摘要：社会的不断向前发展，让人们对于环境保护的意识也逐步增强。汽车作为便利的交通工具，在深受人们追捧的同时，也在逐步向节能减排的方向靠拢。如今，汽车轻量化概念的出现，在汽车制造业掀起浪潮，采用铝合金材料，不仅能够降低车身整体的重量，更能够提高使用性能，延长使用寿命，因此汽车内使用铝合金压铸的零件越来越多。汽车发动机缸体是动力系统的核心部件，采用压铸铝合金缸体具备轻重量、耐腐蚀等优点，国内外均开始大批量生产铝合金压铸缸体来为生产的汽车提供更为合适的动力核心件。
关键词：铝合金缸体；压铸工艺；品质改进
在全世界都倡导节能减排的大环境下，各个国家对于汽车的要求也越来越高。因为汽车行驶过程中需要消耗大量的石油类燃料，且会排放出一氧化碳、一氧化氮等有害气体，因此，改进汽车对于能源的消耗，是迎合节能减排的一大重点。要想降低汽车能耗，可以从两方面解决：一是改进汽车整体结构，二是减小汽车重量也就是所谓的“汽车轻量化”。前者已经对汽车做出了相应的改进，汽车轻量化成为了当前发展的目标。
铝合金具有可塑性强、防腐蚀性强、性能稳定、质量轻等优点，被广泛应用于汽车缸体、缸盖、覆盖件、轮毂等配件中。今天，笔者就来跟大家谈一谈铝合金缸体所涉及的压铸工艺及品质改进，希望能与更多专业人士进行沟通交流。
1.铝合金压铸缸体
图1 铝合金压铸缸体
如图1所示是Al-9Si-3Cu合金压铸缸体，缸体包括缸筒、水套、高压油道、曲轴箱、主轴承座等，笔者所示的缸体尺寸是351mm×334mm×269mm，壁厚是（4±0.4）mm，毛坯质量为18.9kg，硬度（HB）是90-110。
在缸体的生产领域中，经常采用的砂型铸铁缸体有工艺简单、耐热性强、刚性好、成本低等优点，但同时也会因重量过大而影响发挥效果。如果将上方的缸套和下方的曲轴分开，曲轴采用铝合金，缸套采用铸铁，可以既能保持缸体的性能，还能降低缸体的重量。
我们所说的“下缸体”，便是缸套和曲轴分开，发动机下部的曲轴部件。与缸套相比，下缸体由于壁厚，压铸成型的难度要大一些，我们借鉴国外相关的经验，对1.5T发动机设计了一套下缸体压铸技术，试验的成功直接证明了压铸技术的可行性。
2.铝合金熔化设备及工艺
铝合金的熔化设备还是比较多的，像LPG燃气炉和STM-500燃气熔铝炉都是常见的用来熔化铝合金的设备，精炼时候采取的介质都是氮气，温度范围在700-720℃。图1中展示的Al-9Si-3Cu压铸合金缸体，在铝合金熔化时采用的便是LPG燃气炉，这种设备具有上料、熔化和保温的功能，保温容量是10t，熔化率是3.5t/h。多采用直送工艺，将熔好的铝合金液直接从供应商的厂内传送到压铸车间的保温炉，在这里要强调一下，保温炉的温度要在720℃左右，目的是为了保证铝合金的液体状态。随后在炉内进行除渣工作，将精炼出的铝合金液转运浇包内，在转运浇包内再次对铝合金液进行除气和除渣处理，这个时候便采用上述提到的氮气，通过除气装置来对铝合金液进行净化处理。
3.压铸模及浇注系统
压铸铝合金所用的模具是六面抽芯的结构，它主要分为定模、动模、成形、浇注、抽芯、顶出、排气、保温和定位导向等系统部分，抽芯棒一般采用的都是钛合金或者能够承受高温的合金，因为铝合金液的温度很高，为了避免在压铸过程中损坏到模具或者因抽芯棒的熔点太低而导致合金液中掺入了杂质，会大大降低铝合金的质量。
在缸体压铸件的浇注系统中，主要有两种浇注形式：一种是单侧浇注，这种系统多用于小型的缸体；另一种是双侧浇注，这种系统通常用于大型的浇注缸体。随后利用充填和凝固模拟的模流分析软件，让浇注工作得以优化。（如图2，左侧为单侧浇注系统，右侧为双侧浇注系统）
图2 浇注系统的两种形式
4.压铸机和压铸工艺
在压铸铝合金缸体中，要想获得高品质的压铸件，需要在压铸过程中掌握好温度、速度、压力以及时间等关键性的因素，只有各种因素都符合条件，才能避免压铸过程中出现误差。
4.1对温度的掌控
①在浇注过程中，温度要控制在640-680℃，浇注的温度过低，容易产生冷隔、表面花纹和浇不足等缺陷，而温度过高，则会导致浇铸件出现裂缝、粘模、晶粒粗大等状况。此外，还需要注意在浇注过程中，铝合金液表面很容易与氧气接触形成氧化层，要及时将氧化层进行清理，否则氧化层参与浇注工作，很容易让浇铸件出现质量缺陷。
②在压铸模工作前，要将其进行预热。随后在连续生产工作中，压铸模会出现温度升高的现象，这个时候要注意，压铸模温度一旦过高，会导致铝合金液在压铸后出现粘模的情况，且压铸模温度升高也会导致压铸件冷却速度缓慢，极易产生晶粒粗大、顶出变形等现象。
一般需要至少6台模温加热器来对缸体模具进行加热，采用冷却水对型芯、镶块等进行冷却工作，将模具温度控制在180-200℃，方便压铸模正常工作。
4.2对速度和压力的控制
因为缸体的尺寸大，结构复杂且壁厚的差异比较大，所以缸体压铸件的工作十分复杂，其品质很容易受到参数变化的影响。在压铸过程中，速度过快，容易让气体混入造成压铸件的气体增加，速度过慢又容易造成充填不良。
压射的压力过低，会增加铸件中气孔、缩孔等缺陷，压力过高又会增加飞边和毛刺，且容易损坏模具。
因此，在压铸缸体过程中，要采取合适的速度和压力，找准转换位置，在铝合金液凝固之前进行快速增压处理。图3是位移、速度和压力的时间曲线。
图3 位移、压力、速度的时间关系曲线
4.3对时间的掌控
充填时间的长短与压铸缸体的体积和复杂程度有关，铝合金液充填完毕后将进入凝固成形的阶段，这个时候要进行增压处理，让铝合金液逐步凝固结晶。持压的时间长短要取决于压铸件的壁厚，时间过短会产生气孔和缩松等情况，过长又会压铸件收缩大，出模困难，甚至会引发开裂的情况。
5.铝合金缸体压铸的品质改进
在生产的众多铝合金压铸缸体中，极易产生泄露现象，因此浸渗后的缸体都会再次进行试漏工作，这样一来直接降低了生产的效率。随后经过统计调查，发现泄露的部分多集中在主轴承座的螺栓孔、机油泵安装的螺栓孔。
在螺栓孔附近，因为处于厚壁部位，极易在压铸过程中产生缩松的现象。因此要注意螺栓孔附近的冷却收缩情况，在主轴承座和机油泵安装的螺栓孔处增加预铸孔，可以大大改善缩松的情况，提高试漏的合格率。
结语：
在汽车发动机铝合金缸体压铸工作中，涉及到的工艺都十分复杂，尤其是下缸体的压铸技术和品质控制，需要对铝合金液进行恰当处理，影响压铸件的因素多而复杂，我们只有秉承着严谨的工作心态，不断去完善工艺，才能让铝合金更好地应用在缸体铸造上，进而达到汽车轻量化的效果。
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论文作者:季晓菊
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第36期
论文发表时间:2018/6/11
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