先进铸造工艺在汽车制造中的应用

先进铸造工艺在汽车制造中的应用

绪论：随着铸造工艺的不断创新，汽车制造业也随之不断进行着技术改革。本文着重介绍几种先进的铸造工艺的原理、方法及其在汽车制造业中的应用。

关键词：汽车制造壳型铸造半固态铸造挤压铸造消失模铸造

1 壳型铸造在汽车行业的应用

1.1 壳型铸造

壳型铸造就是利用遇热硬化的型砂覆盖在被加热的金属模板表面，使其硬化后形成一层薄壳，用薄壳铸型生产铸件的铸造方法。型砂一般为硅砂或锆砂与树脂的混合料或树脂覆模砂，浇注铸件金属模板的加热温度一般为300℃左右，所形成的薄壳厚度一般为6～12毫米，但其具有足够的强度和刚度，耐高温。因此将上下两片型壳用夹具卡紧或用树脂粘牢后，不用砂箱即可构成铸型。同样也可用上述方法将型芯制成薄壳芯，制造薄壳铸型常用翻斗法，制造薄壳芯常用吹制法。

1.2 壳型铸造流程

1.2.1 造型材料的准备

1、树脂与硬化剂的准备：树脂与等量的12%的乌洛托品硬化剂混合并碾碎，之后

通过100号筛，过筛后再次放入混砂机内混合，以确保硬化剂与树脂混合均匀，最后通过瓷球球磨机研磨30分钟，储存在干燥器中备用。

2、型砂准备及活性处理：根据所要制作的铸件造型选用合适的砂型，将选好的砂

粒转入耐热铁箱内，经过900℃的热处理2小时，自然冷后取出，储存在干燥器

中备用。

1.2.2 结壳

1、将模板或者芯盒放在400℃的炉温内加热。

2、加热后取出模板或芯盒，喷以分型剂，喷好分型剂后模板温度不应低于220℃。

3、将模板或芯盒卡紧在翻斗或者吹芯机上结壳，使型砂均匀覆盖在模板或者芯盒

上，结壳厚度为6～12毫米。

4、取下模板及芯盒，在400℃炉温下硬化，硬化后利用顶壳机顶出壳体。

1.2.3 合型和浇铸

合型通常有粘合法和夹合法两种。粘合法多用一级反应树脂做粘合剂，通常在壳型温度较高时进行粘合，或者另行加热粘合，粘合法可以保证最快的粘合速度。夹合法则

是通过手工操作利用机械工具进行合型，具有最高的合型质量，在进行串叠浇铸时更为优越。

1.3壳型铸造特点

用树脂砂制造薄壳铸型或壳芯可显著减少使用的型砂数量，并且合理的布局设计能够提高效率。覆膜砂特别适用于复杂薄壁精密的铸铁件(如汽车发动机缸体、缸盖等)以及高要求的铸钢件(如集装箱角和火车刹车缓等零件)的生产，可有效消除粘砂、变形、热裂和气孔等铸造缺陷。壳型铸造所获得的铸件轮廓清晰，表面光洁，尺寸精确，可以不用机械加工或仅少量加工，对模具的损耗较其他铸造方式小很多，特别适用于生产批量较大、尺寸精度要求高、壁薄而形状复杂的各种合金的铸件。但成本较高，主要由于制壳所使用的树脂价格较为昂贵，模板必须精密加工，成本较高，在浇注时还会产生有刺激性的气味，处理不当会造成环境污染。能使铸件表面更加光洁，尺寸更加准确，可缩短生产周期，而且铸模可用自动机械制成（必须采用射芯机），不需要熟练工；尤其适用于各种金属中小型铸件的成批和大量生产

1.4 壳型铸造在汽车制造行业的应用

1.4.1 凸轮轴

凸轮轴是发动机配气机构的主要机件之一，凸轮轴的质量关系的发动机的性能的好坏。实际应用中凸轮轴的主要失效方式是磨损（磨料磨损）、刮伤（粘着磨损）、疲劳（点蚀剥落）。根据凸轮轴的工作状况和主要失效方式，要求凸轮轴材料有较高的强度和硬度，同时由于凸轮轴负责发动机的进气门与排气门的开通和闭合，所以要求凸轮轴具有很高的精度，虽然可以通过二次加工获得，但会导致材料利用率降低，而采用壳型铸造则会大大减少加工余量，提高材料利用率。

发动机凸轮轴壳型

1.4.2 发动机摇臂

由于摇臂的筋厚尺寸不恒定，冷加工装夹具为鼓轮式，约有20%无法装卡加工，加工面多，废品率高达10-15%(由于铸造毛坯问题造成加工废品)。如果用失蜡精密铸造工艺进行生产，由于其工艺特点，质量满足不了产品要求。如果采用了壳型叠箱铸造工艺:中心浇口底注式，分四个直浇道，每个浇道每层供给4个摇臂，共叠11-18层铸件的壳，

总计176-288件摇臂，生产率特别高。同时可以使废品率降到了2-4%左右，并且大大提高了生产率，满足一了生产与质量要求，同时也大大地改善了劳动环境。

发动机摇臂壳型铸件

此外，壳型铸造工艺还广泛应用于排气管、差速器外壳及其他外形尺寸要求很高的工程机械铸件，例如用于机械密封的特种铸铁耐磨环，以及其它要求较高、批量较大的高精度铸件等。

1.5 熔模壳型铸造

熔模铸造是一种灵活铸造工艺，由于用该工艺成型的铸件与零件间具有较高的尺寸相似性，所以又称熔模精密铸造。该工艺是使用熔点低的材料制成尺寸精确且表面光度好的零件模型，然后使用耐高温粘结剂与耐火粉料以及辅助添加剂配置成糊状涂料涂覆在熔模表面并撒上合适的骨料，等待涂料干燥硬化，重复上述操作制得具有一定厚度的型壳，然后加热型壳脱掉熔模。最后再将脱模好的型壳高温焙烧，形成具有较高强度的陶瓷型壳。制壳完毕后再向型腔内浇注入金属液，待金属液冷却凝固后去掉陶瓷型壳就能获得与熔模不论是尺寸还是表面光洁度都一致的镁合金铸件。

熔模壳型铸造工艺图

1.6 消失模壳型铸造

镁合金消失模铸造是目前比较先进的镁合金精密铸造工艺之一，该工艺过程是:首先将合适密度的EPS泡沫发泡成与镁合金铸造零件相同的形状（一般将这种泡沫模型叫做白模），并将它们与泡沫制成的浇注系统相粘连成零件模型树。然后利用粘结剂和耐

火粉料配置成消失模涂料，再将配置好的涂料浸涂或刷涂到白模表面，形成均匀的涂料层。接下来将耐火涂料低温（低于EPS泡沫的膨胀变形温度）烘干后，埋在干砂子中震动紧实。最后将熔融金属液直接导入铸型浇口进行浇注，在金属液进入过程中，白模汽化并且金属液迅速取代白模位置，最后等待金属液冷却凝固的到精密度尺寸精密较高的铸件

消失模壳型铸造工艺图

1.7 发展前景

由于熔模壳型铸造技术和消失模壳型铸造技术的出现，使得壳型铸造不仅能够生产较为规则的具有分型面的零件，还能够生产较为复杂的不具有分型面的不规则零件。可以预见，壳型铸造由于其较高的加工精度及表面粗糙度，将会在汽车等精密铸造行业发挥更大的作用。

2 半固态铸造在汽车制造行业的应用

2.1 半固态铸造

半固态铸造成形的原理是在液态金属的凝固过程中进行强烈搅拌，使普通铸造易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态。这是因为在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到20％左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性，所以需要在金属凝固过程中施以强烈搅拌。

2.2 半固态铸造优点

与传统全液态成形技术相比，它具有以下优点：①在工艺方面：成形温度低(Al合金至少可降低120 ℃)；延长模具寿命(由于热冲击小)；节省能源(由于工艺周期缩短)；改善生产条件和环境。②在产品方面：铸件质量提高(减少气孔和凝固收缩)；减少加工余量；扩大压铸合金的范围并可以发展金属基复合材料。要实现半固态铸造，首先要制备在半固态具有触变性的非枝晶组织合金。

2.3 非枝晶组织合金的制备方法

非枝晶组织合金的制备方法很多，主要有以下几种：

1.机械搅拌法

机械搅拌法的设备比较简单，并且可以通过控制搅拌温度，搅拌速度和冷却速度等工艺参数来研究金属的搅动凝固规律和半固态金属的流变性能，目前实验室研究大多采用此法。

2.电磁搅拌法

电磁搅拌法是利用电磁感应在凝固的金属液中产生感应电流，感应电流在外加磁场的作用下促使金属固液浆料激烈的搅动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶的搅拌组织。将电磁搅拌法与连铸技术相结合可以生产连续的搅拌铸锭，这是目前半固态铸造工业应用的主要生产工艺方法。

3.应变激活法

应变激活法是将常规铸锭经热态挤压预变形制成半成品棒料，通过变形破碎组态组织，然后对热变形的棒料再施加少量的冷变形，在组织中预先储存部分变形能量，最后按需要将变形后的金属棒料分切成一定大小，加热到固液两相区等温一定时间，快速冷却后即可获得非枝晶组织铸锭。在加热过程中先是发生再结晶，然后部分熔化，最终球形固相颗粒分散在液相中，获得半固态组织。

2.4 主要制造工艺

美国是研究半固态铸造技术最早的国家，其研究和应用水平在世界处于领先地位。除美国外，欧洲和日本是半固态铸造技术研究和应用的主要地区。在汽车制造工业中，为满足汽车轻量化的要求，铝合金和镁合金是汽车制造业半固态铸造的主要材料。其主要制造工艺如下：

(1)流变铸造

将金属液从液相到固相冷却过程中进行强烈搅动，在一定的固相分数下压铸或挤压成形。由于直接获得的半固态金属浆液的保存和运送很不方便，因而这种成形方法投入实际应用的较少。用此方法所制成的铝合金铸件的力学性能较挤压铸件高，而与半固态触变成形件的性能相当。

(2)触变铸造

将由搅动铸造所制备的锭坯重新加热到半固态进行压铸或挤压成形。由于半固态坯料的加热、输送很方便，易于实现自动化操作，因此半固态合金触变成形是当今半固态铸造的主要工艺方法。

2.5 半固态铸造在汽车制造行业的应用

在镁合金半固态制品生产主要采用射铸

成型；铝合金半固态主要采用触变成型。目

前利用半固态触变成形生产的汽车零件有主

刹车缸体、轮毂、射油道、衬套、支撑件

等，利用射铸成形生产的镁合金汽车零件有

圆片离合器、油泵箱、齿轮箱等。在使用半

固态成型技术生产汽车零件上，欧美发达国

家仍走在前列。比如美国的Alumax公司是世

界首家专业用半固态成形技术生产汽车及其

图:射油器

它零件的厂家，该公司在1994年就建立了可

年产2400万个汽车零件的半固态成形工厂。

意大利的MM公司(Magneti Marelli)为汽车

公司生产的汽车喷油系统中的射油道，质量

要求高，并且要求耐腐蚀，其形状加工难度也大。采用半固态金属压铸成形后，不但质量可以保证，生产费用还比原来降低50％。

2.6 应用前景

虽然我国已是世界制造业大国，仅次于美、日、德，位于世界第四，但由于生产率低，技术含量差，自主创新开发能力不高，还不是制造业强国。汽车，作为制造业的主要产品，必然是新兴制造技术的主要应用领域。半固态金属加工技术与传统的技术相比，前者在提高产品质量、性能、降低能耗和成本；缩短生产流程；有利于环境保护和提高产品市场竞争力等方面具有独特的优势，以此作为我国从铸造大国成为铸造强国的新的重大突破口，既是当今世界范围内出现的环保压力、市场剧烈竞争、贸易自由化、信息技术迅猛发展的挑战，也是促进制造业旺盛发展、开拓广阔市场、不断扩大应用范围的极好机遇。

更重要的是，我国拥有丰富的镁资源，菱镁矿储量居世界首位，原镁产能和产量均居世界首位。但是镁合金在我国汽车制造领域应用还不多，目前只有上海大众桑塔纳轿车的手动变速箱壳体采用了镁合金。而且镁合金产品的80％是通过铸造方法获得的，无疑以此作为突破口，采用半固态镁合金射铸成型技术，必将使我国镁的资源优势转变为技术经济优势，必将增强铸造行业在全球市场中的竞争力。

3 半固态铸造在汽车制造行业的应用

3.1 挤压铸造

挤压铸造也称为液态模锻，是一种集铸造和锻造特点于一体的新工艺，该工艺是将一定量的金属液体直接浇入敞开的金属型内，通过冲头以一定的压力作用于液态或半凝固的金属上，使之充填、成型和结晶凝固，并在结晶过程中产生一定量的塑性变形，从而获得零件毛坯的一种金属成形方法。

挤压铸造金属液是通过浇包直接注入型腔内，充型平稳，上模缓慢下降平稳施压，气体大部分可以从模具间隙中排出，在制件中不易形成气孔。挤压铸造没有浇注系统，压力传递通过上模端面直接施加在金属液面上，金属液始终在压力作用下结晶凝固，流动成形，因而组织致密均一，晶粒细化。在这些方面，挤压铸造优于压力铸造。

3.2 挤压铸造工艺的应用范围

从其工艺特点和国内外实际应用情况来看，挤压铸造工艺的应用范围如下。

(1)在材料种类方面适用性较广，从理论上讲可用于生产各种类型的合金，如铝合金、镁合金、锌合金、灰口铸铁、球墨铸铁、碳钢、不锈钢等。但比较而言，黑色金属挤压铸造的工艺难点较多，且由于受到模具材料的限制，在黑色金属方面的实际应用远没有在有色金属方面的应用广泛。

(2)挤压铸造适宜于一些形状复杂、且性能上又有一定要求的产品。因为形状复杂的工件采用一般模锻方法成形困难，即使能够成形成本也太高。如果采用常规铸造方法，则在产品的性能上又难以达到要求。对于某些特殊产品采用挤压铸造工艺，既能顺利成形，又能保证产品的性能要求。

(3)一般来讲，挤压铸造工件的壁厚不能太薄，否则在结晶和成形方面都会带来一些问题，甚至产生废品。

多年来，国内外厂商，均把此项工艺用做汽车高档有色金属铸件的方法之一，并迅速的

在发展。

国内外挤压铸造汽车主要零部件表

挤压铸造的汽车零件

3.3 挤压铸造适用材料

挤压铸造工艺的一个重要优势，是可适应多种材料的生产，包括铝、镁、铜、锌甚至是钢铁材料。不论是铸造性好的铸造合金，还是铸造性差的变形合金,甚至是需铸造复合的金属基复合材料，都可以按不同的特点，在采取相应措施后进行生产的。而且铸件是可以进行固溶处理实现强化的。

基于工艺的上述优势，因而在汽车铸件的生产上，也实现了材料的多样化，除常用的铸造铝合金外，主要的还有如下几个方面：

3.3.1高硅铝合金

高硅铝合金因有优良的耐磨性和低的热膨胀系数，因而是活塞和空调压缩机缸体、缸盖、活塞、斜盘、涡旋盘等的首选材料，但是此种材料的初晶硅细化问题和高的缩松、裂纹倾向问题，使材料的铸造生产存在较大难度。目前，国内外用挤压铸造工艺较好的解决了此问题。尤其是在厚壁，复杂铸件上解决得较好。这些在国内外都已形成很大的生产批量。

3.3.2 变形铝合金

用直接挤压铸造法可以生产变形铝合金铸件，甚至是铸造性很差的7075、7A04合金都可以生产出优质铸件，而且铸件可以进行固熔热处理强化，此种材料在强度，尤其是塑性和可焊性方面都明显优于A356铸造铝合金。

但是用间接挤压铸造法难以生产变形铝合金铸件，主要是易产生裂纹。因而在一些复杂的铸件上限制了变形合金的使用。近年发展起来的双重挤压铸造和半固态挤压铸造，可以解决此问题，并且已有成功生产的实例，相信今后有一定的发展前景。

3.3.3 镁合金

在汽车上扩大镁合金构件的使用是当前国内外一大发展潮流，前景广阔。为此在镁合金挤压铸造方面都进行了大量工作，并已在镁轮毂，镁壳体件上实现了批生产。

前段时间由于原镁价格的大幅提升，为镁的大量使用造成了不小的阻力，加上镁的熔炼，加工废料回收及抗腐蚀等的技术问题，也给镁件的，也给镁件的生产造成一定难度，但毕竟在汽车节能、环保的总趋势下，镁件的使用仍是方兴未艾的。

3.3.4 金属基复合材料

高性能汽车发动机，尤其是高增压柴油机活塞，当前一个重要发展方向是使用陶瓷纤维增强铝基复合材料，而这正是挤压铸造的工艺优势，日本“IZUMI”和“Art”公司早年就已大批量生产了这种高技术活塞，月产达10万只以上，并已在丰田公司23种车型得到了使用。其它如美国的康明斯、克列威特（Clevite）和德纳（DANA）公司，俄罗斯及欧盟国家的一些公司也都生产使用了这种挤压铸造活塞，我国从上世纪80年代中即开始此种活塞研制，并已在“解放”、“东风”汽油机及特种大马力柴油机上大批量使用。

3.5 挤压铸造在汽车制造业中的应用实例：

3.5.1 发动机活塞

挤压铸造活塞克服了金属型铸造活塞内部缺陷，又克服了锻造活塞机加工量大，成本高，需要重型设备的缺点。，世界各国都把挤压铸造作为汽车活塞生产的方向之一，已制造出直径为90～400ram大小不一的各类挤压铸造活塞。

3.5.2 铝合金轮毂

采用挤压铸造法生产铝合金轮毂，产品既有接近锻件的优良力学性能，又有精铸件一次精密成形的高效率、高精度，且投资大大低于低压铸造法。挤压铸造特别适合于生产汽车工业中的安全性零件，日本在1979年就在轿车上采用了挤压铸造铝合金轮毂，现已有相当部分的汽车铝轮毂采用挤压铸造工艺生产。

3.6 应用前景

挤压铸造是一种新型的金属成形工艺，从兴起到发展已有半个多世纪的历史，随着理论和应用研究的不断完善和发展，其工艺优点越来越受到世人的注目，其在汽车零件生产中的成功应用，显示了该技术具有良好的发展前景。

4消失模铸造

4.1 概念和来历

消失模铸造（又称实型铸造）是将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型粘结组

合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使

模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。

1958年,美国的H.F.shroyer发明了用可发性泡沫塑料模样制造金属铸件的专利

技术并取得了专利。最初所用的模样是采用聚苯乙烯板材加工制成的，采用粘土砂造型,用来生产艺术品铸件。采用这种方法,造型后泡沫塑料模样不必起出,而是在浇入液态金属后，聚苯乙烯在高温下分子裂解，而让出空间充满金属液，凝固后形成铸件。1961年德国的Grunzweig和Harrtmann公司购买了这一专利技术加以开发，并在1962年在工业上得到应用。

采用无粘结剂干砂生产铸件的技术由德国的H.Nellen和美国T.R.Smith于1964

年申请了专利。由于无粘结剂的干砂在浇注过程中经常发生坍塌的现象,所以1967年

德国的A.Wittemoser采用了可以被磁化的铁丸来代替硅砂作为造型材料，用磁力场作为"粘结剂"，这就是所谓"磁型铸造"。

1971年,日本的Nagano发明了V法(真空铸造法)，受此启发,今天的消失模铸造

在很多地方也采用抽真空的办法来固定型砂。

在1980年以前使用无粘结剂的干砂工艺必须得到美国"实型铸造工艺公司"(Full Mold Process,Inc)"的批准。在此以后,该专利就无效了。因此,近20年来消失模铸造技术在全世界范围内得到了迅速的发展。

4.2 特点

4.2.1 消失模铸造主要具有以下优点：

1.铸件精度高。消失模铸造无需起模，无分型面，无砂芯，因此铸件不存在飞边

毛刺和拔模斜度，减小了型芯组合造成的尺寸误差，与传统铸造相比可减少40%至50%的机械加工量。

2.设计灵活。在设计铸件时更加灵活，不需要考虑分型、拔模等限制条件，可以

通过泡沫塑料模片的组合铸造出高度复杂的零件。

3.清洁生产。型砂中不使用化学粘合剂，主要利用真空法来固定型砂，铸造过程

中温度较低，不会导致泡沫塑料分解，对环境影响较小。

4.成本较低。工艺操作简单，降低了操作工人的培训成本；使用的金属模具寿命

可达10万次以上，降低了模具的维护成本；工厂设计成本降低，节约了固定资产投资。

4.2.2 消失模铸造也存在一些缺点：

1.模具成本较高，小批量的铸件会大幅度提高单个铸件的平均成本

2.铸件材质受到限制，适用性由好至差的顺序大致为灰铸铁——非铁合金——普

通碳素钢——球墨铸铁——低碳钢和合金钢。

3.铸件结构越大越复杂，越能体现出消失模铸造的优势，但是对于内部有狭窄通

道和夹层的铸件要先进行试验才能投入生产。

4.3 消失模铸造在汽车制造行业的应用

自20世纪80年代起，消失模铸造技术就引起了发达国家汽车厂家的兴趣，最早的消失模铸造技术就是从汽车行业开始的。消失模铸造技术特别适合于汽缸体、汽缸盖、进排气歧管等形状复杂、需要砂芯成型的汽车铸件。这是因为大量生产过程中，这类零件铸造的制芯和清理都很麻烦，而消失模铸造恰恰不需要砂芯，简化了清理工序。目前最为成熟的消失模铸造产品包括铝合金铸件（如进气歧管、缸体、缸盖等）、铸铁件（如曲轴、缸盖、变速器壳体等）。比较先进的铸造件包括对于汽车轻量化有重要意义的镁合金铸件，消失模铸造能够节约铸造材料，降低材料成本，进而推动镁合金零件的普及。

美国是最早应用消失模铸造法进行批量生产汽车铸件的国家。福特汽车公司1980年在加拿大的Essex铸铝厂建造了第一条干砂消失模铸造生产线，1984年已实现自动化生产，生产进、排气管及部分气缸盖。2001年通用汽车公司所属的SMCO消失模生产线正式投产，是目前世界上技术最先进，规模最大的消失模生产工厂，其生产的Vortec4200六缸缸体和缸盖是目前最复杂、最有代表性的消失模铸造产品。

我国是世界上较早研究使用消失模铸造的国家之一，略晚于欧洲，几乎与日本同步。但是由于历史原因，长期以来发展缓慢，直到近20年才开始较快发展。早期使用消失模技术进行生产和试生产的厂家全国之有2到3家，年产量不到100吨，而1999年的消失模铸件年产量已超过4万吨。但是，目前我国的消失模铸造技术仍然处于起步阶段，投产的生产线主要依靠外国进口，国产设备相对简陋，自动化程度和产品技术含量较低。由于以上原因，国内采用高度自动化消失模生产线大批量生产汽车铸件的厂家还很少，与国际先进水平还存在着很大的差距。

5结语

随着汽车轻量化越来越被人们关注，各种先进的铸造工艺不断完善，不断创新。在汽车制造中的应用也越来越广泛，在质量越来越好的同时成本也越来越低，越来越受到重视，也不断展示出良好的发展前景。

参考文献

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2.孙嘉良，壳型铸造工艺在汽车铸造中的应用

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4.张志峰;田战峰;杨必成汽车用铝合金半固态零件触变压铸工艺研究

5.赵大志;路贵民;崔建忠半固态铸造技术的发展状况及前景

6.侯文杰;谭建波;刘江成半固态流变压铸的研究现状与发展趋势

7.苏华钦、胡彬；国内外半固态铸造的工业应用现状及面临的机遇与对策

8.赖华清、余翔、范宏训；半固态铸造工艺及其在汽车生产中的应用