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    学术科普

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    铝合金缸体压铸工艺及品质改进

    时间:2019/9/3 9:54:34    浏览次数:77    字体:   

    目前,基于能源、环保的需要,社会对汽车的要求越来越趋向于高性能、低能耗、低污染。途径有两个:一是改进动力系统;二是减轻汽车质量,即汽车轻量化。铝合金是汽车发动机上应用最多和最广的轻金属,因为铝合金具有质量轻、耐腐蚀性良好等优良性能,完全满足了发动机活塞、缸体、缸盖在恶劣环境下工作的要求。某新款发动机相比旧款发动机的质量减轻了14.7kg,百公里油耗降低了1L,每公里二氧化碳的排放量降低10g左右。

    汽车发动机铸件,如缸体、缸盖、罩盖、链轮壳、油底壳等,多属于形状复杂、结构多变、尺寸精密和致密性高的铸件,由于高标准、高成品率的要求,对铝合金铸造工艺、品质保证等提出了挑战。

     1. 铝合金压铸缸体

     图1为Al-9Si-3Cu合金压铸缸体,其尺寸为351mm×334mm×269mm,壁厚为(4±00.4)mm,毛坯质量为18.9kg,硬度(HB)为90-110。采用高磷蠕墨铸铁缸套,硬度(HHB)为220-290,壁厚为4.4mm,桁磨后壁厚为2.8mm。缸体结构包含缸筒、水套、高压油道、曲轴箱、主轴承座等。



    2. 铝合金缸体压铸工艺及品质控制

    2.1 铝合金熔化设备及工艺

    熔化采用LPG燃气炉,其具备上料、熔化及保温功能,熔化率为3.5t/h,保温炉容量为10t/h

    为节省能源,目前多采用铝合金液直送工艺,即由铝合金供应商在厂内进行铝合金液的熔化,将合金液直接送至压铸车间保温炉内。合金牌号为Al-9Si-3Cu,铝合金锭与回炉料配比为4∶6;采用直读光谱仪检测出炉前合金液成分;合金液在熔化炉保温室内进行720℃保温,在进行炉内精炼除渣之后,出炉到转运浇包内;在转运浇包内采用氮气(99.99%)+旋转除气装置进行除气处理,可净化合金液内部残存气体及残渣;通过含气量检测装置进行除气效果评价,密度指数=(1-ρ真空/ρ常压)×100,控制标准为≤1。

    2.2 压铸模及浇注系统设计

    模具采用六面抽芯结构,主要由定模部分、动模部分、成形部分、浇注系统、抽芯机构、顶出机构、排气系统、加热保温装置、定位导向系统等组成。压铸模材质为3Cr2W8VH13钢,抽芯棒可采用钛合金或高温合金,热处理后其硬度(HRC)达到45以上,通过表面氮化处理后,压铸模具的寿命可达10万次以上。

    通常缸体压铸件的浇注系统有两种形式:单侧浇注系统和双侧浇注系统。单侧浇注系统一般用于小型缸体,双侧浇注系统一般用于大型缸体。通过充填和凝固模拟的模流分析软件,可使浇注工艺布置得到优化。图2为单侧浇注工艺,图3为双侧浇注工艺。



    2.3 压铸机及压铸工艺

    为获得高品质压铸件,温度、速度、压力、时间等关键工艺参数必须满足压铸生产的需要。

    2.3.1温度控制

    浇注温度控制在640-680可能导致氧化夹杂缺陷。

    压铸模在使用前要预热到一定温度。在连续生产中,压铸模温度往往升高,温度过高除使液态金属产生粘模外,也导致铸件冷却缓慢,使晶粒粗大、顶出变形等。

    铝合金缸体模具加热使用6台模温加热器,所有的型芯、镶块等均采用冷却水,使模具工作温度控制在180-200℃范围内。

    2.3.2 速度和压力控制

    缸体压铸件品质对压射工艺参数的变化非常敏感。速度过高容易造成铸件中的气体增加;过低则容易造成充填不良。压射压力过低,铸件中气孔、缩孔等缺陷增加;压力过高,飞边及毛刺等缺陷增加,对模具损害也大。采取合适的压射速度(压射比压),确定合理的速度转换位置,在凝固之前对铸件实现快速增压(增压比压)。

    因缸体尺寸大、结构复杂、壁厚差异大,采用28000kN压铸机,设置慢压射速度为.0.2m/s左右,慢压射行程为400mm,快压射速度为5.5m/s左右,最终压力保持在45Mpa左右。图4为位移、压力和速度与时间的关系曲线。




    2.3.3 时间控制

    充填时间长短取决于铸件体积的大小和复杂程度,充填时间与内浇口的截面积有密切关系,并与冲头压射速度直接关联。充填时间最终体现为2级压射速度,即快压射速度控制在4-5m/s

    合金液充填型腔完毕,将进入凝固成形阶段,此时应立即进行增压,使合金液在高压下凝固结晶,大吨位压铸机建压时间控制在30ms以内,小型压铸机可达到10ms

    持压时间的长短取决于铸件的材质和壁厚。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,一般取30s

    2.4 压铸自动化生产单元的实现

    压铸机配备有浇注机械手、喷涂机器人、取件机器人、切边机等周边附属装置,可实现全自动生产,单件节拍为110s。

    2.4.1合金液保温

    通过转运浇包将成分、含气量合格的合金液转至压铸机前保温炉内进行保温,温度控制在640-680℃。

    2.4.2 铸铁缸套嵌入

    在缸套嵌压前,缸套需要预热至90℃,避免铝合金收缩应力导致的开裂。

    2.4.3 浇注系统清理

    采用自动液压切边机及切边模,切除浇注系统、排溢系统及缸孔内飞边。

    2.5 热处理

    缸体铸造残余应力包括热应力、相变应力及收缩应力。残留应力降低了铸件的力学性能,影响铸件的加工精度。通过24h自然时效后T5处理,可以达到消除残余应力的目的。图5为T5处理曲线。

     


    T5处理将导致铸件硬度(HB)下降8-10,通过提高CuSiMn的含量及适当降低T5处理的温度,可得到理想的铸件硬度。其中,Cu含量的增加,硬度增大效果明显,但材料成本较高,需通过化学成分和温度的正交试验,以确定工艺方案。硬度测量点见图1中A、B两点。

    2.6 粗加工

    为确保交付产品满足后续精加工定位及加工精度,需对毛坯进行粗加工以消除铸造公差,粗加工范围包含定位孔、主轴承座、缸孔等,均采用加工中心完成。

    2.7 试漏

    粗机加后的零件需要进行试漏,分为水套试漏、高压油道、低压油腔,试漏过程主要分为充气、稳压、测量、排气4个阶段,测试参数见表1。


    2.8 浸渗

    针对要求水套泄漏量小于100mL、曲轴箱泄漏量小于500mL的泄漏零件,将进行浸渗处理,使有机浸渗液填补进铸件的细微气孔、缩松中,使缸体达到应有的气密性要求。对毛坯泄漏而言,浸渗只是针对表面缩松、冷隔缺陷零件的返修,其所占比例很小。毛坯在机加工后,厚壁缩松部位才能暴露出来,成品浸渗是重要的返修工艺。允许2次浸渗,浸渗有效率可达99%。

    3. 关键技术应用

    3.1实时参数控制

    影响压铸件品质的因素是多方面的,如铸件中的气孔、缩松、尺寸精度及表面品质等。实时压射控制系统是由快速响应的电液伺服阀为主体所组成的闭环液压控制系统,最终实现自动压射系统的速度和增压压力实时控制,使每次压射过程压射速度和增压压力曲线的重复性好,批量生产铸件的内在品质稳定。

    同时,通过对压射速度、压射压力等重要参数进行SPC统计控制,在每次压射过程完成后,如参数合格,铸件将被自动标识,如超出控制限制,则铸件将被判为不合格而被自动隔离。图6为伺服系统实时压射工艺参数压射曲线。



    3.2 真空压铸

    真空压铸是将型腔内的气体抽出,金属液在接近真空状态下(4.5×10-4MPa)充填型腔,可以有效消除或减少气孔。传统压铸件是不能进行热处理的,因为残存气体的膨胀导致铸件鼓包,而采用真空压铸,使缸体热处理成为可能。

    3.3 局部增压

    缸体存在壁厚不均,主轴承座厚壁处因来不及补缩而导致内部缩松,加工油道孔后存在泄漏风险,仅依靠工艺参数优化及抽真空措施不能完全避免缩松。局部增压是当金属液充满型腔并建立最终增压压力的2s后,立即针对厚壁部位的半固态金属以增压针再次进行加压,使其在高压下凝固,可有效解决主轴承座厚壁部位的缩松问题,见图7



    3.4 高压水冷

    针对铸件上厚壁加工部位,如螺纹孔,加工后出现缩松导致的零件泄漏。因模具结构限制,厚壁部位的缩松问题不能通过局部增压得以解决。通过1.0-1.5MPa高压水,对直径大于4mm的型芯内部进行冷却,可使型芯周边组织先行凝固,形成致密层,减少缩松倾向。图8为冷却管及型芯结构。




    3.5 产品可追溯性

    每个铸件的压射过程参数均在存储器中和压射系列号对应,并将系列号标识在铸件表面,如自动判断为合格,将自动进行激光标识二维矩阵码,其中包含设备、模具、生产日期、系列号等相关信息;如不合格,将自动隔离报废。

    4. 重点品质问题分析及改进

    4.1 降低废品率

    批量生产初期废品率高达15%。图9为铸件缺陷类型。主要缺陷为油道及水套泄露值超出可浸渗上限、加工面缺陷等。加工面缺陷有气孔、渣孔、缩松3种形式。



    气孔多呈圆形,表面光亮。通过对合金液的除气处理、合理设计浇注及排溢系统、合理设置工艺参数,可以适当降

    气孔的产生。通过抽真空技术的应用,可以最大程度地消除气孔并使后续热处理成为可能。    

    渣孔属于内部夹杂,外观表现为黑色、形状不规则。产生原因是来自合金液、模具上涂料等残余随合金液充填型腔,在铸件内部形成渣孔。解决此问题的方法,首先,优化合金的配料,辅之精炼处理,达到净化合金液的目的;其次,合理布置浇注及排溢系统,将前端充填的低温、脏污合金液导入集渣包内,采用齿形激冷排气块排气,集渣效果良好。

    缩松表现为组织缩松、不连续,可为孔洞和松散区域。产生的原因是合金液充填型腔的同时,压力不能及时传递并确保合金液在压力下冷却凝固,并存在局部厚壁区域液态金属收缩大于固态收缩现象。消除缩松的方法,首先,在工艺设计中须遵循顺序填充、顺序凝固、及时建压原则,确保铸件各部位在增压压力下得到合金液的及时、有效地补充;其次,采用降低局部成形部位模具温度、局部增压、高压水冷等措施,可有效改善周边成形品质。

    对于压铸件而言,因影响因素众多,不可能完全避免加工面存在气孔、缩孔缺陷,因此从铸造厂和主机厂成本而言,对加工面气孔、缩孔的返修显得至关重要。返修标准见表2。

     


    采用Loctite 3475A(Hurter)3475BHarz)混合后,对确定标准范围内的气孔、缩孔进行填充修补,返修工艺:填充修补→12h固化→打磨→清洗。

    通过压铸工艺的优化和返修工艺的应用,废品率降低到2%左右,主要缺陷仍以油道及水套泄漏值超出可浸渗上限为主。

    4.2 降低泄漏率

    批量生产初期,机加工后缸体泄漏率高达40%,浸渗后缸体需要重新试漏,严重影响生产效率。统计发现,泄漏部位主要集中在主轴承座螺栓孔、机油泵安装螺栓孔处。经过CT检测发现,在主油道和螺栓孔之间存在较大面积缩松。因该处属于厚壁部位,局部厚度达到50mm,冷凝速度慢,周边金属来不及补缩,且离浇口位置远,压力无法及时传递,导致缩松出现。为减少此处壁厚、确保周边金属均匀收缩,在主轴承座螺栓孔处及机油泵安装螺栓孔处增加了预铸孔,尺寸分别为6mm×15mm、3.5mm×15mm。 

    通过增加预铸孔,缸体毛坯加工后试漏合格率提高到90%。在复制模上采用了主轴承孔的局部增压工艺,试漏合格率进一步提高。

    4.3 减少裂纹

    该产品裂纹主要为缸体水套外壁深腔部位裂纹和缸套间铝合金裂纹。缸体水套外壁深腔部位裂纹属于典型的冷裂,因此处型腔较深,合金凝固后对型芯包裹力大,强制脱模导致拉裂,通过加大起模斜度及过渡段圆角、模具定期抛光、增加局部涂料润滑,可有效解决此类问题。缸套间铝合金裂纹属于典型的热裂,应力一方面来自缸套和铝合金的收缩率差异,铝合金凝固时收缩率较大,受到缸套的阻力产生拉应力;另一方面来自产品结构设计的壁厚差异。裂纹处壁厚仅3mm,受到两侧厚壁部位凝固时产生的拉应力。通过严格控制缸套的预热温度可减少热裂纹风险;通过提高缸套定位芯轴精度和缸套制造精度,可同时减少热裂纹及冷裂纹风险。

    5.关键特性标准及检测手段

    5.1孔隙率

    铸件内在缺陷主要为气孔和缩孔。气孔、缩孔的存在,对铸件的强度、气密性、表面结构以及外观都有影响。当通过外力对零件加负荷时,在对应的铸件截面产生一个应力,它和外力及零件截面积成比例。有气孔、缩孔的有效截面积减少,应力增大,一旦形成的应力超过材料的弹性限值,将产生永久变形,最终导致断裂。此外,截面积缩小引起的应力升高,将产生与气孔、缩孔形状有关的应力集中,应力集中随着气孔表面积和孔径的增大而增大。有关铝合金铸件疲劳强度的研究表明,孔隙率从气孔级别0增加至级别8,疲劳强 度 降 低15%~20%。

    对有密封要求的铸件或机加密封面而言,气孔、缩松将损害铸件的密封性。同时,当铸件进行表面喷凃、热处理时,铸件表面的气缩孔将导致中断和表面气泡的产生。孔隙率的检测分为有损和无损检测。有损检测是采用放大25倍的金相图剖面,通过分析软件来定量评估孔隙率;无损检测采用工业CT进行。

    5.2 缸套结合力

    缸套作为镶嵌件置入模具中,为确保缸套和铝合金的结合,在缸套表面留有螺纹状或者凸刺状表面(高度为0.70.9mm)。缸套结合力的影响主要来自浇口的工艺布置、缸套表面形状的选取,如缸套结合力不足将导致发动机运转时产生敲缸噪音。

    目前缸套结合力的检测无统一标准,多采用纵向剖面剥离、横向剖面着色渗透、结合面低倍放大、结合面覆盖率等方法进行多重评估、对比分析。

    结合面覆盖率=(360°-缝隙角度)/360°×100%,图10中结合面覆盖率为67%。



    5.3 清洁度

    缸体作为发动机的核心部件,对其清洁度要求极为严格。为确保机加成品缸体的清洁度及清洗过程稳定,对铸件毛坯的清洁度也作了明确的规定,要求质量≤300mg,允许最大颗粒直径为2mm。

    目前,清洁度检查操作方法也形成了相关标准,如清洗液牌号、冲洗压力、冲洗位置、试样收集、烘干、称重均有明确的规定,同时相关检测硬件设备和分析软件也实现了标准化配置。分析软件可在显微镜下实现自动分析颗粒大小级别及数量分布情况。

    为此,铸造厂需要增加机加后清洗工序,多采用通过式高压清洗机,并在批量生产过程中针对质量及最大颗粒实施统计控制。

    针对某铝合金发动机缸体的生产工艺及设备、关键压铸技术的应用、重点品质问题的分析及改进、检测等方面作了详细介绍。目前此发动机在国内汽车市场占有率高达20%,该铝合金缸体的批量投产极大地促进了国内铝合金缸体压铸技术及周边技术的提升。