A356缸蓋鑄件針孔缺陷分析及對策

汪紫亮，朱協彬，王公昱

(1.安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000；2.蕪湖永達科技有限公司，安徽 蕪湖 241000)

隨著汽車輕量化步伐的加快，發動機也逐漸由鑄鐵發動機轉變成全鋁發動機[1-2]，其主要原因是全鋁發動機可以使汽車整體減重。發動機高速運轉時會受到較強的運動載荷和較高的熱載荷[3-4]，因此選擇合適的鋁合金充當發動機缸蓋的生產材料變得尤為重要。A356鋁合金由于具有良好的鑄造性和優異的力學性能，在發動機缸蓋生產中被廣泛使用[5-6]。但在鑄造過程中產生的鑄造缺陷會大大降低其力學性能，嚴重影響產品的質量。其中針孔缺陷在鋁合金鑄件中最為常見，形成的原因也較為復雜。夾雜物、冷卻速度、變質等因素都是導致針孔產生的原因[7-8]。E4T15B缸蓋是某公司產量最大的一種鋁合金缸蓋產品。其缸蓋主要給國內數家著名車企發動機做配套服務，缸蓋年產量達到20萬臺以上，但經常會出現大量由于針孔缺陷而報廢的缸蓋鑄件。因此對E4T15B缸蓋針孔缺陷進行分析具有極高的代表性和價值性。以E4T15B缸蓋出現的針孔為研究對象，對缸蓋出現針孔的部位組織以及針孔內部元素成分進行分析，判斷缸蓋針孔產生的類型和產生的具體原因，并結合實際生產針對此缺陷提出相應解決對策。

1 缸蓋針孔缺陷的種類和分布

鋁合金鑄件的針孔可以根據產生機制分為遺傳型針孔、侵入型針孔和析出型針孔三類[9]。鑄件產生針孔的類型不同，其解決的對策也有著明顯的不同。通過對出現針孔缺陷的缸蓋進行觀察分析，針孔缺陷主要出現位置如圖1所示。由圖1a可以看出，針孔基本上都出現在冒口與缸蓋頂面連接處位置。由圖1b可以看出，針孔較為細小，且近似圓形，分布在邊緣處，而螺紋孔中間部位幾乎沒有明顯針孔。

圖1 缸蓋針孔缺陷位置

為了解針孔產生的類型，將缺陷位置利用線切割機取下，然后利用超景深三維形貌儀進行觀察，觀察結果如圖2所示。圖2a是針孔外部形貌，外面是鋁合金基體，孔洞形貌不規則，且內部呈蜂窩狀；圖2b是針孔內部形貌，可以看出內部不光滑，根據針孔缺陷判斷原則可知，缸蓋出現的針孔為析出型針孔。

圖2 針孔形貌圖

2 缸蓋針孔缺陷產生的原因

為了進一步了解針孔分布與缸蓋內部的情況，對缸蓋進行縱向解剖，然后分別從頂面至底面觀察針孔，底部和中部未發現明顯針孔，而螺紋孔下部有明顯針孔。為了進一步研究缸蓋螺紋孔下部產生針孔的原因，將缸蓋分為上中下3個部位進行組織微觀分析，缸蓋微觀組織如圖3所示。由圖3可知，缸蓋不同位置的組織細化和共晶硅細化程度有著明顯的不同。由圖3a可知，針孔周圍的初晶 α-Al尺寸較為粗大，共晶硅形貌以長條狀和片狀形貌為主要存在方式，其中離針孔孔洞越近，硅相細化程度越低，而離針孔缺陷越遠的地方，硅相細化程度也越高；從圖3b中可以看到，針孔周圍的共晶硅主要以短片狀和針狀為主要存在方式。由圖3c可知，缸蓋中部的組織基本上沒有發現針孔，而初晶 α-Al明顯減小，硅相細化程度整體較為均勻。由圖3d可知，共晶硅尺寸細化程度較好，主要以點狀和細小纖維狀存在。由圖3e可知，缸蓋底部的組織沒有任何缺陷產生，初晶 α-Al進一步減小，組織細化程度最高。從圖3f中可以看到，缸蓋底部的共晶硅尺寸進一步細化，主要以點狀形式存在，且共晶硅的分布最為均勻。

針孔出現位置的組織細化程度都較差，且共晶硅都是以針狀和長條狀分布，這種現象的產生主要和缸蓋不同部位的冷卻速度有關。由于缸蓋底部與模具接觸，模具具有激冷效果，因此底部冷卻速度較快。而中部通常采用熱芯工藝，因此冷卻速度比缸蓋上部的冷型工藝要快。當冷卻速度較快時，鋁合金在凝固過程中α-Al會先形核長大，而硅原子受到α-Al的壓力會向固液前沿聚集，從而導致液相中的硅原子濃度升高。當液相中硅濃度升高，會導致α-Al相生長受到制約，使α-Al相不斷產生錯排和孿晶，從而導致α-Al的生長不停改變，從而產生晶粒細化的現象，使共晶硅的尺寸變小。缸蓋中部冷卻速度相對較慢，α-Al的生長速度也隨之減慢，硅受到α-Al的生長壓力也較小，因此在液相中硅的濃度也隨之降低，降低了對α-Al的生長約束，從而晶粒細化程度減弱，導致共晶硅尺寸相對較小。而在缸蓋上部位置，冷卻速度最慢，幾乎達到平衡凝固狀態，從而導致α-Al形核速度大幅降低，降低了α-Al的生長速度，因此當液相中硅的濃度基本達到平衡濃度時，α-Al與硅相會以平衡狀態生長。由于冷卻速度較慢，使α-Al和硅相有足夠的時間生長，因此造成組織粗大，使共晶硅以針狀和片狀方式存在。

缸蓋凝固過程中溫度場圖分布情況如圖4所示。由圖4a可知，大面處的溫度在613 ℃以上，而缸蓋其他位置溫度都低于613 ℃。圖4b中大面處溫度在582 ℃，而缸蓋其他溫度在562 ℃左右；圖4c中缸蓋上部溫度仍然處在582 ℃，而缸蓋燃燒室溫度已經低于542 ℃。圖4d中缸蓋上部溫度為542 ℃，而其他部位溫度均低于542 ℃。

圖3 缸蓋組織微觀形貌

圖4 缸蓋凝固過程中溫度場圖

為了解缸蓋針孔形成的其他原因對其內部進行能譜分析，分析結果如圖5所示。針孔缺陷內部的元素成分含量如表1所示。通過對表1進行分析發現，針孔內部含有大量C、O雜質元素，這些雜質元素是鋁液中的夾雜物。鋁液在凝固過程中由于夾雜物的存在，鋁液中的氫會以夾雜物為形核介質，從而在氫與夾雜物的共同作用下長大，最終形成析出型針孔。

針孔出現在缸蓋螺紋孔位置是由于鋁液在凝固過程中，鋁液中的氫的溶解度會迅速下降，從而造成氫原子在固液界面處的大量積聚，出現氫富積現象。而氫富積區域會產生氫的濃度差，在濃度差的作用下，氫原子會出現擴散現象。濃度差越大，擴散也越強。又由于鋁液中的氫只存在有限擴散，且固態中的氫擴散極小可忽略不計，這樣就可以用溶質再分配方程進行解釋，其中距離固液界面x處的氫含量為：

(1)

式中,C0為氫原始濃度;k為氫溶質平衡分配系數;D為氫在鋁合金液中的擴散系數;R為凝固速度;x為離固液界面處的距離。

由式(1)可知，鋁液在凝固過程中,固液界面會存在氫過飽和區Δx，而當鋁液中初始濃度一定時，過飽和區的氫濃度CL主要和凝固速度R以及擴散系數D有關。當R增大、D減小時，CL就越大。當過飽和區的氫濃度大于鋁液中的氫溶解度SL時，氫離子就會形成氫氣析出。鋁液中氫析出除了與固液前沿過飽和區域Δx有關，還與氫在過飽和區域的時間Δτ有關。

(2)

由式(2)可知，Δτ和凝固速度R有關，R越大，氫在過飽和區域存在的時間Δτ越短，氫氣析出的幾率就越??；反之，R越小，氫氣析出的幾率就越大。

圖5 針孔缺陷內部EDS分析圖

表1 針孔缺陷內部的元素成分含量

3 缸蓋針孔缺陷解決對策

(1)降低鋁液澆鑄溫度并在砂型上噴涂金屬型涂料，從而加快針孔出現位置的冷卻速度。

(2)采用熔化爐熔煉，保溫爐獨立生產的模式。通過對現場的觀察發現，盡管保溫爐有N2對鋁液進行連續式除氣，但精煉和未精煉的鋁液在一起長期混合，相互污染，含氫量水平較高。因此，應該將鋁液倒入轉運包，在轉運包中進行精煉，然后倒入保溫爐中。實際生產結果表明此方法有明顯效果。

(3)改進澆鑄系統。E4T15B缸蓋的澆鑄方式主要采用底注式澆注+冷芯工藝，如圖6所示。這種工藝充型比較平穩，但充型時間長，通常26～28 kg的缸蓋需要20～22 s的澆注時間，盡管這種設計結構利于排氣，但充型過程中局部溫度過高，因此在鋁液含氫量較高時，容易在缸蓋上形成針孔缺陷。

針對這種情況對澆鑄系統和澆鑄方式進行重新設計，最終采用翻轉式澆鑄工藝，澆鑄示意圖如圖7所示。對澆鑄過程的溫度場進行模擬，計算機模擬結果如圖8所示。通過對模擬溫度場進行分析發現，在整個過程中，充型僅用12 s，且溫度較低速度較快，在充型完成后缸蓋基本都在620 ℃左右，局部最高溫度在680 ℃。采用這種方式進行缸蓋澆鑄，其在鑄造過程中凝固充型速度快，利于鋁液中夾雜物和氫的上浮，從而避免針孔缺陷的產生。

圖6 底注式澆注示意圖 圖7 翻轉式澆注示意圖

圖8 澆鑄過程中模擬溫度場圖

4 結論

E4T15B鋁合金缸蓋針孔缺陷主要產生在缸蓋上部螺紋孔位置，針孔缺陷類型為析出型針孔，針孔出現的組織較為粗化，其共晶硅以長條狀和片狀形貌存在。針孔產生的主要原因是鋁液精煉效果不佳，導致鋁液含氫量較高。造成針孔出現在缸蓋上部螺紋孔位置的原因是缸蓋上部凝固速度較慢。通過加強砂型透氣性和降低澆鑄溫度，并采取增加轉運包精煉工序，可以有效降低缸蓋針孔缺陷產生。通過計算機模擬發現，翻轉式澆注可以有效加快缸蓋的充型冷卻速度，降低針孔的產生。