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【技术干货】以某汽车缸体为实例对象,研究汽车用铝合金压铸件的慢压射工艺参数

浏览:30 发表时间:2020-08-27 09:56:11

摘要:采用光学显微镜、 X 射线探伤、模流分析等手段,结合正交试验和力学性能检测,研究慢压射工艺对 YZAlSi9Cu3 发动机气缸体压铸件组织和力学性能的影响。结果表明,发动机气缸体加工面气孔主要由慢压射工艺设计不合理导致,慢压射速度大于0.4m / s时,铸件卷气量较大, Al 液包裹冲头油燃烧产生胶状物较多,铸件综合性能下降;慢压射速度设为 0.2m / s 时,铸件组织致密,含渣量较少,气孔率低,力学性能较好。





关键词   气缸体;慢压射;正交试验;卷气;力学性能





铝合金压铸过程中,由于产品结构、铸造条件和压铸工艺等原因,造成铸件出现各种内部缺陷。理论和实际经验表明,高速及切换点、浇注温度、铸造压力、模具温度等参数是引起压铸件缺陷的重要因素。其中,脱模剂喷涂、料筒尺寸、低速速度等因素也是引起铸件气孔的重要原因。但是,有关该方面的研究报道很少[1-11]。





本课题以某汽车气缸体为研究对象,利用正交试验探寻表面气孔的主要因素,并设计力学试棒,结合光学显微镜、 X 射线探伤、模拟软件,分析铸件的组织、力学性能和表面品质,探究不同的慢压射工艺对铸件综合性能的影响。





一、铝合金缸体结构及成分分析





某汽车发动机缸体铸件毛坯质量为9.2kg ,采用布勒28000kN 冷 室 压铸机压铸,铸 件 材 质 为 YZAl -Si9Cu3铝合金,成分见表1 。对重点部位加工检查发现,缸体的下安装表面出现零星气孔,在螺纹孔附近偶尔有缩孔。分析表明,气孔主要由压铸过程的卷气导致,而缩孔主要由 Al液凝固收缩不均引起。而卷气又产生于慢压射和快压射两个阶段,快压射阶段卷气受铸件结构、模具设计、内浇口速度等因素的约束,调整难度较大。因此,本课题从慢压射工艺出发,探索慢压射工艺参数对压铸件综合性能尤其是气孔缺陷的影响。








二、铝合金压铸件工艺参数设计





2.1  正交试验设计





根据汽缸体压铸件的结构特点,主要研究快压射速度、高低速切换位置和慢压射速度对铸件表面气孔和力学性能的影响。设计了3因素3水平正交试验,见表2












同时,为了研究工艺参数对铸件组织的影响并结合实际的气孔、缩孔判定标准,检查项目为气孔率和抗拉强度。其中,气孔率按照单位面积气孔数与气孔大小综合判定;抗拉强度采用拉伸试样进行试验,试样见图 1 。













2.2慢压射工艺参数设计设计了 8 种慢压射工艺,其中, 1 工艺为抛物线变加速运动,2工艺为匀加速运动,见表3 , 3~8工艺均为匀速运动,分别为 0.1 , 0. 2 , 0. 3 , 0.4 , 0. 5 , 0.6m / s 。其他主要工艺参数:高速为2.5m / s ,高低速切换点为680mm , Al液浇注温度为675℃ ,铸造压力为90MPa 。采用压铸活塞直径为  150mm ,料筒长度为 1170mm ,料筒填充率为52% ,试验只执行慢压射操作,即Al液不同速度的匀速慢压射断面。可以看出,低速越高, Al液在压射过程中紊流越严重,导致卷气量越多。当低速推至内浇口附近,待 Al 液冷却后将其推出。







三、试验结果分析





3.1  正交试验结果分析





本试验采用抗拉强度来评价铸件的力学性能。同时,试验还需考察铸件表面的气孔缺陷。每组选取 25个试样,共 225 个试样。表 4 为正交试验方案及结果。从极差结果来看,因素 C 的不同水平对结果影响最大,因素 A 的次之,因素 B 影响最小。最佳工艺参数组合为 A 1 B 3 C 1 ,即快压射速度为2.5m / s 、高低速切换点为 700mm 和慢压射速度为 0.2m / s 。





3.2  慢压射工艺结果分析





为直观了解不同慢压射状态下 Al液的卷气情况,制作慢压射铸件在内浇口附件的纵截面试样。图2为3.2  慢压射工艺结果分析为直观了解不同慢压射状态下 Al液的卷气情况,制作慢压射铸件在内浇口附件的纵截面试样。图2为超过0.4m /s时,Al液卷气尤为严重,铸件上端出现较大缩孔,且组织不致密。







三、试验结果分析





3.1  正交试验结果分析





本试验采用抗拉强度来评价铸件的力学性能。同时,试验还需考察铸件表面的气孔缺陷。每组选取 25个试样,共 225 个试样。表4为正交试验方案及结果。从极差结果来看,因素 C 的不同水平对结果影响最大,因素 A 的次之,因素 B 影响最小。最佳工艺参数组合为  A 1 B 3 C 1 ,即快压射速度为2.5m / s 、高低速切换点为 700mm 和慢压射速度为 0.2m / s 。







因此,慢压射速度尽量小一点,但考虑到 Al 液在较低速度下容易形成冷硬层和延长压铸周期,慢压射低速选择0.2~0.3m /s为宜。匀加速慢压射断面组织比较均匀,卷气量较少,与匀速0.2m /s效果类似,见图3a ;而抛物线加速慢压射整体情况较匀加速差一些,在铸件上端存在密集细小卷气,见图3b 。并且,抛物线加速设置复杂,压铸机执行加速度能力较差,所以,慢压射不宜设置抛物线加速。






3.3  慢压射的铸件性能分析





为了进一步探究慢压射速度对铸件内部组织的影响,选取第 4 组( 0.2m / s )和第 7 组( 0.4m / s )两组工艺,其他参数保持一致,从铸件组织结构、气孔分布两个方面进行对比分析,见图 4 。








可以看出,较高的慢压射速度容易使 Al 液紊乱,使冲头油燃烧物被 Al 液包裹,形成孔洞类缺陷,若缺陷出现在关键部位会严重影响铸件性能。0.2m / s下的合金组织比0.4m / s下的更致密,铸件含渣量少而小,分布均匀。采用0. 4m / s的慢压射速度压铸工艺,铸件加工面出现分散气孔;而采用 0.2m / s 的慢压射速度在铸件加工表面没有气孔,见图 5 。








通过上述试验可知,在试验料筒填充率为 52% 的前提下,较小的慢压射速度有利于 Al液平稳流动,卷气少,气孔较少,且 Al液平稳流动利于冷硬层和冲头油燃烧物集聚在液流的后方并最终大概率地留在浇道或料饼中,提高铸件品质。经验表明,为避免低速卷气,





料筒填充率不应低于35% 。因此,慢压射选择低速度为宜。





四、结   论





(1 )随着慢压射速度增加,铸件卷气量增加,铸件组织不致密,含渣量较多,宜选择0.2~0.3m / s的慢压射速度。





(2 )采用加速度慢压射对铸件的综合性能无较大影响,但工艺设置稍显复杂,因此,慢压射宜选择0.2~0.3m / s 的匀速速度。





参   考   文   献





[ 1 ] 薄兵 . 汽车用铝合金压铸件的工艺优化与组织及缺陷控制[ D ] . 南京:东南大学,2017.

[ 2 ]白砚飞.慢压射铝合金压铸件组织与性能的研究[ D ] .广州:华南理工大学, 2007.

[ 3 ]吴春苗 . 压铸技术手册[ M ] . 广州:广东科技出版社,2007.

[ 4 ]陈国桢,肖柯则,姜不居 . 铸件缺陷和对策手册[ M ] . 北京:机械工业出版社,1996.

[ 5 ]纪莲清,熊守美,村上正幸,等 . 铝合金超低速压铸工艺参数对铸件性能的影响[ J ].铸造,2007 , 56 (10):1056 -1061.

[ 6 ]杨诚,杨兴国,唐和雍,等 . 铝合金压铸件浇口夹渣的分析及改善[ J ] . 特种铸造及有色合金, 2015 , 35 ( 11 ):1 181 - 1 183.

[ 7 ]杨兴国 . 压铸铝合金发动机汽缸体气孔分析及对策[ J ] . 特种铸造及有色合金, 2019 , 39 (5 ):524 - 526.

[ 8 ]张臻 . 基于 X 射线测量的铝合金铸件微观缺陷预测及分析[ J ] . 铸造技术, 2014 ,35 ( 11 ):2 760 - 2 762.

[ 9 ]肖世龙,黄勇,安振须,等 . 基于数值模拟的铝合金泵体压铸模具及工艺优化[ J ] . 特种铸造及有色合金,2016 , 36 ( 6 ):605 - 608.

[ 10 ]杨兴国 . 高锌压铸 ADC12ZS 合金性能的研究[ J ] . 特种铸造及有色合金, 2019 ,39 ( 1 ):38 - 41.


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