控制铸铝发动机缸体中的宏观缩孔和气泡的方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及用以确保高品质铝铸件的方法，特别涉及通过控制液态金属中 的微量元素含量来减少和消除宏观缩孔和气泡的操作方法。
【背景技术】
[0002] 孔隙一直被认为是影响铸造部件的机械特性和性能的重要有害因素。收缩和气体 析出是在铝铸件中形成孔隙的两个主要来源。对于铸造几何结构和浇口/冒口系统的给定 铸造工艺和设计而言，合金成分，特别是诸如锶（Sr)、磷（P)、铋（Bi)、钙（Ca)等微量元素， 可在凝固特性从而在孔隙形成方面发挥重要作用。
[0003] 众所周知的是，存在于铸造Al-Si合金中的针状硅向细微纤维形状的变质 (modification)导致这些合金的强度和延展性得到改善。变质技术自从Pasz在1920年首 先引入钠（Na)来使共晶硅变质之后已日趋成熟。用于使硅结构变质和细化的添加剂现在 包括锶（Sr)和锑（Sb)。在文献中出现了关于锑与锶或钠之间的负面相互作用的一些报告。 据报道低至IOOppm的Sb浓度可显著地影响由Sr变质的A356合金的拉伸延伸率。机械性 能的该劣化由于磷（P)的存在而被加剧。P.V. Bonsignore，E. J. Daniels和C.T. Wu著， Calcium Metal as a Scavenger for Antimony from Aluminum Alloys，Argonne National Laboratory (阿贡国家实验室），Technical Report (技术报告），1994年10月4日。为了在 存在不同P含量时实现相似的共晶硅形态，有必要添加足够的Sr。图1定量地示出了在考虑 Sr效果的P中和作用时需要较高的Sr浓度来保持良好的变质。M. Garat和R. Scalliet 著，A review of recent French casting alloy development, AFS Transactions, vol. 86 (1978)，pp549-562〇
[0004] 磷是与合金中使用的硅相关联的杂质。P在处于或超过数ppm浓度时的效果不仅 在共晶或过共晶中执行成核初晶Si的功能，而且还在Al-Si亚共晶合金中生成明显的针状 共晶娃结构。还发现的是，通过添加0. 005%(50ppm)的磷，在高纯度Al-10%Si合金中，初晶 α枝晶的数量和枝晶臂间距（DAS)都增加。C.R. Loper和J.-I. Cho著，Influence of trace amounts of phosphorus in Al casting alloys - A review of the literature， vol.108 (2000)，pp. 667-672。
[0005] 镁也趋于粗化共晶硅结构，从而增强P的效果。例如，含2ppm磷的合金Al_7%Si 含合金仍然呈现出片状硅结构，而同样含2ppm磷的Al-7%Si-0. 3%Mg合金为针状。Μ. Garat 和 R. Scalliet 著，A review of recent French casting alloy development,AFS Transactions，vol. 86 (1978)，pp549_562〇
[0006] 类似磷，铋也中和Sr变质的效果。为了保持全变质，当铋存在于熔体中时，需要高 于 0.45 的 Sr/Bi 质量比。S. Farahany，A. 0urdjini，M. H. Idris，L. T. Thai 著，Effect of bismuth on microstructure of unmodified and Sr-modified Al-7Si_0.4Mg alloys， Trans. Nonferrous Met. Soc. China(中国有色金属学报英文版），vol.21 (2011)， ppl455_1464〇S. Farahany, A. Ourdjini,M. H. Idrsi, S. G. Shabestari 著，Evaluation of the effect of Bi, Sb, Sr and cooling condition on eutectic phases in an Al-Si-Cu alloy (ADC12) by in situ thermal analysis，Thermochimica Acta，559 (2013)59-68。 N. R. Rathod, J. V. Manghani 著，Effect of Modifier and Grain Refiner on Cast Al_7si Aluminum Alloy: A Review, International Journal of Emerging Trends in Engineering and Development,Issue 2, Vol. 5. (JULY-2012)，pp.574-582。
[0007] 尽管Sr变质对抗拉强度特别是延展性的正面效果，过度变质会由于凝固特性的 变化以及双初晶和共晶晶粒结构的形成而增加微孔隙的趋势。Q. G. Wang，D. Apelian，L. Arnberg, S. Gulbrandsen-Dahl 和 J. Hjelen 著，Solidification of the Eutectic in Hypoeutectic Al-Si Alloys，AFS Transactions，vol. 107 (1999)，pp. 249-256。还有报 道称，过度的共晶变质会延迟不透气铸造表层的形成，从而增加来自砂芯的型芯透气性，导 致在凝固铸件中形成气泡。（这些外源性气泡不同于在凝固期间由溶解于液体铝中的氢的 排出而形成的气孔）。
[0008] 因此，在铝铸造中重要的是恰当地控制共晶变质级别，以同时使宏观缩孔和气泡 最少化。本发明中公开的方法、系统和制造物件旨在解决该问题。
【发明内容】
[0009] 本发明总体上涉及用以确保高品质铝铸件的方法，特别涉及通过控制液态金属中 的微量元素含量来减少和消除宏观缩孔和气泡的操作方法、系统和制造物件。
[0010] 所公开的发明适于铝基汽车部件的砂型铸造、半永久模铸造、消失模铸造和熔模 铸造。所公开的发明更特别适于化学粘结砂型铸造，其也被称为精密砂型铸造。熔模铸造 是失蜡铸造的现代工业术语。高压压铸，由于其固有地形成内部气泡和缩孔，不是用于本发 明的优选铸造方法。所公开的发明适于通过精密砂型铸造制造发动机缸体、水泵和壳体、阀 体、变速箱、齿轮支架和油泵，并且还适于通过半永久模铸造制造气缸盖和台板。
[0011] 本发明的一个方面涉及一种经由砂型铸造、永久模铸造、消失模铸造和熔模铸造 来制造铝质汽车部件的方法，其通过估算液态金属中的恰当共晶变质级别，以使铝铸造期 间的宏观缩孔和气泡最少化。估算恰当共晶变质级别的方法包括使用公式2来首先估算液 态金属中的有效P含量。Sb和Bi两者具有与P相似的效果，所有这三种元素都抵消Sr的 变质效果。因此，需要通过确定P、Sb和Bi在液态金属中的重量百分比来控制P、Sb和Bi。 由于Ca用作Sb和Bi的有效净化剂，并且可有效地从熔融铝合金去除Sb,所以还确定Ca在 液态金属中的重量百分比。基于对液体中有效P含量的估算，估算恰当共晶变质级别的方 法包括使用公式3来估算向液态金属添加用以消除宏观缩孔的Sr的所需最小添加量。所 述方法进一步包括使用公式4来估算向液态金属添加用以消除气泡的Sr的最大允许添加 量。公式2-4的各个常数取决于一组给定的铸造部件几何结构和铸造工艺参数。一旦估算 出恰当共晶变质级别后，液态金属被变质为恰当的共晶含量，并被引入铸造模具中，使得由 于宏观缩孔和气泡中至少一者的形成而形成的孔隙得到减少。液态金属随后被冷却，直到 它基本上凝固。
[0012] 本发明的另一方面涉及一种系统，其用以在用于制造铝基汽车部件的各种铸造技 术中估算液态金属的恰当共晶变质级别。
[0013] 所述系统包括：信息输入装置，其被构造成接收与所述液态金属的微量元素、铸造 部件几何结构和铸造工艺参数中的至少一个有关的信息；信息输出装置，其被构造成输出 与由所述系统预测的恰当共晶变质级别有关的信息；处理单元；和计算机可读介质，其包 括实施在其中的计算机可读程序代码，所述计算机可读介质与计算机处理器、所述信息输 入装置和所述信息输出装置协作，使得接收到的信息被所述计算机处理器和计算机可读程 序代码操作，以作为恰当共晶变质级别提供给所述信息输出装置，所述计算机可读程序代 码包括恰当共晶变质级别模块，其中：所述恰当共晶变质级别模块使用上述公式估算锶向 所述液态金属的所需最小添加量。
[0014] 本发明的另一方面涉及一种制造物件，其用以在用于制造铝基汽车部件的各种铸 造技术中估算液态金属的恰当共晶变质级别，所述制造物件包括信息输入装置、信息输出 装置、计算机处理器和至少一个计算机可用介质，其中：所述信息输入装置被构造成接收与 所述液态金属的微量元素、铸造部件几何结构和铸造工艺参数中的至少一个有关的信息； 所述信息输出装置被构造成输出与由所述制造物件预测的恰当共晶变质级别有关的信息； 所述处理单元与计算机可用介质协作，以操作实施在所述计算机可用介质上的计算机可读 程序代码单元，来估算锶向所述液态金属的所需最小添加量；并且所述计算机可用介质包 括实施在其中用于使用上述公式估算锶向液态金属的所需最小添加量的计算机可读程序 代码单元；所述计算机可用介质与所述信息输入装置和所述信息输出装置协作，使得接收 到的信息被所述计算机可读程序代码单元操作，以作为所述液态金属在铝铸造期间的恰当 共晶变质级别的估算提供给所述信息输出装置。
[0015] 本公开还提供以下技术方案： 1. 一种制造铝质汽车部件的方法，通过估算液态金属中的恰当共晶变质级别以使铝 铸造期间的宏观缩孔和气泡最少化，对恰当共晶变质级别的所述估算包括： 使用下式估算所述液态金属中的有效