浅析汽车铝合金铸造的工艺性能

林润琛

广东肇庆动力金属股份有限公司

浅析汽车铝合金铸造的工艺性能

林润琛

广东肇庆动力金属股份有限公司

随着轻量化发展的要求，汽车工业广泛采用铝合金代替钢铁部件以减轻整车重量，从而降低排放，节约材料。铝合金铸造工艺性能，通常理解为在充满铸型、结晶和冷却过程中表现最为突出的那些性能的综合。铝合金材料可以用来减轻汽车重量，实现汽车轻量化。汽车发动机的缸体缸盖是汽车所有零件中最重的，而且最重要，结构也很复杂。基于此，文章就汽车铝合金铸造的工艺性能进行简要的分析。

汽车；铝合金铸造；工艺性能

1.汽车铝合金铸造的工艺性能

1.1 铝合金铸造工艺的流动性

流动性是指合金液体充填铸型的能力。流动性的大小决定合金能否铸造复杂的铸件。在铝合金中共晶合金的流动性最好。常见铝合金铸造时流动性的影响有：充型能力首先取决于金属液体本身的流动能力(即流动性)，同时又受铸造工艺隐身(如：铸型性质、浇筑条件及铸件结构等)的影响。影响流动性的因素很多，主要是成分、温度以及合金液体中存在金属氧化物、金属化合物及其他污染物的固相颗粒，但外在的根本因素为浇注温度及浇注压力(俗称浇注压头)的高低。

1.2 铝合金铸造工艺的收缩性

收缩性是铸造铝合金的主要特征之一。一般讲，合金从液体浇注到凝固，直至冷到室温，共分为三个阶段，分别为液态收缩、凝固收缩和固态收缩。合金的收缩性对铸件质量有决定性的影响，它影响着铸件的缩孔大小、应力的产生、裂纹的形成及尺寸的变化。通常铸件收缩又分为体收缩和线收缩，在实际生产中一般应用线收缩来衡量合金的收缩性。铝合金收缩大小，通常以百分数来表示，称为收缩率。

1.3 铝合金铸造工艺的热裂性

铝铸件热裂纹的产生，主要是由于铸件收缩应力超过了金属晶粒间的结合力，大多沿晶界产生从裂纹断口观察可见裂纹处金属往往被氧化，失去金属光泽。裂纹沿晶界延伸，形状呈锯齿形，表面较宽，内部较窄，有的则穿透整个铸件的端面。

1.4 铝合金铸造工艺的气密性

铸铝合金气密性是指腔体型铝铸件在高压气体或液体的作用下不渗漏程度，气密性实际上表征了铸件内部组织致密与纯净的程度。不同铸铝合金气密性不同，它与合金的性质有关，合金凝固范围越小，产生疏松倾向也越小，同时产生析出性气孔也少，则合金的气密性也越高。

1.5 铝合金铸造工艺的铸造应力

铸造应力一般包括：铸造热应力、相变应力和收缩应力三种。各种应力产生的原因不尽相同。它们在铝铸件中的残余应力降低了合金的力学性能，严重影响了铸件的加工精度。当然铝铸件中的残余应力也可以通过退火处理预以消除。一Si合金因导热性好，冷却过程中无相变，只要铸件结构设计合理，铝铸件中的残余应力就较少。

2.以汽车铝合金缸体缸盖铸造工艺为例分析

研究发动机的缸体缸盖材质和铸造工艺，一方面可实现汽车轻量化，另一方面还涉及到发动机内部复杂的结构和工艺。

2.1 主要的铸造工艺分析

2.1.1 金属型铸造工艺。在汽车发动机缸体缸盖主要铸造方法中，有比较先进的方法，也有传统的方法，比如金属型铸造工艺就是一种典型的传统铸造方法。其优点在于铸造时间快，铸造零件组织紧密，性能良好。但是缺点也很明显，其所生产的铸件内部有空气，有开裂的纹路等。由于对于发动机缸体缸盖质量要求很高，因此单一的金属型铸造工艺所生产的零部件不一定符合发动机要求。金属型铸造工艺的成本高，周期长，不适合小批量生产，关于缸体缸盖的制造方面，可针对外形采取该工艺，内腔采用砂芯，二者结合就会起到事半功倍的效果。

2.2.2 中压铸造工艺。中压铸造工艺具有高压铸造不能替代的优势，比如可以使用砂芯。其主要是经由高压铸造改造的。改造后的重压铸造工艺可以进一步满足要求越来越高的发动机功率和日益复杂的缸体结构，而且，可以使用砂芯是中压铸造工艺的突破点。其主要原理就是通过比高压要低的压力进行铸造，同时可以使用砂芯，适用于复杂内腔结构的缸体。

2.2.3 低压铸造工艺。低压铸造工艺结合了上述铸造工艺的优势，使用的压力更低，可以充分利用铸造材料，铸造出更加牢固、密闭的缸体。其利用了较低的压力，使铝合金液体由下而上的对型腔进行填充。低压铸造工艺的有点是显而易见的，比如金属液体充型的速度可以方便调节，铸件质量更高。其不仅可以使用砂芯，适合更加复杂的结构，还能够以较低的压力实现铸造。缺点是铸造时间长，效率低，成品率低。

2.2 铸件低压铸造工艺设计

2.2.1 加工余量与收缩率。铸造工艺设计中，在满足产品要求基础上，采用增大起模斜度、调整机械加工量及增加工艺余量等措施，与铸造工艺条件相满足。缸体铸件机械加工余量：小平面为(1.5±0.5)mm，大平面为(2.5±0.5)mm，根据7级精度对铸件尺寸差进行控制。在汽车发动机缸体低压铸造过程中，依照产品结构特征与铸件材料AC4B，设置模具收缩率为0.7%。

2.2.2 模具中铸件位置。低压铸造模具中，对铸件位置予以确定时，禁止违背顺序凝固原则，应对汽车发动机缸体结构特性进行分析的基础上，对低压铸造过程中液体金属补缩铸件所需的条件予以充分利用，创建一个由底壳结合面至发动机缸体结合面，以安装在缸体的螺栓孔处为实际浇注位置。

2.2.3 模具结构形式设计。为达到顺利开模的目的，应采用多分型面的方式从6大方向对模具进行开模，具体为：顶模、底模、左模、前模、右模、后模。

2.2.4 模具冷却系统设计。工艺过程中热量向模具传入与从模具中传出应该保持平衡，所以要在模具中对水冷系统进行设置，以保证及时传出模具中的热量。设计中通过调整通入模具冷却水流量与时间，对模具温度进行控制，实际生产中，铸件与浇道相远离的水泵孔凸台厚大部位，容易出现铸造缺陷，所以应注意通过局部水冷对模具温度进行控制，先凝固厚大部位，保证该部位组织细密。

综上，铝是绿色环保材料，易回收，可循环回收。采用铝所节省的能量是生产该零件所用原铝耗能的6～12倍。我国车用铝合金市场的发展前景非常广阔。在汽车中扩大铝合金的应用将会产生巨大的经济效益和社会效益。

[1]李晓强.铝合金轮毂，汽车轮胎材料建设的新方向——针对汽车铝合金轮毂的铸造工艺研究[J].黑龙江科技信息，2016，27：124.