（材料加工工程专业论文）组芯造型工艺条件下提高铝缸体铸件性能的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 现代汽车工业重视轻量化、高强化、绿色化，使用轻型高强材料生产汽车部 件尤其是发动机缸体成为大势所趋。铝合金因其质轻高强的特点以及优良的工艺 性能广泛应用于交通、航天等方面，特别适合生产轻型薄壁缸体铸件。 传统砂型铸造方法生产的铝合金缸体往往会出现铸件尺寸精度低，性能表面 质量差等问题，不能满足日益提高的缸体铸件的技术要求。精密组芯造型工艺能 生产具有复杂腔体且对尺寸精确度有较高要求的大型铸件，受到许多汽车缸体制 造企业的关注。然而在大规模采用精密组芯造型工艺生产铝合金缸体铸件之前， 还必须通过优化各工艺环节和处理方法，进一步提高铝合金材料的性能。 本文通过砂型的选择、变质方案的优化以及合理地时效温度处理等一系列环 节，研究其对a 3 5 6 合金精密组芯造型条件下铸件性能的影响，根据试验结果总 结出最优方案，探讨改进精密组芯工艺以达到广泛推广目的的可能性。同时尝试 通过模拟二次枝晶间距d a s 与力学性能的回归分析式，建立快速检测铸件质量 方法，便于企业生产过程中的检测和质量控制。 试验结果发现：采用宝珠砂作为造型材料代替普通硅砂，配合合理的树脂成 分，在兼顾了材料成本的同时，能有效的提高铸件延伸率。采用m 1 0 s 心5 t i b 联合变质，相比a 1 1 0 s r 单独变质进一步提高了铸件强度，但塑性有所降低。不 同的时效处理对缸体铸件性能影响不同，人工时效注重强度的提高，而自然时效 侧重保留良好的延伸率。通过二次枝晶间距结合力学性能加以分析计算，证明两 者存在对应关系，根据其可以建立快速检测阙值，方便企业检测产品合格率。 通过采用便宜且有效的砂型材料、提高变质效果避免缺陷、去除昂贵的处理 设备、调整热处理参数，保证产品的高尺寸精确度及低废品率等措施，结合快速 检测手段可以很好的降低生产成本，提高铝合金缸体竞争力，适合企业推广应用。 关键词：a 3 5 6 合金，砂型选择，联合变质，时效温度，正交分析，回归关系 式，精密组芯 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o d e mi n d u s t r ya l w a y sd e m a n d sn e wm a t e r i a l sf o rh i g h q u a l i t ya n d l o w - w e i g h t ，w h i c hw o u l db eu s e dt op r o d u c ep a r t so fac a r ，e s p e c i a l l yt h ee n g i n e b l o c k t h eo t h e rt r a d i t i o n a lm a t e r i a l ss u c ha sa l u m i n u ma l l o ya r ea l s oi nt h et r e n do f i m p r o v et h e i rp e r f o r m a n c et om e e tt h es t r i c td e m a n d a l u m i n u ma l l o yw i t hi t s e x c e l l e n tp r o c e s s i n gp r o p e r t ya n dt h ea p p l i c a t i o np e r f o r m a n c e si sw i d e l yu s e di n a u t o m o t i v e ，a e r o s p a c e ，a n dd a i l ya p p l i c a t i o ni n d u s t r y ，e s p e c i a l l y s u i t a b l ef o r m a n u f a c t u r i n gl i g h tt h i nc y l i n d e rb o d yc a s t i n g s 。 t h ec y l i n d e rb l o c k ，w h i c hi sm a k e db yt r a d i t i o n a ls a n dc a s t i n gm e t h o d ，w i l l o f t e np r e s e n tm a n yq u e s t i o n ss u c ha sl o wc a s t i n gd i m e n s i o na c c u a r c y , p o o rs u r f a c e q u a l i t y , a n ds oo n i tc a n t tm e e tt h er i s i n g c y l i n d e rb o d yc a s t i n g st e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s c o s w o r t hp r o c e s st e c h n o l o g yi ss u i tf o rp r o d u c i n gt h ec y l i n d e rb o d y , s o a r ea t t a c h e db ym a n yp r o d u c t i o ne n t e r p r i s eo fc y l i n d e rc o n c e r n h o w e v e lb e f o r e w i d e l yu s ec o s w o r t ht op r o d u c ec y l i n d e rc a s t i n g s ，w es t i l lm u s ti m p r o v eo nt h e p e r f o r m a n c e so ft h ea l u m i n u ma l l o ym a t e r i a l s ，t h r o u g ho p t i m i z i n gt h ep r o c e s sa n d m e t h o d s i nt h i sa r t i c l e ，t h r o u g hc h o o s i n gd i f f e r e n ts a n d s ，r e a s o n a b l yo p t i m i z i n gt h e m o d i f i c a t i o n ，a d j u s t i n ga g i n gt e m p e r a t u r ea n ds oo n ，t ot e s tt h e i ra f f e c t so np r o p e r t i e s o fa 3 5 6a l l o yc a s t i n gb yc o s w o r t hp r o c e s s a tt h es a m et i m es u mu pt h eo p t i m a l p r o c e s sa c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ，d i s c u s st h ep o s s i b i l i t yo fh o w t o s p r e a dt h ec o s w o r t hp r o c e s st e c h n i q u eb yi m p r o v et h ef a c t o r s a n dt r yt ob u i l dr a p i d d e t e c t i o nm e a n st ot e s tt h ec a s t i n gq u a l i t yb ys i m u l a t ea n a l y s i sm o d e sb e t w e e nd a s a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f o rp r o v i d i n gt h ee n t e r p r i s ep r o d u c t i o nr e f e r e n c ea n d s u g g e s t i o n t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa r ea sf o l l o w s ：c h o o s et h ea l u m i n as a n da sm o d e l l i n g m a t e r i a l st oi n s t e a do fq u a r t zs a n d ，谢t hr e a s o n a b l er e s i nc o m p o s i t i o n ，c a ne f f e c t i v e l y i n 组芯造型工艺条件下提高铝缸体铸件性能的研究 i m p r o v et h ee l o n g a t i o no fc a s t i n g s t a k et h es c h e m eo fa i 一1 0 s r a 1 - 5 t i bc o m b i n e d m o d i f i c a t i o nt oi n s t e a do fa l 1 0s rm e t a m o r p h i ca l o n e ，h a di m p r o v e dt h es t r e n g t h ，b u t e l o n g a t i o nr e d u c e d d i f f e r e n ta g i n gt r e a t m e n th a v ed i f f e r e n ti m p a c to np e r f o r m a n c e o f c y l i n d e rb l o c kc a s t i n g ，a r t i f i c i a la g i n gp a ya t t e n t i o nt ot h ei m p r o v e m e n to fs t r e n g t h ， b u tn a t u r a la g i n gk e e pg o o de l o n g a t i o n c o m p a r e dw i t ht h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e a b o u tq u a r t zs a n da n da l u m i n as a n dc a s t i n g ，a n dc o m b i n e dw i t he a c ho t h e r sd a s ， t h e nt h er e g r e s s i o na n a l y s i sm o d e lc o u l db ee s t a b l i s h e d a n a l y s i st h i sm o d e la n d m a k ec o m p u t a t i o n ，c o u l dp r o v et h a tt h e r ew a sl i n e a rr e g r e s s i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nw h i l ec o r r e s p o n d i n gw i t hd a s w i t ht h ew a y ss u c ha su s et h ec h e a pa n de f f e c t i v em o l d i n gm a t e r i a l s ，i m p r o v e t h em e t a m o r p h i ce f f e c t ，r e m o v ee x p e n s i v et r e a t m e n te q u i p m e n t ，a d j u s th e a tt r e a t m e n t p a r a m e t e r s ，g u a r a n t e et h ep r o d u c th i g hd i m e n s i o na c c u r a c y , t a k et h er a p i dd e t e c t i o n m e a n sa n ds o o n ，c a nd r a m a t i c a l l yr e d u c e t h e p r o d u c t i o nc o s t ，i m p r o v e t h e c o m p e t i t i v e n e s so fa l u m i n u ma l l o yc y l i n d e rb l o c k ，a n di ss u i t a b l ef o re n t e r p r i s e a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：a 3 5 6a l l o y , s a n dc h o i c e ，c o m b i n e dm o d i f i c a t i o n ，a g i n g c o s w o r t hp r o c e s s 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 近年来随着汽车工业的迅速发展，市场在世界范围内的竞争越来越激烈，如 何改善客户的驾驶感受，提高车辆性能，同时为了保护环境，减少尾气排放，降 低污染，成了当前汽车生产厂家需要迫切解决的问题。有数据表明：汽车自身重 量每降低a o o k g ，油耗就可减少0 7 l k i n l l l 。实现汽车轻量化的途径有：发展小 排量汽车；合理化设计汽车及零部件；提高轻量化材料在整个汽车生产中的应用 比例【2 】。铸铝的比强度相当于灰铸铁的2 5 倍左右，占发动机总重量8 5 左右的 缸体和缸盖传统上均采用铸铁制成，若采用全铝发动机可使发动机的重量减轻 4 0 以上，同时铸铝件的耐磨损耐腐蚀，可以作为发动机缸体缸盖等关键部位的 使用材料，提高车辆性能【3 1 。 目前铝合金汽车部件的应用范围不断扩大，国外汽车厂商全面采用铝合金缸 盖缸体取代原有产品，使全铝发动机从原来的高中档轿车( 宝马7 系列、奥迪 a 6 、马自达6 等) 向经济型桥车拓展( 如：p o l o 系列、标志3 0 7 等) f 4 】；目前欧 美发达国家轿车中的铝合金用量已经从1 9 9 0 年代占车重的5 5 提高到目前的 1 5 以上，这使得整车重量相应下降了2 0 ；2 0 0 7 年欧、美、日生产的轿车发 动机中9 5 以上的缸盖均为铝制，铝合金缸体的使用率也已经超过5 0 t 5 1 。 汽车工业的竞争，尤其是轿车、轻型车的激烈竞争，要求铸造业提供更多轻 量化、薄壁化、精密化、高强化、无缺陷、近净型的铸件，目前国际上轿车的进 气管、轮毂等配件都已大量采用高性能的铝合金制造，作为汽车动力来源的发动 机部件，采用全铝设计势在必行。但由于发动机缸体的工作环境特殊性，在腔体 复杂与薄壁的同时还要保证有足够的强度及耐磨损耐腐蚀能力，常用的铸造方法 的局限性越来越明显。我国在复杂薄壁缸体工业化生产方面尚处起步阶段，应用 范围不广。如何改进原有铝合金缸体生产方式，优化现有精密造型的工艺过程， 降低生产成本，扩大应用范围，制造符合发展趋势的汽车零部件是未来国内汽车 产业急需解决的问题。 1 组芯造型工艺条件下提高铝缸体铸件性能的研究 1 2 铝合金缸体铸件在汽车工业中的应用 1 2 1 缸体铸件材料及性能的要求 发动机缸体作为汽车上最重要也最复杂的铸件，占据了车身大约1 0 的重 量。考虑到缸体的复杂化、轻量化要求，及常年在高温高压环境下工作的因素， 要求缸体材料必须具有良好的综合性能，包括良好的韧性、耐高温、耐磨损、耐 腐蚀、加工工艺性能出色和成本低等。另外还需考虑对材料的再循环应用性及生 产过程中减少对环境的影响。 缸体铸件对强度、刚度和致密性要求严格，不仅需要耐磨耐压，同时还应保 证活塞工作范围内无任何铸造缺陷，保证气密性；其次缸体铸件对尺寸精度要求 高，应达到i s o c t 7 c t 9 级，缸壁厚度偏差4 5 0 5 或4 0 7 ，重量偏差应控制在 3 范围内；缸体铸件对表面精度要求高，表面粗糙度应达到r a l 2 5 9 m ，内部清 洁需有保证。同时缸体铸件应具有良好的加工性能，要求铸件有尽量少的加工余 量，尽量小的硬度偏差和良好的组织均匀性。最后缸体应该尽量轻，缸壁尽量薄， 缸体铸件功率比( 即缸体质量与发动机功率之比) 越低越好，该比值越低，表明 发动机越轻，也就意味着有油耗更低，排放更少1 6 】。 高性能的缸体铸件，形状复杂、整体壁薄，并有多个厚大部位，会由于补缩 困难，导致易出现铸造缺陷；且由于薄壁不均匀易导致铸件变形，造成产品性能 下降乃至报废。所以产品设计的合理性及铸造方法的先进性是生产复杂薄壁铸件 的关键。 铸造铝合金中应用较广泛的有砧s i 系合金和a i c u 系合金。铸造s i 系 合金的铸造性能比较好，但强度水平不高；a 1 c u 系合金的性能指标高，但铸造 性能差尤其是a 1 c u 系合金的结晶温度间隔大，流动性差，具有较大的缩松和 热裂倾向，而难以获得组织致密的铸件，且铸件中的微观缺陷会使缸体铸件实际 的力学性能水平降低，达不到应用要求。而铸造舢s i 系合金，目前国内外对其 工艺的研发相当到位，通过合理的铸造工艺，大大提高了力学性能，完全可以担 当起生产复杂薄壁缸体铸件的重任。由此本文选择了砧s i 合金中最具代表性的 a 3 5 6 合金作为试验目标材料。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 铝合金缸体铸件的国内外生产状况 经过近3 0 年的不断发展，国外全铝发动机技术已经广泛应用。国际上已经广 泛采用精确砂型重力铸造工艺进行高性能铝合金缸体的工业化生产，并作为新一 代高性能车用发动机开发的技术基础；欧美国家的汽车轻量化发展迅速，这种成 功得益于精密组芯砂型铸造工艺的广泛应用。英国c o s w o r t h 公司于7 0 年代末发 明了c o s w o r t hp r o c e s si 艺同，主要生产一级方程式赛车的发动机缸体、缸盖。 1 9 8 8 年美国福特公司购买c p 专利，并于1 9 9 2 年建成年产1 0 0 万只缸体的生产线 i s ；1 9 9 1 年南非m & r 公司建立了c p 法铸造厂；1 9 9 7 年c o s w o r t hr & m 有限公 司宣布将建立一个年产1 0 0 万缸体和缸盖的新型c p 法铸造厂，该厂将采用最先 进的c p 法工艺及设备，使汽油机铝合金铸件的生产处于世界领先水平【9 】。其他 采用c p 法工艺生产的比较著名的汽车有：m e r c e d e s ( h 本) 、o p e l ( 德国) 、b e n z ( 德 国) 、j a g u a rx k 8 0 1 i 用) 等【9 1 。近2 0 年的生产实际表明，c p 法工艺在汽油发动机 的缸体、缸盖、进排气管等零部件的铸造生产上处于世界领先地位。 国内在高性能全铝发动机的研发制造方面与国际水平还存在着较大的差距。 国内生产技术相对落后，铝合金缸体的工业化生产尚处起步价段。国产发动机的 铝合金缸体的使用率较低，大都采用普通砂型或金属型重力铸造工艺，但和国外 相比铸件的复杂程度、尺寸精度和表面质量，都存在较大的差距。 国内自在工业化生产铝合金发动机缸体方面，起步较缓，近年来厂商开始尝 试自主开发，采用精密组芯工艺造型方法铸造生产大型复杂铝合金缸体铸件，取 得了可喜的成果，但一直没有形成系统可靠的工业化生产技术。 相比国外的铝合金铸件，国内产品的主要差距是强度低、耐磨性差、寿命低、 加工性差。目前铝合金缸体的制造工艺复杂、要求高，仍处于探索、改进和完善 阶段，国内铝合金缸体的工业化生产发展缓慢主要受制于三个方面：缸体材料性 能达不到要求，精密组芯铸造工业化生产工艺不成熟，生产装备落后【1 0 1 。 1 2 3 铝合金缸体铸件的发展趋势 根据国家统计局于2 0 0 8 年2 月2 8 日发布的 2 0 0 7 年国民经济和社会发展 统计公报显示，我国2 0 0 7 年轿车产量为4 7 9 8 万辆，比0 6 年增长2 4 0 ，民 3 组芯造型工艺条件下提高铝缸体铸件性能的研究 用轿车保有量1 9 5 8 万辆，增长2 6 7 ，其中私人轿车1 5 2 2 万辆，增长3 2 5 。 按私人轿车每百公里油耗约i o l 计算，若全铝发动机的使用率为3 0 ，平均每 车每年行驶1 5 万公里，则节油4 9 亿升，价值2 5 1 亿元【1 1 】。 现代汽车工业正朝着轻量化、高速、舒适、节能、低排放的方向发展，越来 越多的汽车采用高性能的铝合金替代钢、铁等传统材料。铝合金缸体铸件可减轻 发动机的重量，高硅铝合金材料还具有导热性能好、抗疲劳强度高、耐磨性好、 抗缸孔变形能力强等优点，符合了现代汽车的发展趋势。 随着现代科学技术的进步和对节能要求的提高，对汽车铸件材质的要求愈来 愈高，于是研发具有提高性能、减轻质量、降低能耗及降低成本特点的高强度薄 壁铝合金铸件就成为今后汽车工业的主要发展方向之一。铸件薄壁化、轻量化、 强韧化是为了满足工程界对工程材料节能性、回用性两方面的要求，适应“人类 可持续发展战略 的需要。铸件的“薄壁高强化 正在工程界成为一种趋势，其 技术应用也将日益成熟并迅速拓展，在可以预见的将来，3 - 5 r a m 的高强度薄壁 铸件将会大量应用于工业产品中。运用国外先进经验，从新材料开发、结构设计、 铸造工艺技术与装备、模具设计与制造等方面高起点地研究开发具有自主知识产 权的高性能铝合金缸体缸盖的规模工业化生产技术，使我国汽车关键零部件的生 产尽快赶上国际先进水平，有助于提高我国相关产品的自主开发能力，提高相关 行业的综合技术水平和装备设计制造能力。 铝合金缸体将来的发展方向是研究开发高性能铝合金缸体工业化生产技术， 包括开发高性能铝合金发动机缸体材料、完善精密组芯造型铸造工艺、研制缸体 工业化生产装备，这是开发和大规模使用高性能铝制发动机的必要条件，是突破 汽车工业自主发展瓶颈的关键，用国际先进水平的制造技术打造我国高端铝制发 动机关键零部件生产基地，具有十分巨大的市场前景【1 2 1 。 1 3 采用精密组芯工艺生产铝合金薄壁缸体 由于缸体形貌及工作环境的特殊性，如何生产高性能复杂薄壁铝合金缸体一 直是国内外科研人员研究的热点课题。复杂薄壁精密缸体铸件的主要特点体现 在：( 1 ) 形状结构复杂：将原来的几个部件组合于一体铸造成形，形状结构整体 4 江苏大学硕士学位论文 化、薄壁化、复杂化；( 2 ) 尺寸精密：铸件形状尺寸要求精密，即无或少加工余 量；( 3 ) 高性能：根据其使用特点和使用要求精确设计并控制铸件各部位的组织 结构，充分发挥材料性能；( 4 ) 高可靠：铸件组织致密均匀，无缺陷【1 3 】。为此开 发了许多精密铸造方案，以下是国内外常用的几种主流铝合金发动机缸盖缸体铸 造技术介绍。 1 3 1 常用铝合金缸体铸造工艺 1 压力铸造 压铸作为铸造业中一种先进的有色合金精密成型技术，在产品向精密化、轻 量化、节能化和绿色化的发展趋势中，采用压铸工艺生产汽车发动机铝缸体是最 广泛、最普遍采用的方法之一【1 4 1 。 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。 该技术具有以下特点：具有时间短、生产率高，生产产品尺寸精度好，废品率低 的优点，但是也伴有产品延伸率较低，生产成本过高的缺点。 广州东风本田发动机公司是国内第一家采用压铸工艺生产轿车发动机 2 0 l - - 2 3 l 直列式四缸体的厂家。选用日本宇部合型力2 5 0 0 0 k n 压铸机，整条压 铸生产线由全自动压铸机、自动混合压送装置、自动输送切边机、模温机等装备， 包括自动浇注、自动喷淋、自动取件、自动装缸套和自动控制系统。该生产线约 2 5 m i n 生产一个缸体，l 台合型力2 5 0 0 0 kn 压铸机全年可生产铝四缸体1 0 万件 仨班制) 。 2 低压铸造 低压铸造是铝液在很低的压力( 约2 0 6 0k p a ) ，由下而上充填型腔，通常 采用金属型和砂型，因此可以获得闭舵结构的缸体。该法的主要优缺点如下： ( 1 ) 铸造材料利用率非常高，可以大幅度降低材料费和j h - r 费；( 2 ) 容易形成定向 凝固，内部缺陷少；( 3 ) n - i 使用砂芯；( 4 ) 生产周期长，生产率低，虽充型时间 一般仅需1 0 - 1 5 s ，但保压时间则需3 - - 一，6 m i n ，整个生产循环达1 0 1 l m i n l l 5 】。 国际上众多大型汽车厂商皆有采用低压铸造法生产的缸体产品，如美国通用 5 组芯造型工艺条件下提高铝缸体铸件性能的研究 汽车公司( g m ) 采用低压铸造生产雪佛兰c o r v a i r 6 缸缸体，德国戴姆勒一克莱斯勒 公司生产的b e n zv 8 ，美国克莱斯勒公司生产的直列四缸体等。 3 金属型重力铸造生产铝合金汽缸体( 1 6 j 金属型铸造主要用于生产铝缸盖及简单的铝缸体，其铸造工艺特点是用重力 浇注法将液体金属浇入金属型，形成铸件，铸件品质比砂型铸造好，是生产较高 质量铸件的传统方法。缺点是金属晶粒大，强度较低，表面处理繁琐，利用率低。 美国福特汽车公司1 9 9 8 年在俄亥俄州b r o o dp a r ko h i o 耗资9 9 0 0 万美元建 成一个铝合金铸造厂，采用金属型重力铸造方法，生产铝气缸体和铝气缸盖。此 外，美国通用汽车公司也采用金属型重力铸造方法生产v 8 铝缸体。 4 消失模铸造【1 7 】 消失模铸造也称气化模铸造、干砂实型铸造、无型腔铸造。该工艺尺寸精度 高达0 2 m m 以内，表面粗糙度值可达r a s “m r a 6 斗m ，被铸造界誉之为“2 1 世 纪的绿色铸造新技术。消失模铸造技术以铸件的尺寸精度高、表面光洁、少污 染等突出优点，较之传统的砂型铸造工艺具有强大的竞争力。 消失模铸造的特点符合新世纪铸造技术发展总趋势，许多大公司使用此方法 生产产品，如美国通用汽车公司采用全自动消失模铸造生产线生产铝合金缸体； 德国大众汽车公司采用4 条铝合金缸体消失模铸造生产铝合金缸体；中国长沙发 动机总厂( 长发精铸有限公司) 1 9 9 6 年引进意大利法塔铝公司消失模铸造生产 线，其生产铝合金缸体效率为2 0 箱h 。 5 先进半固态铸造技术生产铝合金汽缸体【1 8 】 先进半固态铸造技术是一种新型铸造生产工艺，采用喷射的方法，能够产生 较大的充型压力，得到清晰的铸件外形轮廓。跟一般意义上的压铸相比，半固态 铸造技术的生产效率更高，铸件质量更好；由于采用该技术，生产过程中，铸件 的异常复杂结构部分可以采用砂芯成形，生产灵活性更多，能生产结构更为复杂 的缸体。 本田公司开发出“先进半固态铸造技术 ，并在其最新的2 2 l 柴油机铝合金 缸体生产上得到成功应用。其最大一个优点为，该工艺生产出来的铸件能够消除 气孔，因此可以采用固溶、时效处理来大幅度提高缸体强度。相比同尺寸的普通 6 江苏大学硕士学位论文 灰铸铁缸体，质量减轻了1 5 公斤，刚度却显著增加。 1 1 3 2 精密组芯造型工艺介绍 以上常用铸造工艺虽然有很多值得使用推广的部分，但由于非砂型铸造类方 法高成本、研发周期长、新产品开发不灵活的普遍缺点，使得越来越多的人更关 注精密砂型铸造方案。以往砂型铸造尽管成本便宜，但生产复杂大型薄壁类产品 时始终达不到合理的表面精度要求，且由于生产复杂缸体时腔体过大过复杂，难 以找到对应的砂箱，内部造型难以控制，这一缺点影响了砂型铸造方法的深入推 广。直到近年来精密砂型组芯造型工艺的出现，才解决了这一重大问题。国外采 用此方法铸造复杂薄壁铝合金结构件，尺寸精度可控制在( 1 0 0 0 _ 0 5 ) m m ，铸件 性能达到材料极限性能，由此可见，精密砂型组芯造型工艺是铸造复杂薄壁铝合 金缸体的有效方法【1 9 刎。 组芯工艺( c o s w o r t h ) ，即用组芯技术生产铸件，组芯由单个砂芯组合而成。 组芯技术与湿型砂工艺相比的优势在于尺寸精度高、大量减少了砂的循环、采用 气体硬化单一芯砂系统( 添加有机树脂的芯砂可有效地回收，回收率达9 5 以 上) 。该方法特别适合生产具有复杂腔体结构的缸体铸件。 c o s w o r t hr & p 公司的工程师们为了得到无缺陷、高精度、好性能、低成本 的铝合金铸件，发明并使用了c o s w o r t hp r o c e s s ( 冷芯盒组芯造型，下文简称c p ) 法，主要用于生产一级方程式赛车的高质量的c o s w o r t hd f v 铝合金缸体、缸 盖等铸件，并推广到广泛铝合金铸件制造上，获得了巨大成功。c o s w o r t hr & p 公 司的c p 法是一种采用锆英树脂自硬砂的组芯造型，在可控气氛、压力下充型的 精确砂型铸造复合工艺。该工艺采用锆英砂与s 0 2 或者a s h l a n d 二乙胺固化呋 哺树脂成型，采用可编程控制的电磁泵来实现可控压力下控制铝液充填铸型的速 度，使铝液自下而上平稳地充填铸型【2 1 2 2 】。 用该工艺生产的铝合金铸件具有组织致密、含气孔极少、铸件表面光洁、尺 寸精确、加工余量少等优点，因而特别适合于生产质量要求较高、形状复杂的汽 车铝铸件。与金属型相比，其成本降低1 0 2 0 ，铸件性能有很大提高，尤其 是疲劳强度提高明显，适用于复杂薄壁铝合金铸件的生产。组芯造型工艺铸造能 7 组芯造型工艺条件下提高铝缸体铸件性能的研究 力( 批量) 、设计柔性、铸件的有效质量都较高。在工艺方面，资金投入较低， 工艺稳定性高，工艺质量高，生产率高。可以说c p 法在高强、薄壁、高致密度 铝合金铸件的生产上有着独到的优势。 1 4 影响精密组芯造型铸件性能的主要工艺因素及检测 1 4 1 主要工艺因素 目前通过组芯技术生产复杂精密铝合金铸件的方向已经基本确定，要想进一 步提高力学性能，达到工业化生产薄壁铝合金缸体铸件的目标，一般是在现有合 金的基础上，通过优化工艺因素提高合金性能，挖掘合金性能潜力。因此，研究 不同工艺因素对舢s i 合金的影响机理，提高其综合力学性能，是建立系统复杂 薄壁铝合金结构件铸造技术的关键。 铸造越s i 系合金的铸造性能比较好，但力学性能水平不高。要提高铸造 舢一s i 系合金性能，首先对合金组织分析。从相组成上来看主要有a 相、共晶a + d 相以及其他的强化相，提高合金性能首先应强化q 相，细化o t 相晶粒，改变对力 学性能影响较大的p 相的形态和分布，并减少杂质相。因此，目前的主要措施是 对铸造舢s i 合金进行成分优化和控制杂质元素含量、净化合金熔体、通过熔体 处理改善合金组织结构、调整热处理工艺等来提高其综合性能【1 5 】。同时要注意 铸造舢s i 系合金的延展性能较差，想要提高铸造舢s i 系合金性能，需在提高 强度的同时，重点保证或提高合金的伸长率。对精密组芯造型来说，必须优化下 列工艺因素： 1 砂型的选择 砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成 批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。制造砂 型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂。最常用的铸造砂是硅质砂。硅砂的高 温性能不能满足使用要求时则使用锆英砂、铬铁矿砂、刚玉砂等特种砂。 和通常的湿砂型不同，精密组芯造型采用树脂于砂，其热导率、蓄热系数和 激冷系数明显低于湿砂型，因此砂型的选择对精密组芯造型铸件的性能有十分重 8 江苏大学硕士学位论文 要的意义。不同砂型的激冷系数不同，影响铸造合金微观组织中二次枝晶间距， 从而影响合金的力学性能，其影响程度超过晶粒的大小。随着二次枝晶间距的缩 小，合金的力学性能通常会有所提高。通常会使用高冷却速度或极短的局部凝固 时间的方法来减小合金的二次枝晶间距，提高合金的性能。合理的选择造型材 料，根据不同要求选择的砂型能够影响铸造温度梯度，促进晶粒细化，从而使得 铸件强化。 ( 1 ) 普通硅砂 硅砂是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，其主要矿物成分是 s i 0 2 ，硅砂是铸造生产中最基本的造型材料，硅砂质量的好坏直接影响铸件的质 量。硅砂耐火度低，在浇注大型铸钢件时会产生严重的粘砂和金属渗透等缺陷； 硅砂的热膨胀系数大，容易引起铸件开裂或变形，影响尺寸精度。 近些年来树脂砂、覆膜砂、酯硬化水玻璃自硬砂等先进工艺的迅速发展，对 铸造用硅砂的质量提出了更高的要求。 ( 2 ) 铬铁矿砂 主要由f e o 、c r 2 0 3 组成。适合铸造用的铬铁矿砂中c r 2 0 3 含量应不低于3 0 。 铬铁矿砂( f e o 、c r 2 0 3 ) 为黑色或条纹褐色，半金属光泽，半透明矿物。铬铁 矿砂具有优良的激冷特性，同时还有化学稳定性好，线膨胀系数小，对人健康不 造成危害等一系列优点，更适合于作为强度要求高的铸件，但是由于其强烈的激 冷效果使得金属液流动性变差，因此不适合做形状复杂铸件的造型材料，我国铬 铁矿矿石资源贫乏，主要依赖进口，铬铁矿砂价格是普通砂的8 1 0 倍，价格昂贵， 其使用受到限制 2 4 2 5 1 。 ( 3 ) 宝珠砂 宝珠砂是近年来出现的一种新型人工铸造用砂，又叫球形砂、陶瓷砂等。宝 珠砂为非硅砂，多呈黑棕色球形，主要成分为a 1 2 0 3 约7 5 。8 5 ，s i 0 2 5 1 5 ， t i o 丕1 5 。 宝珠砂具有以下优点：热膨胀系数小，性能可与锆英砂媲美，用其配制型砂， 铸件不会产生膨胀缺陷；砂粒为球形，流动性好，易舂实，且透气性好；表面光 滑，结构致密，使得粘结剂能均匀覆盖；宝珠砂属中性材料，酸、碱粘结剂均可 o 组芯造型工艺条件下提高铝缸体铸件性能的研究 使用；回用再生性能好，性价比高，与铬铁矿砂、相比，其价格只有铬铁矿砂 2 5 - 5 0 ；耐火度高，易溃散，具有良好的耐火性。 缺点也相当明显：铸件表面粘砂严重，清砂困难。受耐火度( 石英砂的耐火 度在1 4 0 0 。1 7 0 0 之间) 的限制，铸件局部( 孔、槽、及热节集中的部位) 粘 砂严重，清理十分困难。上述缺点在大型铸钢件的生产中尤为严重，宝珠砂如能 克服这些缺点，将大大提高铸件的质量。 2 变质剂的选择 合金液的变质处理大致分为共晶组织的变质和初生晶体的变质。对于砧s i 合金而言，变质处理能够细化共晶硅，改善共晶硅的形态；提高近共晶铝硅合金 中a a 1 相的数量，细化q 舢枝晶；细化铝硅类合金中的金属化合物，改善金属 化合物的形态及分布状况【2 6 】；提高热处理时硅的球化速度，降低热处理时硅的 粗化速度；明显提高铝硅合金的力学性能、切削加工性能及导电性【2 7 1 。迄今为 止已发现碱金属中的k ，n a ，碱土金属中的c a ，s r ，稀土元素e u ，l a ，c e ，r e ( 混 合稀土 ) ，氮族元素s b ，b i ，氧族元素s ，t e 等均具有变质作用。但目前较常用 的变质剂为n a 、s b 、s r 以及稀土元素等【捌。国内常用的变质方法有n a 变质( 因 副作用较大目前已逐渐开始淘汰) 、a i 1 0 s r 中间合金变质、混合稀土变质等。 3 晶粒细化剂的选择 经研究发现，如向a 3 5 6 合金中加入微量的细化元素作为添加剂，其宏观晶 粒和微观组织就可得到明显的细化，合金的强度、塑性、耐磨性及热稳定性等均 可得到明显的提高。细化处理的最基本原理是异质形核理论，即增加形核核心的 数量，于是从形核到生长转变时会形成大量小晶体，在随后长大的过程中，它们 会互相碰撞，彼此间的生长速度受到相互抑制，从而可形成细小的等轴晶。可见， 增加形核过程中晶核数量和抑制晶粒长大是晶粒细化的关键【2 9 】。 目前国内外常用的细化剂为二元合金砧t i 和三元合金舢t i b ，前者含有 许多金属间化合物舢3 t i 粒子，可以作为非均质形核基底，促进口枷成核，从而 使铸态组织细化。后者形核相主要是a 1 3 t i 和t i b 2 ，该类高熔点化合物结晶比铝 固溶体晶粒早，尺寸小而且弥散分布，且具有与铝相近的晶格类型和晶格常数， 或具有共格对应晶面，可作为铝固溶体的结晶核心，使铝固溶体晶粒细化。同时 1 n 江苏大学硕士学位论文 加入n 和b ，可以显著提高晶粒细化效果。 4 除气与净化熔体 为获得高质量的铸件，需要在浇注前拥有高质量的合金熔液，要求包括( 1 ) 化学成分符合国家标准，合金液成分均匀；( 2 ) 合金液纯净，气体、氧化夹杂、 熔剂夹杂含量低；( 3 ) 需要变质处理的合金液变质良好。为此需做好预防和精炼 工作，预防即防止原材料、熔炼工具、操作过程、工艺规程等方面对熔液造成的 危害，精炼的目的在于清除熔液中的气体和各类有害杂质，净化铝液，防止在铸 件中形成气孔和夹渣【则。 过去常用固体精炼剂如氯盐等精炼，加入铝液后产生c 1 2 与h l c h 等参与净 化，效果明显，但由于有污染，对人体有害，故使用较少。后来企业常用向铝液 通入氮气或其他惰性气体的方法，取得较好的效果，尤其通入气和锶变质结 合，精炼与变质步骤可同步进行，精炼时氩气泡对铝液起搅拌作用，加速变质元 素扩散，从而缩短锶变质的潜伏期，提高生产率，产品密度高于先精炼后变质的 产品，成为企业生产常用净化方式。 5 热处理【3 1 】 热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表 面或内部的金相组织结构，来控制其性能的一种金属热加工工艺。热处理的目的 有以下几点：( 1 ) 充分提高铸件的力学性能，保证一定塑形，提高合金抗拉强度 和硬度，改善合金的切削加工性能等；( 2 ) 消除由于铸件壁厚不均匀、快速冷却 等所造成的内应力；( 3 ) 稳定铸件的尺寸和组织，防止和消除因高温引起相变产 生体积胀大现象；( 4 ) 消除偏析和针状组织，改善合金的组织和力学性能。 砧s i 合金具有优良的铸造性能，但是铸态下力学性能较差，往往无法满足 使用要求。通过热处理工艺可以在很大程度上提升舢s i 合金的机械性能，提高 材料应用范围。相对铝合金而言最常用的热处理强化工艺为固溶处理( 淬火) 和 人工时效实现的。固溶处理实质是将工件加热到尽可能高的温度，在该温度下， 保持足够长的时间，使强化相充分溶入a 固溶体，随后快速冷却( 水淬或油淬) ， 使高温时的固溶体，呈过饱和状态保留到室温，从而使固溶体获得强化。合金强 度提高，塑性降低。时效处理时也多采用人工时效以保证性能，在时效处理时过 1 1 组芯造型工艺条件下提高铝缸体铸件性能的研究 饱和固溶体发生分解，固溶体结晶点阵的畸变迅速恢复为平衡状态，晶格内应力 显著下降，材料经时效处理后表现出塑性上升、强度下降的特征。 1 4 2 晶粒度与二次枝晶间距及其检测 合理的工艺参数可以获得具有优良力学性能的铸件，高强性能可以通过金相 组织的直观观察得出，晶粒度和二次枝晶间距可以作为致密组织的表征，通过观 察计算不同组织的晶粒度、二次枝晶间距，与其力学性能的关系，可以得出对应 的关系式，方便快速观察复杂铸件的性能是否合格。 1 晶粒度【3 2 】 表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。晶粒大小对金属的拉伸强度、韧性、塑性等 性能都有一定的影响。测定平均晶粒度常用比较法，也可用截点法和面积法。 在显微组织中，晶粒尺寸和位置都是随机分布，因此，只有随机选取三个或 三个以上代表性视场测量平均晶粒度才有代表性，只有这样测定结果的准确性和 精确度才是有效的。 本文采用在金相试块上选取五个点拍摄图片，并根据面积法利用金相软件计 算得出铸件平均晶粒度。 2 二次枝晶间距( d a s ) 二次枝晶间距( d a s ) 指的是二次枝晶之间的距离，是铸造铝合金一个重要的 结构特征。二次枝晶间距可以描述合金的细化程度，对合金力学性能的影响非常 显著，影响程度超过晶粒度，其大小直接影响铸件的力学性能【3 3 j 。 二次枝晶间距d a s 是由冷却速率和合金性质决定的，在合金成分一定时，主 要影响因素是冷却速率( 凝固时间) 。冷却速率对枝晶间距的影响很显著，冷却速 率越大，结晶过冷度越大，枝晶的形核率越高；凝固时间越短，二次枝晶间距就 越小。d a s 越小，晶内偏析、缩松等铸造缺陷及夹杂物的含量在晶内趋于均匀， m g 、s i 等元素在固溶加热时扩散、迁移的距离越短，越可能在低温或短时间均 匀化，硅颗粒越细小、圆整，塑性越好【3 4 1 。 通常利用枝晶法计算二次枝晶间距，任取一组树枝晶，测量其总长度，用总 长度除以含有枝晶的个数，然后再结合放大倍数因素计算d a s 。本文中对每个 1 2 江苏大学硕士学位论文 金相试样选取五个随机的点，拍摄x 1 0 0 金相照片，对于同一照片取5 次测量结 果，取其平均值【3 5 1 。 在众多对二次枝晶间距的研究中为方便表述d a s 与其他因素的关系，建立了 许多相关经验公式，这些利用回归分析法建立的关系式为指导企业生产，探讨合 金凝固机理提供了很大的帮助。 根据传热传质理论所推导的金属冷却速率与二次枝晶间距的经典关系式如 下： d a s = d v l 届 ( 1 1 ) 式中p 是与合金成分、冷却条件等有关的常数。 u t s 瓠- 3 d a s ( 1 - 2 ) 式中：u t s 为最大抗拉强度；d a s 为二次枝晶间距，a 和p 是相关常数。可见 减d x d a s 会使铸件的强度增加，所以对d a s 的研究具有很重要的意义【3 4 1 。 本文参考上述经验结论，尝试结合公司试验条件，利用回归分析手段，模拟 建立铝缸体主要力学性能与二次枝晶间距之间的对应关系，为企业质量快速检测 和控制提供便利。 1 5 课题研究目的、方法和内容 1 5 1 课题研究的目的及意义 铝合金在汽车工业上的应用越来越广泛，生产全