(滁州職業(yè)技術學院機電工程系，滁州 239000)

0 引 言

當前，國內外對汽車制造業(yè)提出了以輕量化、低能耗、減少污染、提高燃料經濟性等方面的發(fā)展要求，而輕量化是滿足上述要求最直接有效的途徑[1～2]。作為汽車的核心部件，發(fā)動機的優(yōu)劣決定汽車的環(huán)保性、動力性以及經濟性。缸體是發(fā)動機制造工藝和制造生產中難度程度較高鍛鑄造加工成形件，因汽車發(fā)動機功能上的特殊需求，缸體必須具有較高的強度、剛性以及承受熱沖擊的能力，此外，須具有較低的熱膨脹性和良好的耐磨性。鋁合金作為一種稀有金屬融合型新材料被多用于加工成缸體，缸體被鋁合金生產制作大大減輕了汽車動力的重量，順應政府即時提倡既減排又節(jié)能型的汽車發(fā)展的需求[3～4]。達到高性能的鋁合金缸體量化生產的標準，關鍵和根本的條件是需要鑄造的材料以及工藝的問題[5]。汽車的發(fā)動機缸體壓鑄成型的工藝不斷被改進及提高，國內外產生了新型的鋁合金鑄造工藝，比如采用真空型壓鑄、低壓性的控制型鑄造及消失模型的鑄造。此外，Si元素含量的多少對鋁合金的流動性產生影響，Cu元素含量對鋁合金的強度和硬度影響效果明顯，簡述汽車的發(fā)動機鋁合金的缸體壓鑄方法，并分析和研究了在特定含量的Si和Cu元素在A356鋁合金中鑄造工藝過程中斷面或表層產生的力學性能變化。

1 鋁合金缸體壓鑄工藝

鋁合金型材質汽車的發(fā)動機鑄造成型的缸體制造工藝方法比較多，對具有代表性的及實際運用相對較多的壓鑄工藝步驟和特點進行簡述。

1.1 壓力鑄造工藝的特點

壓鑄成型的鋁合金材質的汽缸生產方式是現今國內和國外普遍采用的。獨特的優(yōu)勢在于短暫的工藝步驟，要求事先做好模具，缸體毛坯鑄件從被澆注后的模具中快速取出，加工并剔除飛邊或毛刺，交予檢驗合格后入庫保存；自動作業(yè)的程度較高；具備較強的工藝穩(wěn)定性及操作性，包括復雜的薄壁鑄件在內；高標準的鑄件成品，高精度的尺寸，符合表面的粗糙度要求；占用空間小。缺陷在于用于壓鑄缸體的配套裝備的價格比較高，并且小批量生產的需求無法保證；壓鑄模具多為金屬型，設計制造成本較高，周期較長；為確保脫模及抽芯的作業(yè)，大大地制約了缸體在壓鑄成型時的結構或形狀要求；多數下不能采用熱處理來改善或提高壓鑄型的鋁合金缸體的機械性能，壓鑄鋁缸體一般需要加大壓鑄模的體積或壁厚來滿足機械性能的要求；高速的射流被用于壓鑄成型中，就會導致紊流卷氣，缸體鑄件內部出現高氣量、內部氣孔多。

1.2 壓力鑄造工藝原理

采用壓力成型的鑄造方式是在鑄件模具的腔室內注入半固態(tài)或全液態(tài)的金屬液，用于壓射的沖頭快速將金屬液向下壓，金屬液快速地被充填到型腔中去，金屬液在巨大的沖壓力積壓下快速地結晶和凝固以此獲得的鑄件的鑄造方式[6]。壓鑄成型時通常作用于金屬液上的壓力壓介于5MPa至70MPa之間，有時作用在金屬液上的壓力高達600MPa。壓鑄模具的型腔在被充填完畢后，高達0.5～70m/s的線速度在澆口處出現。充填的時間極短，一般為0.01～0.03s。國內外學者為了能夠獲得內部精密的，外部無缺陷的缸體，而研究出的壓鑄成型的工藝參數如表1所示[7]。

表1 壓鑄工藝技術參數表

熱壓室壓鑄的基本原理：在坩堝的金屬液注入壓鑄模具的壓室中去。鑄造成形的過程中，當壓射的沖頭在上升時，金屬液進入壓鑄模具的壓室中，金屬液順著壓射沖頭的通道從噴嘴到壓鑄模的型腔進行填充，當注入到型腔后的金屬液冷卻并凝固成形以后，壓射的沖頭向上運動，壓鑄模被開模鑄件被取出，一個完整的壓鑄工藝順序就完成了。 冷壓室壓鑄的基本原理：用于保溫的坩堝和冷壓室的壓鑄室不是緊挨著的，冷壓的壓鑄采用人工方式將放置在保溫的坩堝中的金屬液澆入壓鑄室后進行作業(yè)。以壓鑄模與壓鑄的壓室之間的位置來劃分，冷壓室可劃分成全立式、臥式和立式。

圖1 鋁合金的壓鑄缸體示圖

如圖1所示為一鋁合金壓鑄缸體。鋁合金的壓鑄成型的工藝側重點是如何來準確又合理地設計用于壓鑄成型的澆注系統(tǒng)，而澆注系統(tǒng)通常又分為單側澆注和雙側澆注的缸體壓鑄。一般分別適用于大型缸體和小型缸體。澆注系統(tǒng)應注意沿金屬液流動方向逐步縮減，以減少氣體卷入[6]。沖壓的速射工藝參數的不斷調整決定于缸體的壓鑄成型件的工作效率和質量，速射的速度過快就很輕易地使鑄件在腔室中的氣體量增多，速度比較低時，就容易會形成充填不良的鑄件出來。此外，還要注意控制壓鑄溫度，溫度應控制在740℃～750℃左右，如果溫度過高，導致鋁液出現過熱的現象，大量的氫氣就會被吸收，也需要適宜的熔煉時間，以免造成熔體吸氣量的增加，在確保完全熔化時，溫度較高的時間需要的越短。

2 A356鋁合金力學性能提升的方法

A356鋁合金的力學性能如表2所示。提高缸體結構的力學性能的主要方法：晶粒的細化、破壞晶粒結構處理和合金晶粒組合。

表2 A356鋁合金的力學性能

注：S-砂型鑄造；B-變質處理；T6-人工時效和固溶處理。

晶粒的細化是鋁合金熔煉工藝中的重要工藝環(huán)節(jié)，最有效的解決鑄件氣孔、裂紋及晶粒粗大等鑄造產生的各種缺陷。

破壞晶粒結構處理是將稀有金屬加入到金屬液中去，破壞金屬液凝固后形成更好的表面材料。在破壞鋁合金的晶粒結構處理是不可或缺的工序，加入不同含量或種類的破壞晶粒劑對鋁合金的工藝性能具有深遠的影響[8]。

合金晶粒組合不但可以使鑄件模具中氣體的含量降低，而且還可以控制其他雜質元素的含量。鑄態(tài)下的鋁合金鑄件，由于力學性能較差，又滿足不了對載荷的要求，因此需要通過金屬的熱處理來提高鑄件的力學性能和綜合性能。

3 鋁合金力學性能測試方法介紹

3.1 抗拉強度測試

通常運用澆注樣本經加工后得到的試樣在拉伸試驗機上進行拉伸試驗，并進行多次試驗取平均值，得到較為準確的實驗數據。

伸長率可由下式得出：

η=(Lu-L0) /L0

(1)

式中，Lu為測量試樣斷裂后的標距；L0為室溫下施力前的試樣標距

抗拉強度：

(2)

式中，F為拉伸試驗機拉力值；d0為試樣平行長度的原始截面直徑。

3.2 布氏硬度

經一定的時間后，試驗力做消除處理，殘留壓痕在試樣的表面上，位于試樣表面的壓痕直徑被測量，通過計算得出布氏硬度的值，表示是作用于試樣的壓痕表面積上的平均壓力[9]。按下式計算：

(3)

式中，D為鋼球直徑(mm)；F為試驗載荷(N)；d為壓痕直徑(mm)。

試驗原理是：用一定直徑的硬質合金鋼球，以特定的試驗力壓入試樣表面，如圖2所示。

圖2 布氏硬度試驗原理圖

4 鋁合金的力學性能影響分析

4.1 試驗材料的準備和試驗步驟

A356鋁合金材料力學性能取決于共晶Si相和組織中初生α-Al相組織形態(tài)。表3所示為材質A356的鋁合金金屬的化學成分質量百分含量。試驗采用si含量達8.8%的Al-Si合金，然后將純鋁加入其中，使所含si元素達到A356鋁合金化學成分要求含量，分析在鋁合金力學性能中的si含量影響。并在最優(yōu)Si含量的狀態(tài)下，再加入Al-1/2Mg中間的合金，同時繼續(xù)分析Mg的影響。

圖3 A365鋁合金中Si含量力學性能影響

圖4 A365鋁合金中Mg含量力學性能影響

圖5 A365鋁合金中Si-Mg含量力學性能影響

SiMgCuZnMnTiFe其它6.5～7.50.25～0.450.20.10.10.20.2≦0.15

試驗時，將單晶硅加入坩鍋，將2/3的純鋁量覆蓋于Si上共同加熱，在660℃的溫度時Al先于Si熔化而將Si覆蓋。待Si熔化之后用石墨棒攪拌均勻。接著，加入余下的純A1，待升溫至800℃使其混合物完全被熔化后，再進行保溫至半小時進行檢測，使其制成含Si量為8.8%的Al-Si合金。第二步，將坩堝預熱后升溫加熱Al-Si合金和初預算一定量純鋁，在800℃左右溫度下完全溶化，溫度為750℃，再加入Al-5Ti-1B絲細化劑，并充分攪拌并靜置5min的時間，在溫度為765℃時加入A1-10%Sr中間合金變質劑，靜置15 min之后再加入一定量的精煉劑做精煉處理，過程分為扒渣、除氣、精煉，靜置一刻鐘，澆鑄試棒。最后對鑄件做力學性能測試。

在進行Mg含量的試驗時，將最優(yōu)的含量下的Al-Si合金進行熔煉，在溫度于750℃時期加入Al-1/2Mg中間合金，均勻攪拌。試驗程序同Si元素試驗。

4.2 對比試驗步驟

將單晶硅和鎂加入坩鍋，將2/3的純鋁量覆蓋于Si和Mg上共同加熱，在660℃的溫度時Al先于Si和Mg熔化而將Si-Mg覆蓋。待Si-Mg熔化之后用石墨棒攪拌均勻。接著，將余下純A1加入，升溫至800℃待其混合物完全熔化后，保溫大約半小時進行檢測，配成8.8%的含Si量的Al-Si-Mg合金。第二步，將坩堝預熱后升溫加熱Al-Si-Mg合金和初預算一定量純鋁，在800℃左右溫度下完全溶化，在大約750℃溫度，加入Al-5Ti-1B絲細化劑，充分攪拌后靜置大約5min時間，A1-10%Sr中間合金變質劑在大概765℃加入，靜置15 min，之后再加精煉劑進行精煉，過程分為扒渣、除氣、精煉，靜置一刻鐘，澆鑄試棒。最后對鑄件進行力學性能的檢測。

4.3 試驗結果分析

硅元素含量對A365鋁合金的抗拉強度(P曲線)和伸長率(Q曲線)的力學性能分析如下圖3所示，從圖中分析可得：A365合金的抗拉強度隨著si含量的比重的增高而呈現一種先增后減的趨勢，其最大伸長率為13.6%，最大抗拉強度為230Mpa，此時所含Si元素質量分數為7.2%。在含Si量為7.2%(最優(yōu)值)時進行Mg元素力學性能影響試驗，圖4為不同含Mg量下的抗拉強度(P曲線)和伸長率(Q曲線)的分析，從圖中分析可得：在Mg含量0.45%時，抗拉強度最好，為219Mpa，伸長率為9.88%，抗拉強度(P曲線)和伸長率(Q曲線)隨著含Mg量的增加而呈現出上升的趨勢。將Si和Mg同時加入到純Al中，硅元素含量對A365鋁合金的抗拉強度(P曲線)和伸長率(Q曲線)的力學性能分析如下圖5所示，抗拉的強度(P曲線)與伸長率(Q曲線)隨含Si-Mg含量的增加而先上升又下降，當在Si-Mg含量10.0%時，抗拉強度最好，為225Mpa，伸長率為10.4%。

5 結 語

以Si、Mg及Si-Mg含量為研究基礎，對A365材質鋁合金壓鑄成型的力學性能的影響進行試驗研究分析，結果論證：A356鋁合金中Si含量最佳狀態(tài)為7.2%，其抗拉強度與伸長率達到230Mpa和13.6%，當Mg的含量達到0.45%，A356材質的鋁合金抗拉強度與伸長率分別為219Mpa和9.88%；當Si-Mg含量為10.0%，其抗拉強度與伸長率為225Mpa和10.4%，因此可以根據不同材料要求特性來合理選擇Si和Mg搭配，以及壓鑄工藝中Si和Mg添加的順序。