铝铸件在国内外汽车工业中的应用

   ——铝铸件在国内外汽车工业中的应用
　
　　以下简述了铝合金铸件在国内外汽车工业中的应用，叙述了典型的汽车铸件及铸造工艺，并对中国的铝合金铸件在汽车上的应用进行了展望。
 
　　尽管与传统工业相比较，汽车用铝铸件更复杂且要求更有效的系统，但在铸造技术方面的投资还十分有限。简单的铸造技术和设备成为主要发动机生产厂家的“瓶颈”，并阻碍了生产效率的提高。
 
　　国内外铝铸件在汽车工业中的应用
 
　　采用铝合金代替铸铁来生产汽车零件的历史最早可追溯到20世纪40年代。当时欧洲少数汽车厂，如意大利的菲亚特公司研制出了铝合金进气管和气缸盖，并开始少量生产。50年代，澳大利亚引进英国一公司的低压铸造技术生产了汽车用铝铸件。与此同时，前西德某公司对低压铸造技术作了进一步改进，生产出了结构复杂的铝合金零件。美国通用汽车公司也开始大量生产轿车用铝铸件，如空冷缸盖、曲轴箱、发动机后盖等。60年代以后，由于高压压铸技术的发展，以铝合金为主的轻金属在汽车中的应用大大增加，奠定了现代汽车工业广泛采用铝铸件减轻汽车自重的基础。近20年来，世界汽车工业中铝铸件的应用在不断增加，据统计，全世界铝铸件的总产量每年大约按3%以上的速度增长，而在铝铸件的总产量中，大约有60%—70%的铝铸件应用于汽车制造，使得世界铝铸件的生产和应用与汽车制造业的发展产生了密切的联系。汽车工业中铝铸件应用的发展又以日本最为突出。在70年代初，日本许多汽车公司就开展并扩大铝合金在汽车发动机上应用的研究，开始广泛采用铝铸件代替铸铁来生产进气管、气缸盖，并开始少量生产铝制发动机。近年来，在发展铝铸件和塑料应用方面，日本一直都处于世界先进水平，日本轿车素以结构紧凑、舒适、重量轻、经济性好以及安全可靠而占据欧美市场。
 
　　铝合金材料在国产汽车上的应用还较少，我国与欧美、日本等发达国家相比差距较大，因此我国汽车制造业在扩大铝合金的研究与应用方面还有很大潜力可挖。
 
　　典型的汽车铸件及铸造工艺
 
　　1.气缸体
 
　　气缸体是发动机的心脏，因此其铸造质量就十分关键，控制好就可以避免或减少汽车“心脏撞击”的危险。气缸体既是发动机中最大的，也是最复杂的零件。采用铝合金代替铸铁制造气缸体的最大优点是能大大减轻发动机的重量。
 
　　早期铝制气缸体一般采用低压铸造工艺和金属型铸造工艺，也有少量采用砂型铸造工艺。从近年来的趋势看，绝大多数厂家采用高压压铸工艺。目前国内铝合金气缸体的铸造方法仍是采用低压铸造工艺。在过去很长一段时间里，铝气缸体并不像铝气缸盖那样被广泛采用，原因是铝气缸体的成本比铸铁气缸体的成本高，且通常使用的铝合金材料在某些性能方面(如耐磨性)也不如铸铁好。但随着能源需求和环保的要求致使追求车辆轻量化成为一种观念之后，人们才认识到采用铝合金代替铸铁制造气缸体是一种必然趋势。同时，铝合金材料的研究和制造技术也在不断进步，一批性能优异的铝合金开始用于生产。另一方面，铝铸件制造技术的不断进步使得大批量生产铝气缸体的成本费用也在不断下降。目前铸铝气缸体的应用已十分广泛，在现代轿车中的应用已经到了普及阶段。
 
　　尽管中国的汽车铸造工业还未能达到国际先进水平，但也兴建了一些著名的铸造厂，不过对一些常用的汽车铸件，如气缸体和气缸盖，中国仍然主要依赖进口。我国气缸体的生产还未完全国产化，但一些主要的铸造厂家已经建设了较大的压铸生产线，并开发了铝铸件。
 
　　2.气缸盖
 
　　现代设计的轿车发动机缸盖都是用铝合金制造的。气缸盖是既复杂又很重要的铸造零件，燃烧室、发动机的进气管和排气管都安装在气缸盖内。气缸盖在发动机中是处于高温状态下工作，承受较大的热冲击且会导致应力集中，因而，铝合金就成了受欢迎的制品。采用铝合金制造气缸盖的优点除了重量轻以外，还有另外一个突出的优点就是导热性能优良。对于轿车、轻型车的发动机来说，使用铝合金气缸盖可以使发动机热效率更好，避免气缸盖内燃烧室中的零件产生过热现象。由于气缸盖是一种内腔结构复杂、壁厚又不均匀的铸件，且缸盖内腔还有压力密封性要求，给铸造工艺带来一定困难。传统上铝气缸盖铸造多采用金属型铸造工艺和低压铸造工艺，80年代以来出现了两种新的铸造工艺——气化模铸造和砂型低压铸造，特别是前者，很适于气缸盖、进气管这类内腔复杂且需要砂芯成型的铸件。该工艺与传统工艺相比有许多优点：不分型、不起模、不使用砂芯、铸件容易清理、铸件表面光洁度好、尺寸精度高、适于大批量生产。
 
　　气缸盖的传统铸造方法是底注，这有利于将铝熔体均匀地填充到模子中，而现在中国广泛采用顶注，这样可使成形铸件更好地冷却且更有利于直接凝固。中国的绝大多数铝制气缸盖的生产厂家采用低压铸造工艺，因为这能改善金相组织和力学性能。
 
　　3.活塞
 
　　活塞是汽车发动机中燃烧室里的一个主要构件，它们的侧壁容纳着活塞环，相对于气缸的内壁形成密封。活塞对汽车发动机的能源起着决定作用。而对活塞材料的要求是：相对密度小、导热性好，热膨胀系数小、足够的高温强度和尺寸稳定性好等等，因而它们主要用铝合金或纤维增强的复合材料制成。铸造铝合金可满足上述大部分要求，尤其是国外应用广泛的(国内也已使用)高硅过共晶铝活塞合金更能满足这些要求。目前汽车发动机活塞几乎百分之百用铝合金制造，铝活塞的成型工艺主要采用的铸造方法是重力压铸、低压铸造和液态模锻(也称挤压铸造)。液态模锻是一种借鉴于压力铸造和模锻工艺而发展起来的新型金属成型工艺，用此工艺生产的铝合金活塞在机械性能、金相组织和铸件致密性方面均优于传统的金属型铸造。
 
　　4.壳类零件
 
　　铸铝壳体类零件包括变速器壳.离合器壳、油泵壳、摇臂罩、齿轮盖、主制动缸壳等。这些零件几乎都是采用高压压铸工艺生产的，采用此工艺生产的铝铸件组织致密、机械性能好、表面光洁、尺寸精确、加工余量较金属型铸造工艺和低压铸造工艺少，尽管此工艺工装费用较高，但由于生产率高，对于汽车铝铸件的大批量生产来说，总的费用相对而言并不算高。齿轮箱外壳是典型的较大的复杂铸件，其壁厚要求很薄，绝大多数铸造厂采用压铸技术来生产，为了提高铸件的质量，也采用一些其它方法，诸如低速压铸、双压力—压射冲压铸造以及真空铸造。
 
　　5.进气管
 
　　由于进气孔结构的横截面不规则，所以生产汽车用进气管总是很困难。发动机的电子喷射和喷油技术需要更复杂的进气管生产技术，这也是为何EPC技术越来越受人们青睐的原因。就进气管而言，大卡车通常采用砂型铸造灰色铸铁构件，而私车则更喜欢铝合金构件。绝大多数生产方法都采用铸造工艺，包括EPC、重力压铸和压力压铸。
 
　　6.车轮
 
　　车轮是一种要求较高的保安零件。单从成本方面来考虑，目前仍旧是钢制车轮较为便宜，这也是目前使用钢制车轮较多的原因之一。随着轻量化趋势以及轿车产品整体结构的发展趋势越来越被人们认可，铝合金车轮的应用也不断扩大，因为铝制车轮具有重量轻、能减轻振动及外形美观等优点。据测试，铝合金车轮与钢制车轮相比，前者的重量可减轻30%～40%，振动可减少10%—15%。铝合金车轮的铸造方法主要有金属型铸造、低压铸造、压力铸造及离心铸造。
 
　　中国汽车用铝铸件的前景
 
　　目前我国汽车工业中所使用的铝制零部件还较少，这与我国汽车工业的发展尤其是与当前轿车生产的发展形势很不协调，因此，加速铝合金材料在国产汽车中的研制、开发和应用具有十分重要的意义。中国汽车铝铸件正面临全球能源回收、环保和较大量私车需求的挑战，而铝合金铸件将更适合将来的这些趋势，并能满足越来越多的需求：
 
　　第一，现代化汽车正向着安全、节能、环保的方向发展，而汽车轻量化是节能、节油、降低公害的最有效途径之一。铝铸件能较大程度地减轻汽车自身的重量，铝合金作为典型的轻质材料用于制造汽车零部件的优势已越来越为人们所认可，因而有色铸件由更加轻量化的铝铸件所代替也成为一种趋势。
 
　　第二，铸造精度能够生产出薄壁构件，这样铝铸件就能达到接近成品状，从而简化了生产工艺。而中国也开发出了新的铸造技术，在CAM数值控制处理的基础上采用于三维CAD铸造技术，生产新的铸造产品。
 
　　第三，优良的硬度和韧性有助于确保铸件质量，从而增强汽车的各项功能。而在过去这些与铸件的尺寸与大小相比都不具有足够的吸引力。原辅材料的质量、熔炼技术、铸造工艺本身、铸造设备的温度等都较大程度地影响着铸件的质量，因此要进行严格的控制和监管。我国的铸造厂要将更多的重点放在铸件的内部结构上。
 
　　第四，将传统的液态压铸转换为半固态压铸给该工艺注入了新的活力，并综合了固态压铸和液态压铸的优点。中国的铸造公司应在铸造工艺中更多地采用这些优良技术，将这些不同的技术综合起来能够大大提高铝铸件的质量并拓宽它们的应用领域。
 
　　第五，鉴于中国汽车用铝铸件的需求按每年10%的速度增加，一些外国公司也采取了很多方法想抓住中国铝铸造工业的市场份额，预计这种趋势在将来会越来越突出。一些国际汽车附件生产厂家已加大在中国的投资开进行集中生产以满足局部的需求。
 
　　第六，除了中国是全球汽车铸造工业的参与者外，中国还是一个低附加值产品(如刹车构件)的供货商。中国生产的气缸体和气缸盖还未得到国际市场的广泛认可，因此中国铸造厂家必须不断改进技术开提高产品的附加值。只有通过采用先进技术来加工铸造产品，中国才能逐渐进入汽车附件OEMs的市场开在真正意义上具有竞争力。