車用發動機鋁合金缸蓋低壓鑄造工藝方法

遲龍飛

(廣州汽車集團乘用車有限公司，廣東廣州 511434)

0 引言

隨著我國汽車行業的迅猛發展，對整車輕量化和整車油耗要求不斷提升，基于生產成本和力學性能的考慮，擴大鋁合金鑄件的應用是目前解決上述問題的主要手段。發動機缸蓋已完全實現使用鋁合金的制造，國內主流的鋁合金缸蓋鑄造方法主要分為兩種：翻轉鑄造(亦稱為重力鑄造)和低壓鑄造。其中，低壓鑄造以其自動化程度高[1]，充型壓力和充型速度便于控制，充型平穩，沖刷力小，液流和氣流的方向一致，氣孔、夾渣等缺陷較少，鑄件組織較高壓鑄造致密，補縮冒口小，金屬利用率提高到90%～98%，成本低等特點，在國內的各大車企含豐田、本田、日產等合資企業，均普遍以低壓鑄造工藝生產發動機鋁合金缸蓋。本文作者以某日系合資發動機制造企業生產的鋁合金缸蓋為例，介紹發動機鋁合金缸蓋低壓鑄造的砂再生、砂芯造型、澆注、及熱處理工藝和過程控制要點，并對常見不良提供大致的解決方向及理論基礎。

1 鋁合金缸蓋整體低壓鑄造流程

根據目前主流的發動機鋁合金缸蓋制造流程，可分為五大工序，詳見表1。

表1 低壓鑄造缸蓋五大工序流程

特別的，對鋁液溶解、砂芯模、外模整備同樣屬于低壓鑄造的重要工序，但主機廠出于布局約束、品質管控成本等方面的原因，有可能將鋁液溶解工序部分進行委外處理；模具整備則一般從屬于輔助部門進行管理。

2 各工藝方法及相關過程控制要點

2.1 鋁液溶解工序

從低壓鑄造生產線回收的澆冒口、切屑切粉與鋁錠混合后投入溶解爐，作業人員需對溶解后的鋁液進行成分檢測，不同牌號鋁液成分稍有差異，表2為牌號AC2C鋁液成分一般控制要求。

表2 牌號AC2C鋁液成分一般控制要求

表3給出了各微量元素對產品的相關影響，對于工藝控制具有參考意義。

表3 各微量元素對缸蓋品質的影響

因鋁液的含氣量將極大地影響低壓鑄造缸蓋品質，在鋁液出庫及澆鑄前均需對鋁液的含氣量進行測定，目前一般采用減壓凝固法，比重值2.60 g/cm3以上的鋁液判定為合格，可進行澆鑄生產，如比重不達標，則可通過GBF，向鋁水內部投入除渣劑，并通入氬氣或氮氣等惰性氣體，達到改善的目的。表4展示不同比重值鋁樣切斷的內部狀況。在生產過程中，鋁液的出湯溫度及配湯溫度亦為重要管控點，出湯溫度、配湯溫度及澆鑄溫度根據工藝進行階梯遞減設置，一般適宜的澆鑄溫度為680～700 ℃[2]。

表4 不同比重值鋁樣切斷對比

2.2 砂再生工序

砂再生工序是將各工序收集的廢砂，含砂處理造型機、低壓鑄造機、后處理設備及熱處理回收干燥砂等，通過振動破碎，混合后投入加熱爐中進行焙燒，用于清除砂子內的不純物，并添加適量新砂用于補充過程損失量，以及調節砂粒度。加入黏結劑(酚醛樹脂)，硬化劑(硬脂酸鈣)，和烏洛托品溶液用于增加流動性，在混煉爐內進行攪拌混煉，最終生產的混煉砂需經過發氣量檢測、抗折強度檢測、粒度檢測等品質檢查，方可用于砂芯造型[3]。該工藝采用石英砂與酚醛樹脂成型,由于石英砂的熱膨脹率很小而且恒定,因而鑄件的尺寸精確度高，其加工面的加工余量可達1.5 mm[4]。

砂再生過程中需重點關注各工序砂溫，砂溫異常將影響混煉效果以及出現不純物超差的情況，混煉過程中除需規定藥品投入時間及用量外，還需定期測定混煉爐內飛輪與爐壁間的間隙，長期使用情況下飛輪與爐壁間隙增大，影響混煉效果。砂加熱爐需定期點檢鼓風機壓力值、加熱器火焰電壓值、集塵機負壓值等重要條件，以保證混煉砂質量。

2.3 砂芯造型工序

鋁合金低壓鑄造缸蓋一般需要制作進排氣道砂芯、水道砂芯，由于對發動機性能和效率要求不斷提高，目前缸蓋水道設計也逐漸復雜，所需砂芯數量也將隨之增加，但基本可以使用頂吹式和側吹式砂芯造型機進行生產。進、排氣道砂芯采用側吹式砂芯造型機生產，水道砂芯采用頂吹式砂芯造型機生產，生產過程需對砂芯厚度進行測量，確保模具合模間隙，模具溫度需保證在±10 ℃以內，可通過測溫熱電偶以及溫控表進行PID控制，以保證砂芯燒成厚度。圖1為氣道砂芯一般切斷部位，用于確認砂芯燒成厚度，圖2為氣道砂芯燒成厚度。

圖1 氣道砂芯一般切斷部位

圖2 氣道砂芯燒成厚度實物

2.4 鑄造工序

生產完畢的砂芯配送至低壓鑄造機工位，將砂芯放置在鑄造外模后啟動鑄造機，通過向鋁液保持爐內壓入干燥的壓縮空氣，壓縮空氣作用于鋁液表面，將鋁液通過升液管壓送至型腔內部，與模具、砂芯共同成型為缸蓋。圖3為一般低壓鑄造機的示意圖。保溫爐為三坩堝式連續爐，分別為配湯坩堝、保持坩堝及加壓坩堝，內部通過流道連通，可實現連續式鑄造[5]。

圖3 低壓鑄造機示意

表5為常見的缸蓋低壓鑄造不良表象和對策方向[7]。

表5 缸蓋低壓鑄造不良表象和對策方向

鑄造工序作為缸蓋低壓鑄造最重要的工序，涉及模具本體、水冷系統、空冷系統、加壓系統和排氣系統等重點管理要素。正常生產條件、節拍穩定前提下，通過空冷、水冷系統的控制，模具溫度應在合理的范圍內波動，以保證鑄造的良品條件。模具表面應按規定涂布涂料，并使用膜厚計定期測定和補噴，噴涂區域存在基準、排氣塞、燃燒室鑲塊等重點部位的，涂模過程中需使用涂模擋板遮擋，避免涂料厚度異常。模具溫度實時監控，防止異常停機或節拍不一致導致的模溫不均勻，進而影響產品品質。加壓系統方面，定期點檢加壓控制閥及保持爐加壓室內壓力傳感器[6]，保持壓縮空氣干燥，定期更換湯口盆和升液管，保證爐內密封，避免加壓壓力不足導致的缸蓋補縮不足。模具排氣槽、排氣塞、頂桿及負壓抽氣系統定期清理，確保排氣通暢。由于鑄造工序需維持的良品條件眾多，相關參數的細微變更即可能影響缸蓋品質，必須依據工藝方案及澆注工藝進行異常的調查和對策。

2.5 后處理工序

后處理工序難度較低，主要工序內容涉及二維碼的刻印(產品的追溯)、打擊落砂、澆冒口切斷、毛刺清理及外觀檢查。其中重點工序為打擊落砂工序，打擊頭錘擊的部位在產品設計初期即需進行明確，按照長期生產經驗所得，打擊落砂前缸蓋表面溫度需盡量在60 ℃以下，以避免缸蓋內部出現打擊裂紋，所以應在鑄造工序的毛坯冷卻裝置和后處理工序的投入輥道上設置相應的中轉手持，同樣，打擊錘氣壓需定期點檢，差壓值控制在±0.03 MPa，以使打擊力度均勻。

2.6 熱處理工序

熱處理工序也是缸蓋低壓鑄造的重點工序，采用回轉式T6熱處理爐進行生產，單爐內共十列五層貨架，每層貨架放置兩件缸蓋，整爐除搬入搬出門工位可同時處理90個工件。嚴格設定固溶、固溶至水槽、時效及空冷時間。整體流程共約5.5 h，圖4為熱處理爐整體時序圖。

圖4 T6熱處理整體時序

日常生產過程中，需對爐體水平、爐體保溫進行定期點檢，加熱系統包括鼓風機壓力值、加熱器火焰電壓值、LNG、空氣比例閥作為重要項目進行管控。熱處理過程采取年度實體測溫的方式以確認缸蓋本體是否可以達到熱處理要求，日常缸蓋品質保證由熱處理爐氛圍溫度熱電偶及溫控表進行反饋補償控制。淬火水槽溫度要求控制在(85±5) ℃，由開放式冷卻水塔進行補水冷卻，溫度低下時使用水槽內的加熱器進行升溫控制[8]。熱處理后采用便攜式硬度計對缸蓋硬度進行全檢，對水道腳部砂芯易斷裂的部位采用通光度設備全檢，以保證水孔開度。

3 結束語

面對國內汽車鋁合金低壓鑄造缸蓋需求的不斷增加,提高國內低壓鑄造技術水平和工藝水平已刻不容緩,目前合資工廠的低壓鑄造缸蓋水平已達世界先進水平，相信通過不斷努力，國產低壓鑄造缸蓋也能夠走向世界，為一線整車廠商配套。由于時間、篇幅等限制，文中還有許多待改進和研究的地方，特別是模具的設計、鑄件的溫度場、加壓保壓時間和壓力的控制還有待進一步的研究和探討。