原標題：壓鑄工藝對AlSi9Cu3鑄件力學性能的影響

摘要：某款汽車發動機在耐寒實驗時出現冷機啟動異響故障，分析其原因，是由于氣缸體力學性能不足以及氣缸體漏氣量超標所導致。通過在軸承孔處增加局部擠壓技術，并選擇合適的擠壓工藝；采用優化壓鑄工藝參數，改進模具澆注系統，調整噴涂位置等方案，使鑄件力學性能達標，機油標識孔漏氣率由32%降低到0.4%，使發動機漏氣量低于限定值，有效地解決了發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，已經取代鑄鐵成為生產汽車發動機氣缸體的首選材料。其中，壓力鑄造因生產效率高，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，導致鑄件氣孔、薄壁鑄件在熔液凝固時易形成熱節導致裂紋、厚壁鑄件易出現縮孔、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，影響鑄件的力學性能，為了消除縮孔、縮松缺陷，在實際生產中廣泛采用局部加壓工藝。對于裂紋缺陷，一般采用優化模具冷卻系統、調整留模時間和把控熔煉過程等方式予以改善或消除。某款汽車發動機在進行極寒3萬公里實驗后，出現冷機啟動噪聲大問題，調查發現發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，故判定為發動機氣缸體力學性能不足導致漏氣量超標，從而引起發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動機缸體，毛坯質量為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，需要較高的結構強度（要求：抗拉強度≥200 MPa、屈服強度≥140 MPa），而常規的壓鑄工藝保證鑄件具有如此高的強度具有一定難度。由于軸承孔是發動機的主要受力點，附近分布有諸多鑄造孔，結構復雜，且壁厚較大，因此氣缸體軸承孔區域選取力學實驗用拉桿，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，結果見表2，氣缸體鑄件的力學性能不足。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，與鑄件力學性能不足結果相符。

表1 YZAlSi9Cu3鋁合金化學成分 WB/%

圖1 實驗用拉桿選取位置

表2 鑄件力學性能要求

通過水壓實驗發現，氣缸體機油標識孔壓檢漏氣。切剖漏氣位置發現機油標識孔（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，周邊金屬液已經完全凝固，厚壁中心形成孤立液相區，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性能不穩定的主要原因。針對鑄件力學性能不穩定問題展開調查，主要有四個方面的原因：第一，壓鑄工藝設計不合理，特別是主控參數有高速速度、高速起點、增壓壓力及留模時間等設計不合適；第二，模具澆注系統設計不合理，模具冷卻系統異常，離型劑噴涂不當等；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；第四，氣缸體鑄件壁厚較大，壓鑄過程容易出現縮孔、縮松缺陷。

圖2 鑄件水壓實驗漏氣位置

2、局部加壓技術的分析與應用

2.1 局部擠壓技術的機構及原理

局部擠壓機構如圖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，擠壓機構一般根據實際情況設計在模具的模框或模芯上。傳統的局部擠壓技術，由于擠壓速度不可調，導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加壓，更不能調整加壓時間段，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，鋁液已經凝固，擠壓銷受阻力太大，容易折斷。因此，傳統的擠壓技術對于消除或減輕鑄件縮孔的效果甚微。

圖3 擠壓銷結構示意圖

目前，大多數企業采用新的擠壓技術，它是在壓鑄模具上增設內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置擠壓時刻，擠壓延時、保壓壓力和保壓時間等參數，可以調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，增強鑄件力學性能。

2.2 局部擠壓技術的應用及效果

結合以往鑄造發動機氣缸體經驗和對標EA211氣缸體數據，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，力學性能顯著提升。由于該款發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，加上每個軸承孔設計有潤滑油孔，也有漏氣、漏油風險，因此在每個軸承孔上都采用局部加壓技術，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至關重要，為了快速獲得最優的擠壓工藝，采用了正交試驗，選取擠壓工藝三個關鍵參數：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。試驗設計如表3所示，試驗目標函數為抗拉強度、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個切片構成，取每組試驗的平均值作為該組的試驗結果。其中，縮孔良品率考慮了X光探傷數據。

圖4 采用局部擠壓技術的鑄件毛坯

表3 正交試驗方案表

表3是正交試驗的結果，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對試驗結果影響最大，是引起力學性能不穩定的主要因素；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）。為了獲取最優的擠壓工藝方案，需要進一步根據目標函數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，發現鑄件的機油標識孔附近的縮孔問題明顯改善。由表3試驗數據及工程經驗表明，通過改善壓鑄機周邊設備及調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性能。但是，實際生產中應考慮擠壓銷安裝位置、擠壓壓力過大導致鑄件變形或裂紋、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，導致鋁液由表及里、從高模溫到低模溫順序凝固，最后凝固區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：鑄件結構、澆注系統、排氣系統、冷卻系統和工藝參數等。結合實際工程經驗，主要采用了3種方案來進一步改善鑄件的縮孔問題，即調整壓鑄工藝、優化模具澆注系統和調整噴涂工藝。

調整工藝參數。鋁液從料筒進入型腔一般要經過慢速、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，理論上高速切換點應位于鋁液到達內澆道附近，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。通過試驗發現，將低速設定為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，同時將增壓壓力轉換調節由速度轉換改為壓力轉換，鑄件品質更好。優化澆注系統。鋁液補縮不足除了與模溫分布有關之外，還與鋁液充填方向及流量有關。調查發現，之前為了改善軸承孔位置度公差，取消了軸承孔的支澆道，這有可能是導致鑄件縮孔的部分原因，因此恢復該軸承孔的內澆道。同時，將內澆道厚度減小至5.5 mm，使內澆道總面積大約為1 800 mm 2 ，采用Φ150 mm壓射活塞，活塞與內澆道面積之比約為9.81（之前為6.9，即使高速達到壓鑄機極限速度7.2 m/s，內澆道速度也只有49 m/s），設定速度6 m/s，內澆道速度可達到60 m/s，增加了鋁液的高速充填能力。通過凝固模擬分析發現，機油標注孔附近的厚壁區域由于增加了支澆道和提高了內澆道速度而得到了很好地補縮，縮孔問題基本消除。

調整噴涂工藝。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。

3、壓鑄工藝參數優化

采用局部擠壓工藝后，鑄件的力學性能顯著提升，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、調整壓鑄工藝參數、優化模具澆注方案、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%，解決了發動機氣缸體因鑄件力學性能不穩定導致的漏氣及噪聲問題。

5、結論

（1）汽車發動機氣缸體鑄件壁厚較大，結構復雜，壓鑄過程中容易出現縮孔、縮松和裂紋等缺陷，影響產品的力學性能。采用局部加壓技術后，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，顯著提高鑄件力學性能。

（2）合理的壓鑄工藝和模具設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是一項復雜而耗時的工作，采用正交試驗可以綜合考慮各工藝參數的影響因素，縮短尋找最優工藝時間，是一種科學的最優工藝選擇法。

作者：

楊興國 王茂輝
重慶工商職業學院

楊興國 楊誠
重慶大學機械與運載學院

本文來自:《鑄造》雜志2022年第6期第71卷