鋁缸蓋鑄造中常見的技術(shù)缺陷及鑄造技術(shù)分析

    發(fā)動機(jī)缸蓋通常由進(jìn)氣道、排氣道、冷卻水套、油池等組成，是汽車發(fā)動機(jī)的重要部件，近年來隨著汽車輕量化的發(fā)展，鋁合金以其重量輕的優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于發(fā)動機(jī)缸蓋生產(chǎn)中，鋁缸蓋具有重量輕，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁薄，精度要求高等特點(diǎn)，在力學(xué)性能及滲漏方面有特殊的要求，而汽車發(fā)發(fā)動機(jī)高效率、低油耗的發(fā)展使得缸蓋的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，性能要求更高，鑄造工藝的難度也更大。

一、鋁缸蓋鑄造方法

1、傳統(tǒng)鑄造方法

（一）金屬型低壓鑄造

    金屬型低壓鑄造是一種采用低壓鑄造機(jī)，借助壓縮空氣或電磁泵在鑄造機(jī)下部氣密式澆筑爐中產(chǎn)生的壓力，完成金屬也自下而上的充型、凝固過程，從而生產(chǎn)出鑄件的鑄造方法，是較為傳統(tǒng)且應(yīng)用較為廣泛的發(fā)動機(jī)缸蓋鑄造方法之一，其金屬液收得率可一般可達(dá)到90%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬型鑄造的40%~60%，但生產(chǎn)率低，完成工藝所需時間長，大量生產(chǎn)時需要多臺及其和多套模具，且模具結(jié)構(gòu)、控溫系統(tǒng)復(fù)雜，一次性項(xiàng)目建設(shè)投資高、設(shè)備維修較為復(fù)雜，目前在世界上的應(yīng)用正逐漸減少。

（二）金屬型重力鑄造

    金屬型重力鑄造是一種利用重力的作用完成金屬液充填金屬鑄型而生產(chǎn)鑄件的鑄造方法，該鑄造方法與金屬型低壓鑄造同屬于傳統(tǒng)鑄造方法，與后者相比其增加了補(bǔ)縮冒口，金屬液的利用率有所降低，但鑄件滲漏缺陷的發(fā)生也較金屬型低壓鑄造低。此種工藝具有表面質(zhì)量好、尺寸精度高、工藝靈活、便于操作、設(shè)備簡單可靠、投資少、生產(chǎn)效率高等多個優(yōu)點(diǎn)，綜合經(jīng)濟(jì)性較高，目前世界范圍內(nèi)大多數(shù)汽車工業(yè)鋁鑄造成已逐漸采用金屬型重力鑄造代替了金屬型低壓鑄造。

2、鋁缸蓋鑄造新工藝

（一）Cosworth鑄造

    Cosworth鑄造工藝也稱為砂型低壓鑄造工藝，是目前世界上公認(rèn)的最為先進(jìn)的鑄造工藝，由英國Cosworth公司針對高性能轎車發(fā)動機(jī)產(chǎn)品而設(shè)計(jì)出的工藝，是采用鋯砂與SO2固話呋喃樹脂成型、可編程控制電磁泵控制金屬液充填鑄型速度自下而上充填鑄型獲得鑄件的鑄造方法，其工藝原理如下圖1所示。具有鑄件組織緊密、氣孔少，綜合力學(xué)性能高、鑄件尺寸精確度高、缸蓋緊固螺栓孔可直接鑄出、重量較其他鑄造工藝低等多個優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)精確清潔型生產(chǎn)，是處于世界領(lǐng)先地位的鑄造技術(shù)。

圖1 Cosworth工藝原理圖

（二）消失模鑄造

    消失模鑄造也稱為氣化模鑄造或EPC工藝，是上世紀(jì)70年代末出現(xiàn)的一種鑄造新工藝，是利用泡沫聚乙烯制造出與鑄件形狀完全相同的模型浸涂耐火圖層后放入可抽成真空砂箱填入不含粘結(jié)劑的干砂中，通過抽真空使砂子緊固成型，澆注金屬液后模型受熱氣化消失，金屬液填充模型消失后留下的空間，冷卻后成型，該工藝可用于各種材質(zhì)的鑄件生產(chǎn)中，具有工序簡單、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)率高，精度和表面質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造工藝、廢品率低、工藝易于掌握、勞動強(qiáng)度低、投資相對較少等多個優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于鑄件制芯和清理麻煩的需要制芯成型、形狀復(fù)雜的氣缸蓋生產(chǎn)中。國內(nèi)目前已有少量廠家采用此種工藝，但工藝水平較國外相比仍有較大距離。

二、鋁缸蓋鑄造技術(shù)中常見缺陷及控制

1、氣孔

（一）氣孔的形成

    氣孔缺陷是發(fā)動機(jī)氣缸蓋生產(chǎn)中普遍存在的較為嚴(yán)重的問題，缸蓋氣孔缺陷有反應(yīng)性氣孔、析出性氣孔、侵入性氣孔等，在現(xiàn)代生產(chǎn)條件下，以侵入性氣孔最為常見，前兩者已較為少見。發(fā)動機(jī)缸蓋的內(nèi)腔一般是采用砂芯，砂芯尤其是腹膜砂芯的發(fā)氣量大且集中，澆注金屬液時，鑄型、砂芯、涂料、粘結(jié)劑等在高溫的金屬液作用下氣化、分解產(chǎn)生大量的氣體，隨著溫度的不斷增高，氣體體積增大，壓力增大，當(dāng)界面某一點(diǎn)的氣體壓力大于該點(diǎn)金屬液表面的反壓力時，氣體可進(jìn)入金屬液中形成氣孔。

    侵入性氣孔多見于鑄件罩邊和底部進(jìn)油嘴處，形成的原因主要有：①原材料發(fā)氣量大：如覆膜砂，或混砂不均勻?qū)е戮植堪l(fā)氣量過大；②鑄型、芯子的排氣不良：排氣通道受阻或密封不嚴(yán)，涂料進(jìn)入排氣通道中阻塞通道阻礙氣體的排出；③砂芯烘干不良，型腔排氣不充分：烘干不良水分與金屬液反應(yīng)可加劇氣孔產(chǎn)生，且可增加蒸發(fā)發(fā)氣量，氣體侵入型腔且阻礙氣體排出；④澆注溫度過低或速度過慢：可使鑄件頂部金屬液黏度增大，阻礙侵入型腔氣體的排出，在頂部形成氣孔；⑤澆注時卷入氣體，澆注系統(tǒng)的靜壓力，使卷入的氣體及其他以侵入鑄件內(nèi)部的氣泡無法溢出也可形成氣孔缺陷。

（二）控制措施

    針對氣孔形成的原因，合理的氣孔缺陷控制措施有：①降低材料發(fā)氣量：內(nèi)腔砂芯大部分被金屬液包裹，其產(chǎn)生氣體量的大小及氣體排出是否順利直接影響著鑄件氣孔產(chǎn)生概率的大小，實(shí)際生產(chǎn)中，在保證砂芯達(dá)到一定強(qiáng)度的前提下，應(yīng)控制樹脂的加入量，一般冷芯中兩種組分總量須控制在1.6%~1.8%，砂芯要充分干燥；②金屬液澆注中界面某一點(diǎn)的氣體壓力增大是侵入性氣孔形成的主要原因，因此減少氣孔缺陷的關(guān)鍵即是減少界面的氣體壓力。除減低材料發(fā)氣量外，還可通過設(shè)計(jì)砂芯的排氣通道，保證通道暢通；采用封火墊片、封火泥、粘芯膠等保護(hù)通道；在芯頭相應(yīng)位置安裝通氣針與大氣相通等措施，減少界面氣體壓力；③控制金屬液澆注速度、溫度：提高澆注金屬液溫度是控制氣孔產(chǎn)生的措施之一，一般初澆溫度在（700±20）℃，但由于提高溫度會造成能量損耗，同時還會帶來滲漏、縮松等負(fù)面影響，因此實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、質(zhì)量要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。提高澆注速度是降低提高溫度帶來的負(fù)面影響的有效措施；④生產(chǎn)過程中盡可能地保持足夠高的金屬液壓力，包括保持較大的靜壓力和動壓力，如可通過適當(dāng)降低上型板分型面來增加鑄件頂部有效靜壓力，以使其能抵消部分的界面氣體壓力，阻止氣體的侵入。

2、滲漏

（一）滲漏的形成

   滲漏是指在缸蓋氣密性壓力實(shí)驗(yàn)時發(fā)生的滲漏現(xiàn)象，多發(fā)生于缸蓋水套、油道腔鑄壁、鑄件厚大熱結(jié)部位，實(shí)際生產(chǎn)中缸蓋滲漏主要是由于鑄件凝固過程中的收縮缺陷造成的。缸蓋鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚不均勻，合金的液態(tài)收縮和凝固收縮會導(dǎo)致逐漸在最終凝固的部位出現(xiàn)孔洞，引起收縮缺陷。生產(chǎn)過程中造成收縮缺陷的主要原因有：①鑄件不均勻，存在孤立的熱結(jié)，使鑄件凝固過程中補(bǔ)縮不足引起收縮缺陷；②鑄件局部存在氣孔、冷隔、非金屬夾雜物等缺陷或是合金液中含有微量的有害元素、合金液收縮傾向大都可造成收縮缺陷；③金屬型澆筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，鑄件內(nèi)部組織不夠致密，共晶體過過多且鑄型剛度不夠等可造成縮松而引起滲漏；⑤澆筑合金液體的溫度過高，凝固速度慢，在熱節(jié)部位和一些厚大的斷面因最后凝固而補(bǔ)縮不足，容易產(chǎn)生縮松。

（二）控制措施

    生產(chǎn)中滲漏缺陷的防治措施主要有：①采取措施消除鑄件局部存在的氣孔、冷隔、非金屬夾雜物等缺陷；在不影響工作要求的情況下，適當(dāng)?shù)馗淖冭T件的結(jié)構(gòu)②采取減少縮松傾向的措施，如適當(dāng)提高碳當(dāng)量，通常碳當(dāng)量控制在3.95%~4.05%范圍內(nèi)；③提高鑄件、砂芯剛度，如采用四根螺桿對角緊固，造型下芯后對芯組進(jìn)行搗實(shí)、在上下模型上設(shè)計(jì)壓砂槽等措施使鑄型腔與砂芯緊密配合，提高鑄型的剛度，從而防止凝固過程中石墨膨脹造成縮松，引起逐漸滲漏；④采用設(shè)置冷卻系統(tǒng)、防止冷鐵、噴涂料等強(qiáng)制冷卻措施對熱節(jié)進(jìn)行處理；⑤選擇膨脹系數(shù)較低、導(dǎo)熱蓄熱較好的的剛玉砂、鉻鐵礦砂等作為鑄造原砂，加快合金液體凝固過程中的冷卻速度，使鑄件補(bǔ)縮通道更加暢通，確保補(bǔ)縮，從而減少滲漏。此外，在生產(chǎn)的過程中，合金液體中一些細(xì)小的夾雜物可與液體反應(yīng)聚合留在逐漸薄壁內(nèi)部，造成鑄件內(nèi)部組織不夠致密，引起滲漏，因此還應(yīng)確保涂料、爐襯、包襯的清潔度，以避免由微小雜物引起的鑄件缺陷。

3、夾雜物孔洞

（一）夾雜物孔洞的形成

    夾雜物孔洞是鋁合金鑄件中常見的缺陷之一，型砂、芯砂、金屬非金屬夾雜物、增碳劑、耐火材料等夾雜物都可在鑄件上形成此類缺陷，最為常見的孔洞缺陷為渣眼、砂眼，此類缺陷肉眼難以辨識，一般在顯微鏡下可看到渣、砂共存的現(xiàn)象，砂眼為排列緊密的石英砂顆粒群，渣眼也成為夾渣，是鋁缸蓋最常見的缺陷形態(tài)為不規(guī)則的熔融狀玻璃體，兩種缺陷常常共存。夾渣一般分布于鑄件表面，其形成的原因有：①型腔不潔凈，型腔內(nèi)殘留砂粒、型芯、涂料等沖刷下的殘留物；②鋁液與空氣在流動充型過程中發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氧化鋁等沉淀渣；金屬同爐襯、包襯相互作用形成渣滓等；③合金液體的純凈度低，熔煉時形成的氧化渣、還原渣等或是溶劑形成的渣滓。

（二）控制措施

    防止夾雜物孔洞出現(xiàn)的常用控制措施有：①合理地設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，控制澆注時間、內(nèi)澆道處鋁合金液體的流速，以避免由于澆注時間過程而使上型受到金屬液長時間烘烤導(dǎo)致砂芯表面開裂脫落及流速過快、液體沖擊大而造成的砂芯表面開裂脫落；②清除型腔內(nèi)的殘留物，確保砂芯飛邊毛刺清理干凈，涂料烘干后合模前砂芯表面砂粒灰塵要沖干凈；③砂芯涂料是不可太厚，尤其對于工藝要求兩次涂料時，必須等第一次干燥后再涂第二層；同時采用合理的涂料，以保證涂料的粘附力。

結(jié)語：

    隨著汽車制造業(yè)的發(fā)展，汽車發(fā)動機(jī)缸蓋鑄造工藝也得到了一定的發(fā)展，目前缸蓋的鑄造方法有較多種，不同的鑄造工藝有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)的過程中，應(yīng)綜合考慮多種因素選擇合適的工藝，而發(fā)動機(jī)鋁合金缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)過程中受到的影響因素多，易發(fā)生氣孔、滲漏、夾渣等難以控制的缺陷問題，生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制工藝操作，針對缺陷問題采取及時采取相應(yīng)的措施，不斷改進(jìn)工藝，提高鑄造水平。

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