3G鋁合金缸蓋縮孔分析與解決

易 長(zhǎng)，馬德文

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西 柳州545005）

0 前言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和油耗、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)提升，汽車輕量化有助于降低油耗，同時(shí)減少大氣污染物的排放，鋁合金在汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)取代部分黑色金屬件成為重要的發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸蓋所占的比例越來(lái)越大。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括冷卻水套、回油道、進(jìn)氣道和排氣道等多種復(fù)雜型腔，缸蓋內(nèi)部壁厚薄厚不均，尺寸突變大，鋁合金相比鐵合金流動(dòng)性弱，凝固收縮大，故而鋁合金缸蓋內(nèi)部更容易出現(xiàn)縮孔、縮松之類的孔洞類缺陷[1]，廢品率也普遍相對(duì)較高。

鋁合金缸蓋縮孔形成機(jī)理：鑄件在凝固過(guò)程中，因凝固收縮空隙得不到足夠的鋁液補(bǔ)償而形成容積大而集中的孔洞，一般發(fā)生在最后凝固的部位。縮孔的發(fā)生主要包含三個(gè)方面的影響因素：1）鋁合金材質(zhì)方面，即合金化元素的含量高低影響鋁液的流動(dòng)性，一般來(lái)說(shuō)適當(dāng)提高合金化元素含量如硅、銅、鎂的含量有助于提高流動(dòng)性，增強(qiáng)補(bǔ)縮效果，而且有利于增強(qiáng)缸蓋機(jī)械性能強(qiáng)度；2）缸蓋產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，一般缸蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要著眼于使用性能和經(jīng)濟(jì)性，而對(duì)可鑄性的影響考慮相對(duì)較少，可能會(huì)造成諸如缸蓋局部厚大部位、補(bǔ)縮通道不足的設(shè)計(jì)；3）鑄造工藝條件方面，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，金屬型溫度過(guò)高，澆注溫度太高導(dǎo)致鋁液凝固溫度梯度分布不合理，未能順暢實(shí)現(xiàn)順序凝固。

本文針對(duì)3G鋁合金缸蓋產(chǎn)生的縮孔質(zhì)量缺陷在相關(guān)缺陷影響理論指導(dǎo)下分析鑄造缺陷產(chǎn)生的原因，并采取多項(xiàng)預(yù)防和控制工藝措施，解決縮孔問(wèn)題。

1 3G鋁合金缸蓋現(xiàn)狀

1.1 鋁合金缸蓋鑄造工藝

3G鋁合金缸蓋毛坯（圖1）長(zhǎng)330 mm，寬225 mm，高125 mm，重量約6 kg，壁厚范圍3.5 mm ～8 mm，缸蓋局部搭子等突出部位形成單獨(dú)熱節(jié)。缸蓋采用Si9Gu3牌號(hào)鋁材質(zhì)，T6熱處理；采用金屬型重力傾轉(zhuǎn)澆注工藝，金屬型由前/后模、左/右端模和底模等5塊金屬模塊組成；砂芯采用高強(qiáng)度、低發(fā)氣量、低膨脹率酚醛樹(shù)脂覆膜芯熱芯盒法制芯，共計(jì)六種坭芯，即冒口坭芯、內(nèi)腔芯、水套芯、進(jìn)/排氣道芯和火花塞芯（圖2）；中頻爐熔煉鋁水，吹氮?dú)庑D(zhuǎn)精煉處理和鋁鍶中間合金變質(zhì)處理，澆注溫度720℃，前模側(cè)邊設(shè)澆道過(guò)鋁水澆注（圖3）。

圖1 3G缸蓋毛坯

圖2 3G缸蓋毛坯坭芯

圖3 3G缸蓋毛坯澆注

1.2 縮孔缺陷

3G鋁合金缸蓋前端搭子外觀光滑密實(shí)，但是搭子對(duì)應(yīng)內(nèi)壁表面嚴(yán)重凹陷（圖4），搭子鉆安裝螺紋孔，螺牙殘缺，缸蓋成品內(nèi)腔測(cè)試密閉性時(shí)從該搭子螺紋孔處逸氣嚴(yán)重，解剖缸蓋，目測(cè)剖面布滿蜂窩狀孔洞（圖5），綜合表征是典型的熱節(jié)補(bǔ)縮不暢導(dǎo)致的縮孔缺陷。縮孔缺陷導(dǎo)致缸蓋報(bào)廢，初始試制100%概率發(fā)生。

圖4 缸蓋內(nèi)壁凹陷

圖5 搭子解剖面

2 原因分析

3G鋁合金缸蓋在CAXA中建立鑄件三維模型，然后在Anycasting中進(jìn)行金屬液充型與凝固過(guò)程數(shù)值模擬[2]。模擬結(jié)果顯示前端搭子凝固后期形成孤立的熱節(jié)，中間壁厚區(qū)域先行凝固，上置冒口無(wú)法補(bǔ)縮該搭子（圖6）。

圖6 缸蓋凝固示意

觀察缸蓋毛坯前端搭子區(qū)域結(jié)構(gòu)：①初始鑄造工藝設(shè)計(jì)，搭子處外壁頂上無(wú)補(bǔ)縮冒口設(shè)計(jì)；②搭子處外壁壁厚相對(duì)搭子體積偏薄；③搭子本身長(zhǎng)24 mm，寬23 mm，高25 mm，體積偏大。這種結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)可鑄性，頂上無(wú)補(bǔ)縮冒口，需要借由旁邊的冒口來(lái)補(bǔ)縮，延長(zhǎng)了補(bǔ)縮路徑；外壁壁厚相對(duì)偏薄會(huì)導(dǎo)致凝固時(shí)該外壁先行凝固，阻斷了冒口對(duì)搭子的補(bǔ)縮路徑；搭子本身體積大，凝固時(shí)補(bǔ)縮需補(bǔ)鋁水量大。綜合這些因素，導(dǎo)致搭子內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重縮孔，對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁形成補(bǔ)縮凹坑。

從一般缸蓋縮孔發(fā)生的三個(gè)方面影響因素來(lái)說(shuō)，3G鋁合金缸蓋指定牌號(hào)鋁，化學(xué)成分調(diào)整的余地小，而模具溫度和鋁水澆注溫度偏低又會(huì)導(dǎo)致缸蓋外表面壁厚偏薄處發(fā)生冷隔缺陷[3]，故而只有改善缸蓋局部結(jié)構(gòu)，才能擴(kuò)寬搭子縮孔問(wèn)題解決的工藝路徑。

3 解決措施

針對(duì)孤立的厚大搭子，有兩個(gè)方向改變局部結(jié)構(gòu)來(lái)著力解決縮孔問(wèn)題，即一個(gè)方向是減少搭子體積，減少需補(bǔ)縮的鋁水量，另一個(gè)方向是創(chuàng)造補(bǔ)縮通道和補(bǔ)縮源，實(shí)現(xiàn)充分補(bǔ)縮[4]。

3.1 減少補(bǔ)縮量

因缸蓋成品搭子處鉆安裝深22 mm的M10螺紋孔（圖7），為此在前模上對(duì)應(yīng)位置種上長(zhǎng)20 mm直徑5 mm拔模角3°紫銅材質(zhì)的減重柱（圖8）。此減重柱在澆注后形成預(yù)鑄孔，單邊保留1.5 mm的加工余量。減重柱的設(shè)置既可以減少搭子體積，減少補(bǔ)縮量，減少鋁材消耗，也有利于形成冷鐵效應(yīng)加速搭子處的冷卻，可以獲得質(zhì)量上和經(jīng)濟(jì)上的雙重效益。

圖7 缸蓋成品

圖8 模具示意

3.2 增加補(bǔ)縮通道和補(bǔ)縮源

在確保缸蓋搭子處后續(xù)裝配發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)干涉的提前下，在搭子上適當(dāng)增設(shè)一柱形補(bǔ)縮通道，補(bǔ)縮柱上端增設(shè)新冒口與旁側(cè)的原冒口聯(lián)通一起（圖9），這樣形成了完整通暢的順序凝固補(bǔ)縮系統(tǒng)。

圖9 3G缸蓋毛坯鑄件

4 實(shí)施驗(yàn)證結(jié)果

上述兩個(gè)方向的解決方案實(shí)施后（圖10），多輪澆注試制的結(jié)果顯示3G鋁合金缸蓋毛坯前端塔子部位無(wú)縮孔缺陷，對(duì)應(yīng)內(nèi)腔也無(wú)凹陷現(xiàn)象發(fā)生（圖11），基本解決該處縮孔缺陷問(wèn)題，為3G鋁合金缸蓋項(xiàng)目掃清了一個(gè)主要質(zhì)量障礙，大大助推項(xiàng)目成功。

圖10 缸蓋外觀

圖11 缸蓋內(nèi)壁

5 結(jié)論

（1）3G鋁合金缸蓋搭子縮孔按一般分析有多個(gè)方面的影響因素，結(jié)合實(shí)際情況找到缸蓋可鑄性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不良這個(gè)主要方面的影響因素，即局部塔子熱節(jié)過(guò)大，補(bǔ)縮通道不佳，避免大而全，無(wú)的放矢，可以減少質(zhì)量問(wèn)題攻關(guān)的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本。

（2）從減少缸蓋熱節(jié)處補(bǔ)縮量與增加補(bǔ)縮通道、補(bǔ)縮冒口這一減一增兩個(gè)方向采取措施，增設(shè)預(yù)鑄孔，增加補(bǔ)縮柱和補(bǔ)縮冒口綜合施策，維持缸蓋階梯溫度場(chǎng)，順利實(shí)現(xiàn)順序凝固，基本解決缸蓋搭子縮孔缺陷問(wèn)題。