中国三江航天集团红阳机械厂/王华侨、耿巍磷、王建国

摘要：针对某铝合金高速发动机缸体压铸造模具设计、压铸成型工艺及压铸所出现的质量问题处理等进行了简要介绍。该发动机的缸体的成功压铸成型从很大程度上促进了国产发动机缸体铸造技术的提升，希望对读者有所帮助。

关键词：铝合金；发动机缸体；压铸模具

1.引言

铝合金是汽车上应用最多和最广的轻金属，因为铝合金本身的性能已经达到质量轻、强度高、耐腐蚀的要求。铝合金通过强化合金元素，其强度大大提高，由于质轻、散热性好等特性，完全满足了发动机活塞、气缸体、气缸盖在恶劣环境下工作的要求。铝合金气缸体、气缸盖压铸成型技术可以提高净化、精炼、细化、变质等材质质量控制，使得铝铸件质量达到一致性和稳定性。由于铝合金密度低，强度性能与灰铸铁相近，韧性却高于灰铸铁，且有良好的铸造性能。因此，扩大铝合金应用可以明显地减轻汽车自重，这是汽车行业激烈竞争所迫切需要的措施。

发动机的制造在我国制造业中是难度较高的制造技术。发动机缸体缸盖铸造成功率低，设计和机械加工难度大。本文所介绍的摩托艇铝合金发动机是在特殊环境下工作的，因此其材料需要具有耐磨、抗热、抗变形等特点，所以设计选材具有一定的难度。铝合金发动机缸体结构尺寸小、内外部型腔结构复杂，尺寸精度高；同时其使用转速高（10000转/min）、功率大等特点对发动机缸体的铸造提出了更高的要求。该发动机缸体采用的为高磷铸铁镶缸套，在压铸时嵌入到缸体一次成型后进行精密机械加工。缸套的厚度为2mm，机械加工后保证最小壁厚不小于1.5mm。上下缸体均为压铸铝合金ADC12(LY12)，热处理时效为170℃、保温16h；机械性能要求抗拉强度大于280MPa，延伸率不小于2%，弹性模量大于65GPa。

压铸是最先进的金属成型方法之一，是实现少切屑，无节屑的有效途径，应用很广，发展很快。目前压铸合金不再局限于有色金属的锌、铝、镁和铜，而且也逐渐扩大用来压铸铸铁和铸钢件。压铸件的尺寸和重量，取决于压铸机的功率。由于压铸机的功率不断增大，铸件尺寸可以从几毫米到1-2m；重量可以从几克到数十公斤。国外可压铸直径为2m，重量为50kg的铝铸件。随着铸造的精密性、质量与可靠性、经济、环保等要求越来越高，压力铸造已从单一的加工工艺发展成为新兴的综合性的先进工艺技术。本文对铝合金高速发动机缸体压力铸造成型过程中关键技术简要介绍。如图1和图2所示为该高速发动机缸体及其压铸模具的结构设计示意图。

2.铝合金发动机缸体压力铸造工艺性

铝合金缸体压铸成型工艺性能是指铝合金溶液在充满铸型、结晶和冷却过程中表现最为突出的那些性能的综合。如流动性、收缩性、气密性、铸造应力、吸气性等。铝合金这些特性取决于合金的成分，但也与铸造因素、合金加热温度、铸型的复杂程度、浇冒口系统、浇口型状等有关。

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。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的高低。实际生产中，在合金已确定的情况下，除了强化熔炼工艺外，还必须改善金属型模具排气及温度，并在不影响铸件质量的前提下提高浇注温度，保证合金的流动性。

收缩性是铝合金缸体铸造的主要特征之一。一般讲，合金从液体浇注到凝固，直至冷却，共分为3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，铝铸件产生裂纹与应力的趋向也越大；冷却后铸件尺寸及形状变化也越大。

缩孔和疏松是缸体铸件的主要缺陷之一，产生的原因是液态收缩大于固态收缩。生产中发现，铸造铝合金凝固范围越小，越易形成集中缩孔，凝固范围越宽，越易形成分散性缩孔，因此，在设计中必须使铸造铝合金符合顺序凝固原则，即铸件在液态到凝固期间的体收缩应得到合金液的补充。对易产生分散疏松的铝合金铸件，冒口设置数量比集中缩孔要多，并在易产生疏松处设置冷铁，加大局部冷却速度，使其同时或快速凝固。

缸体铸件热裂纹的产生，主要是由于铸件收缩应力超过了金属晶粒问的结合力，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。不同铝合金铸件产生裂纹的倾向也不同，这是因为铸铝合金凝固过程中开始形成完整的结晶框架的温度与凝固温度之差越大，合金收缩率就越大，产生热裂纹倾向也越大，即使同一种合金也因铸型的阻力、铸件的结构、浇注工艺等因素产生热裂纹倾向也不同。生产中常采用退让性铸型，或改进铸铝合金的浇注系统等措施，使铝铸件避免产生裂纹。

铝合金缸体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。铸铝合金的气密性与合金的性质有关，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越小，则合金的气密性就越高。同一种铸铝合金的气密性好坏，还与铸造工艺有关，如降低铸铝合金浇注温度、加快冷却速度以及在压力下凝固结晶等，均可使铝铸件的气密性提高。缸体铸造应力包括热应力、相变应力及收缩应力3种。各种应力产生的原因不尽相同。热应力是由于铸件不同的几何形状相交处断面厚薄不均，冷却不一致引起的。在薄壁处形成压应力，导致在铸件中残留应力。相变应力主要是铝铸件壁厚不均，不同部位在不同时间内发生相变所致。收缩应力铝铸件收缩时受到铸型、型芯的阻碍而产生拉应力所致。这种应力是暂时的，铝铸件开模时会自动消失。但开模时间不好时，则常常会造成热裂纹，特别是金属型压铸的铝合金往往在这种应力作用下容易产生热裂纹。铸铝合金件中的残留应力降低了合金的力学性能，影响铸件的加工精度。铝铸件中的残留应力可通过自然时效处理消除。

压铸铝合金缸体易吸收气体，是铸造铝合金的主要特性。液态铝及铝合金的组分与炉料、有机物燃烧产物及铸型等所含水分发生反应而产生的氢气被铝液体吸收所致。铝合金熔液温度越高，吸收的氢也越多：在700℃时，每100g铝中氢的溶解度为0.5-0.9，温度升高到850℃时，氢的溶解度增加2-3倍。当含碱金属杂质时，氢在铝液中的溶解度显著增加。铸铝合金除熔炼时吸气外，在浇人铸型时也会产生吸气，进入铸型内的液态金属随温度下降，气体的溶解度下降，析出多余的气体，有一部分逸不出的气体留在铸件内形成气孔，这就是通常称的“针孔”。气体有时会与缩孔结合在一起，铝液中析出的气体留在缩孔内。若气泡受热产生的压力很大，则气孔表面光滑，孔的周围有一圈光亮层；若气泡产生的压力小，则孔内表面多皱纹具有缩孔的特征。铸铝合金液中含氢量越高，铸件中产生的针孔也越多。铝铸件中针孔不仅降低了铸件的气密性、耐蚀性，还降低了合金的力学性能。要获得无气孔或少气孔的铝铸件，关键在于熔炼条件。若熔炼时添加覆盖剂保护，合金的吸气量大为减少。对铝熔液作精炼处理，可有效控制铝液中的含氢量。缸体采用真空压铸后可以进行热处理，而高压压铸的铸件一但热处理就会鼓包。一般高压压力铸造的铝合金件不能进行T6处理，但低压铸造产品是可以T6处理的。挤压或液态冲压的铝合金件可以进行T6处理；少数半固态压铸的铝合金件也可以进行T6处理(固溶处理+完全人工时效)。固溶处理就是淬火，具体是铝合金中合金元素都能溶于铝，形成以铝为基的固溶体，它们的溶解度都随温度下降而降低。将铝合金加热至较高温度，保温后急速冷却，可获得过饱和固溶体，这就是铝合金固溶处理。过饱和固溶体在常温下放置或在高于常温下保温，将发生脱溶沉淀过程，形成强化相，大幅度提高合金强度。ADCI2或A380高压铸造的铝合金产品，一般不能进行T6处理。表1所示为常用压铸铝合金的力学性能。

3.铝合金发动机缸体模具压铸成型

缸体压力铸造的实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸模具型腔，并在压力下快速成型凝固，以获得优质铸件的高效率铸造方法。它的基本特点是高压(5～150MPa)和高速(5-100m/s)。充填时间很短，一般在0.01-0.2s范围内。压铸的主要特点是生产率高，平均每小时可压铸50-500次，可进行半自动化或自动化的连续生产。产品质量好，尺寸精度高，强度比砂型铸造高20％-40％。但压铸设备投资大，制造压铸模费用高、周期长，只宜于大批量生产。生产中多用于压铸铝、镁及锌合金。与其它缸体铸造方法相比，缸体压铸有以下三方面优点：首先是产品质量好。缸体铸件尺寸精度高，一般相当于6-7级，甚至可达4级；表面光洁度好，一般相当于5～8级；强度和硬度较高，强度一般比砂型铸造提高25％～30％，但延伸率降低约70％；尺寸稳定，互换性好；可压铸薄壁复杂的铸件。例如，当前锌合金压铸件最小壁厚可达0.3mm；铝合金铸件可达0.5mm；最小铸出孔径为0.7mm；最小螺距为0.75mm。其次是生产效率高。例如国产卧式冷空压铸机平均8h可压铸600-700次，小型热室压铸机平均每八小时可压铸3000-7000次。压铸模具寿命长，一套压铸模压铸铝合金，寿命可达几十万次，甚至上百万次。第三，经济效果优良。由于缸体压铸件尺寸精确，表面光洁等优点。一般不再进行机械加工而直接使用。所以既提高了金属利用率，又减少了大量的加工设备和工时。既节省装配工时又节省金属。缸体压力铸造采用的设备是冷室压铸机。压铸机可分为热室压铸机和冷室压铸机两大类，冷室压铸机又可分为立式和卧式等类型，但它们的工作原理基本相似。卧式冷室压铸机，用高压油驱动，合型力大，充型速度快，生产率高，应用广泛。在缸体压铸生产中，压铸机、压铸合金和压铸模具是三大要素。压铸成型过程中，其填充压力和填充速度、浇注温度、填充时间、开模时间对压铸件的质量是最为关键的部分，生产过程中要使各种工艺参数满足压铸生产的需要。压力和速度的选择在压射比压的选择上，应根据不同合金和铸件结构特性确定，表1是经验数据。对充填速度的选择，一般对于厚壁或内部质量要求较高的铸件，应选择较低的充填速度和高的增压压力；对于薄壁或表面质量要求高的铸件以及复杂的铸件，应选择较高的比压和高的充填速度。如表2所示为常用压铸合金的压铸比压。

浇注温度是指从坯料进入型腔时液态金属的平均温度，由于对压室内的液态金属温度测量不方便，一般用保温炉内的温度表示。浇注温度过高，收缩大，使铸件容易产生裂纹、晶粒粗大、还能造成粘型。浇注温度过低，易产生冷隔、表面花纹和浇不足等缺陷。因此浇注温度应与压力、压铸模具温度及充填速度同时考虑。在连续生产中，压铸模具温度往往升高，尤其是压铸高熔点合金，升高很快。温度过高除使液态金属产生粘模外，铸件冷却缓慢，使晶粒粗大。因此在缸体压铸模具温度过高时，应采取冷却措施。通常用压缩空气、水或化学介质进行冷却。

充填时间和开模时间长短取决于铸件的体积大小和复杂程度。对大而简单的铸件，充填时间要相对长些，对复杂和薄壁铸件充填时间要短些。充填时间与内浇口的截面积大小或内浇口的宽度和厚度有密切关系，必须正确确定。从液态金属充填型腔到内浇口完全凝固时，继续在压射冲头作用下的持压时间的长短取决于铸件的材质和壁厚。从压射终了到持压后压铸打开的开型时间过短，由于合金强度尚低，可能在铸件顶出和自压铸模具落下时引起变形；但开型时间太长，则铸件温度过低，收缩大，对抽芯和顶出铸件的阻力亦大。一般开型时间按铸件壁厚lmm需3s计算，然后经试模调整。压铸过程中，为了避免缸体铸件与压铸模具焊合，减少铸件顶出的摩擦阻力和避免压铸模具过分受热而采用涂料。

另外缸体压铸过程中所使用的涂料要求在高温时，具有良好的润滑性；挥发点低，在100-150℃时，稀释剂能很快挥发；对压铸模具及压铸件没有腐蚀作用；性能稳定在空气中稀释剂不应挥发过快而变稠；在高温时不会析出有害气体；不会在压铸模具腔表面产生积垢。

4.铝合金发动机缸体压铸成型

缸体压铸模具主要由动模部分和定模部分两个大部分组成。定模固定在压铸机的定模座板上，由浇道将压铸机压室与型腔连通。动模随压铸机的动模座板移动，完成开合模动作。如图3所示为压铸该高速发动机缸体的模具及其在冷室压铸机上的安装实物图。该模具采用六面抽芯的结构，主要由定模部分、动模部分、成型部分、浇注系统、抽芯机构、顶出机构、排气系统、加热保温装置、定位导向系统等几部分组成。压铸模具材料选用3Cr2W8V和H13，抽芯棒可采用钛合金或高温合金，热处理后其硬度可以达到45HRC以上，表面通过氮化处理后，压铸模具的寿命可达到10万次以上。该高速发动机缸体压铸过程中暴露的质量问题和相对应的解决措施为：(1)缸体压铸模具拔模斜度设计不合理导致抽芯时，气道、油道等深孔发生脱模困难、孔口出现裂纹等现象；对部分深孔用的插销采用钛合金材料，同时加大拔模斜度有效解决了此类问题。(2)在缸套镶嵌压铸时，由于采用冷铁材料，压铸过程中出现冷作硬化等导致缸套开裂，另外由于芯模定位精度以及缸套制造精度的问题，开模时也导致部分缸套发生开裂现象。通过更换缸套材料以及提高缸套等制造精度与缸套芯轴定位精度有效解决了缸套的开裂问题。(3)缸体压铸时，ADCI2的原材料配比不合理，同时缸体薄壁与孔位工艺设计不合理，导致压铸过程中出现冷脆、缸壁出现裂纹等现象；另外由于压铸机的吨位以及铝合金熔炼时的工艺过程不合理，导致压铸后的缸体材料弹性模量偏低、延伸率不满足设计要求等，如弹性模量只有60GPa，抗拉强度只有240MPa，延伸率几乎为0。经过多次试验，对原材料的配比以及熔炼时的合理控制，有效解决了缸体压铸过程中等开裂与机械性能不合格要求，实现了抗拉强度大于280MPa，延伸率大于2％、弹性模量大于65GPa的要求。(4)缸体结构工艺设计时消除侧凹、深腔；壁厚应均匀一致性好，过薄容易发生填充不良，过厚容易产生气孔缩松；同时消除尖角。依据该发动机的铸件表面积，压铸的壁厚最小不能小于3mm。对于小于3mm的部分采用加大壁厚的策略，配合部分最终通过机械加工来完成。(5)该铝合金缸体依据其压铸厚度，其压射比压不得小于50MPa，其填充速度为25-30m/s。建压时间控制在30ms以内，如果时间过长，合金液无法在压力下凝固，易造成气孔缩松。持压时间按照每lmm壁厚需要3s时间计算，其持压时间应大于10s；持压时间过短容易产生气孔缩松，持压时间过长则铸件温度低，收缩大，抽芯和顶出铸件时的阻力大，不仅出模困难，同时容易引起铸件开裂。(6)对于压铸铝合金缸体来说，该铝合金压铸液的温度要控制在640℃-680℃之间是合理的，压铸模具的温度预热要控制在150℃-180℃之间，工作温度控制在180℃-200℃之间。合金液温度过高容易导致收缩大，产生裂纹，铸件晶粒粗大，造成粘模；温度过低容易产生冷隔、表面流纹和浇注不足等缺陷。模具预热一方面可以有效地保护冷模具受高温的热冲击作用，另一方面可以防止金属液的急剧冷却对铸件成型的不利，预热可以通过电加热、油加热或者火焰加热等方式来实现。工作时的温度可以通过工作的频次以及水、油空气等方式的冷却装置来实现。(7)模具开模时缸体铸件应留在动模内，便于取出缸体铸件；铸件的最大截面应放在分型面上；浇注系统和排气系统布置要合理。铝合金压铸件由于成型时，合金液填充的速度和压力非常高，型腔内的气体来不及排除而侵入铸件形成气孔，因此压铸件的气孔很难避免，因此压铸件一般不进行热处理，最多也是采用自然时效的方式，保持应力均匀。为进一步提高铸件的质量可以通过表面喷丸处理来实现。(8)缸体压铸件的质量控制主要是控制其气孔、缩孔、冷隔、裂纹、夹渣等缺陷。除严格控制合金液的质量，避免潮湿、带有油污的炉料外，合金液出炉时可采用氯气、氯化物或氩气进行喷射精炼剂等方法进行除气、除渣。在填充过程中要合理设计浇注、溢流、排气系统，同时优化工艺参数，选择适当的慢压射行程及快压射速度，合理控制温度、速度、压力、时间等多个方面的因素来提高压铸的质量和一致稳定性。

图4所示为压铸成型及精密加工完成后的铝合金发动机缸体实物。

5.结束语

本文针对某铝合金高速发动机缸体压铸成型过程中的模具设计、压铸成型工艺及压铸所出现的质量问题处理等进行了简要介绍，该发动机的缸体的成功压铸成型从很大程度上促进了国产发动机缸体铸造技术的提升，同时提升了压铸模具设计与制造及其成型工艺的应用水平、希望对读者有所帮助。