機壓鑄，鋁合金牌號為YZAlSi9Cu3，合金成分見表1。鑄件平均壁厚15 mm，最大壁厚50 mm，內(nèi)部具有較多潤滑油道、冷卻水道、機油標尺通道和安裝螺紋孔，銷子因冷卻困難而溫度較高，實際壓鑄過程中，鑄件厚壁處、細長銷子附近難以避免出現(xiàn)縮孔、縮松和裂紋等缺陷。另外，由于氣缸體軸承孔需要承受因活塞往復(fù)運動的慣性力和慣性力矩引起的沖擊振動，工作條件惡劣，需要較高的結(jié)構(gòu)強度（要求：抗拉強度≥200 MPa、屈服強度≥140 MPa），而常規(guī)的壓鑄工藝保證鑄件具有如此高的強度具有一定難度。由于軸承孔是發(fā)動機的主要受力點，附近分布有諸多鑄造孔，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且壁厚較大，因此氣缸體軸承孔區(qū)域選取力學(xué)實驗用拉桿，具體位置見圖1。通過對拉桿進行抗拉強度和屈服強度測試，結(jié)果見表2，氣缸體鑄件的力學(xué)性能不足。觀察拉桿斷口截面，斷面含有夾渣，晶粒度為7.5級，斷面組織疏松，與鑄件力學(xué)性能不足結(jié)果相符。

表1 YZAlSi9Cu3鋁合金化學(xué)成分 WB/%

圖1 實驗用拉桿選取位置

表2 鑄件力學(xué)性能要求

通過水壓實驗發(fā)現(xiàn)，氣缸體機油標識孔壓檢漏氣。切剖漏氣位置發(fā)現(xiàn)機油標識孔（圖2）附近有不同程度縮孔、縮松。漏氣位置為鑄件的厚壁處，鋁液在凝固過程中，由于離模具型芯表面較遠，溫度較高，周邊金屬液已經(jīng)完全凝固，厚壁中心形成孤立液相區(qū)，不能在鑄造增壓階段進行補縮，從而形成鑄件縮孔，這是氣缸體漏氣和鑄件力學(xué)性能不穩(wěn)定的主要原因。針對鑄件力學(xué)性能不穩(wěn)定問題展開調(diào)查，主要有四個方面的原因：第一，壓鑄工藝設(shè)計不合理，特別是主控參數(shù)有高速速度、高速起點、增壓壓力及留模時間等設(shè)計不合適；第二，模具澆注系統(tǒng)設(shè)計不合理，模具冷卻系統(tǒng)異常，離型劑噴涂不當?shù)?；第三，YZAlSi9Cu3合金成分超差，鋁錠熔煉工藝異常，壓鑄過程中夾有氧化物及活塞潤滑油燃燒物等雜質(zhì)；第四，氣缸體鑄件壁厚較大，壓鑄過程容易出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。

圖2 鑄件水壓實驗漏氣位置

2、局部加壓技術(shù)的分析與應(yīng)用

2.1 局部擠壓技術(shù)的機構(gòu)及原理

局部擠壓機構(gòu)如圖3所示，它主要由工作油缸、擠壓銷、擠壓鑲套和其他附屬部件組成，擠壓機構(gòu)一般根據(jù)實際情況設(shè)計在模具的模框或模芯上。傳統(tǒng)的局部擠壓技術(shù)，由于擠壓速度不可調(diào)，導(dǎo)致擠壓動作只存在于某個瞬間，不能在整個鋁液凝固階段持續(xù)加壓，更不能調(diào)整加壓時間段，使得擠壓時機不合適，擠壓過早，擠壓銷變成了固定銷，不能起到補縮作用；擠壓過遲，鋁液已經(jīng)凝固，擠壓銷受阻力太大，容易折斷。因此，傳統(tǒng)的擠壓技術(shù)對于消除或減輕鑄件縮孔的效果甚微。

圖3 擠壓銷結(jié)構(gòu)示意圖

目前，大多數(shù)企業(yè)采用新的擠壓技術(shù)，它是在壓鑄模具上增設(shè)內(nèi)置油缸將工作油缸控制信號與壓鑄機壓射信號連鎖，在壓鑄機控制面板上設(shè)置擠壓時刻，擠壓延時、保壓壓力和保壓時間等參數(shù)，可以調(diào)整擠壓銷擠壓和抽拔動作，可以使擠壓時機更合適。在鑄件凝固過程中，通過擠壓銷對半凝固液相施加壓力，改變鋁液補縮順序，對鑄件壁厚方向的中心區(qū)域起到良好的補縮效果，可有效消除鑄件縮孔，提高鑄件組織致密性，增強鑄件力學(xué)性能。

2.2 局部擠壓技術(shù)的應(yīng)用及效果

結(jié)合以往鑄造發(fā)動機氣缸體經(jīng)驗和對標EA211氣缸體數(shù)據(jù)，在氣缸體軸承座附近采用擠壓銷方案時，鑄件組織更加致密，拉桿斷口沒有氣縮孔，力學(xué)性能顯著提升。由于該款發(fā)動機漏氣點位于機油標識孔附近，靠近第1缸、第2缸軸承孔，加上每個軸承孔設(shè)計有潤滑油孔，也有漏氣、漏油風(fēng)險，因此在每個軸承孔上都采用局部加壓技術(shù)，加壓后的鑄件毛坯如圖4所示。然而，選擇合適的擠壓工藝對鑄件品質(zhì)至關(guān)重要，為了快速獲得最優(yōu)的擠壓工藝，采用了正交試驗，選取擠壓工藝三個關(guān)鍵參數(shù)：擠壓壓力、擠壓延時和保壓時間作為試驗因素，每個因素分別選取三個水平，采用標準的正交試驗L9（3³）表。試驗設(shè)計如表3所示，試驗?zāi)繕撕瘮?shù)為抗拉強度、屈服強度和縮孔良品率。每組試驗壓鑄5件，在第1-3缸軸承孔處各取1個拉桿試樣，在第4-5缸軸承孔處各取1個切片，這樣每組實驗由15個實驗用拉桿和10個切片構(gòu)成，取每組試驗的平均值作為該組的試驗結(jié)果。其中，縮孔良品率考慮了X光探傷數(shù)據(jù)。

圖4 采用局部擠壓技術(shù)的鑄件毛坯

表3 正交試驗方案表

表3是正交試驗的結(jié)果，因素A（擠壓壓力）、因素B（擠壓延時）和因素C（保壓時間）的極差分別為8.7/9.0、11.0/12.0和17/15，因素C對試驗結(jié)果影響最大，是引起力學(xué)性能不穩(wěn)定的主要因素；因素A的極差為8.7/9.0排第二，是第二主要因素；因素B的極差最小，是次要因素。按照極差分析方法確定出影響鑄件合格率的因素主次順序為C（保壓時間）、A（擠壓壓力）和B（擠壓延時）。為了獲取最優(yōu)的擠壓工藝方案，需要進一步根據(jù)目標函數(shù)值確定各因素的水平。從表3中的K值可以看出，抗拉強度與屈服強度呈相似的變化規(guī)律，因此這里僅考慮抗拉強度，因素A（擠壓壓力）的水平1最大為227，其次為水平2，水平3最差；因素B（擠壓延時）的水平由高到低依次為123，因素C（保壓時間）的水平也為123。因此，可以初步確定最佳工藝參數(shù)組合為A1B1C1，即擠壓壓力為140 bar、擠壓延時為3 s和保壓時間為10 s。除此之外，這組擠壓工藝鑄件縮孔良品率也很高。

圖5是采用局部擠壓工藝的鑄件切片，對比圖2，發(fā)現(xiàn)鑄件的機油標識孔附近的縮孔問題明顯改善。由表3試驗數(shù)據(jù)及工程經(jīng)驗表明，通過改善壓鑄機周邊設(shè)備及調(diào)整擠壓工藝不僅可以有效消除鑄件縮孔、縮松問題，還可以提高鑄件的力學(xué)性能。但是，實際生產(chǎn)中應(yīng)考慮擠壓銷安裝位置、擠壓壓力過大導(dǎo)致鑄件變形或裂紋、液壓力太大使油管或接頭漏油等問題。

圖5 采用局部擠壓工藝的鑄件切片

理論研究表明，受鋁液充填順序的影響，模具溫度呈上低下高的梯度分布，導(dǎo)致鋁液由表及里、從高模溫到低模溫順序凝固，最后凝固區(qū)域如果得不到鋁液補縮，就會因補縮不足而形成縮孔。因此，排除異常因素，鋁合金壓鑄件縮孔的主要原因為鋁液補縮不足。然而鋁液的凝固順序受諸多因素影響，例如：鑄件結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和工藝參數(shù)等。結(jié)合實際工程經(jīng)驗，主要采用了3種方案來進一步改善鑄件的縮孔問題，即調(diào)整壓鑄工藝、優(yōu)化模具澆注系統(tǒng)和調(diào)整噴涂工藝。

調(diào)整工藝參數(shù)。鋁液從料筒進入型腔一般要經(jīng)過慢速、高速和增壓三個階段，除此之外，高速起點也是一個重要參數(shù)，理論上高速切換點應(yīng)位于鋁液到達內(nèi)澆道附近，這樣可以保證鋁液更好地充填型腔。

研究表明，低速過高會導(dǎo)致加速時鋁液震蕩，形成卷氣，鑄件容易形成氣縮孔；低速太低，鋁液溫度在充填之前下降較快，鑄件易形成冷硬層。通過試驗發(fā)現(xiàn)，將低速設(shè)定為0.28 m/s，高速起點為710 mm，高速為6.2 m/s，增壓壓力為1 050 bar，同時將增壓壓力轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)由速度轉(zhuǎn)換改為壓力轉(zhuǎn)換，鑄件品質(zhì)更好。優(yōu)化澆注系統(tǒng)。鋁液補縮不足除了與模溫分布有關(guān)之外，還與鋁液充填方向及流量有關(guān)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，之前為了改善軸承孔位置度公差，取消了軸承孔的支澆道，這有可能是導(dǎo)致鑄件縮孔的部分原因，因此恢復(fù)該軸承孔的內(nèi)澆道。同時，將內(nèi)澆道厚度減小至5.5 mm，使內(nèi)澆道總面積大約為1 800 mm 2 ，采用Φ150 mm壓射活塞，活塞與內(nèi)澆道面積之比約為9.81（之前為6.9，即使高速達到壓鑄機極限速度7.2 m/s，內(nèi)澆道速度也只有49 m/s），設(shè)定速度6 m/s，內(nèi)澆道速度可達到60 m/s，增加了鋁液的高速充填能力。通過凝固模擬分析發(fā)現(xiàn)，機油標注孔附近的厚壁區(qū)域由于增加了支澆道和提高了內(nèi)澆道速度而得到了很好地補縮，縮孔問題基本消除。

調(diào)整噴涂工藝。合理的噴涂時間和噴涂位置可以有效保持模溫，防止鑄件冷隔、縮孔或裂紋缺陷。該鑄件漏氣位置靠近機油標識孔，銷子細長，溫度較高，增加了外置水冷裝置，利用熱成像儀測得噴涂后模溫為209 ℃，屬于正常狀態(tài)。

3、壓鑄工藝參數(shù)優(yōu)化

采用局部擠壓工藝后，鑄件的力學(xué)性能顯著提升，抗拉強度和屈服強度均達標，組織更加致密，縮孔、縮松缺陷明顯減少。然而，如圖5所示，鑄件厚壁處仍然存在縮孔、縮松缺陷。為了徹底消除氣缸體漏氣隱患，需要進一步改進壓鑄工藝。

4、工藝驗證

通過增加軸承座局部擠壓技術(shù)、調(diào)整壓鑄工藝參數(shù)、優(yōu)化模具澆注方案、改善噴涂工藝，壓鑄驗證500件，全部進行氣密性檢查，結(jié)果有2件漏氣超標，漏氣率為0.4%；抽樣100件進行拉伸實驗檢測，平均抗拉強度為248.68 MPa，平均屈服強度為182.83 MPa，合格率為100%，解決了發(fā)動機氣缸體因鑄件力學(xué)性能不穩(wěn)定導(dǎo)致的漏氣及噪聲問題。

5、結(jié)論

（1）汽車發(fā)動機氣缸體鑄件壁厚較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓鑄過程中容易出現(xiàn)縮孔、縮松和裂紋等缺陷，影響產(chǎn)品的力學(xué)性能。采用局部加壓技術(shù)后，鑄件的抗拉強度和屈服強度分別提升了62.7%和75.4%，因此采用局部加壓技術(shù)可以有效改善或消除鑄件縮孔、縮松缺陷，顯著提高鑄件力學(xué)性能。

（2）合理的壓鑄工藝和模具設(shè)計方案對鑄件綜合性能影響較大，但在實際的壓鑄過程中，選擇合適的工藝參數(shù)是一項復(fù)雜而耗時的工作，采用正交試驗可以綜合考慮各工藝參數(shù)的影響因素，縮短尋找最優(yōu)工藝時間，是一種科學(xué)的最優(yōu)工藝選擇法。

作者：

楊興國 王茂輝
重慶工商職業(yè)學(xué)院

楊興國 楊誠
重慶大學(xué)機械與運載學(xué)院

本文來自:《鑄造》雜志2022年第6期第71卷