鋁活塞氣孔及縮松缺陷淺析

高學(xué)瑞，張屹林，俎訓(xùn)龍，王海濤，宋亮

對于活塞生產(chǎn)企業(yè)來講，鑄造廢品率一直是制約活塞生產(chǎn)效率及成本的關(guān)鍵因素之一，對于某些特殊結(jié)構(gòu)的活塞，鑄造廢品比例有時高達(dá)40﹪～50﹪。鑒于此，有針對性地采取一些改進(jìn)措施，降低活塞鑄造廢品率，一直是活塞制造企業(yè)的工作重點之一。

1.主要鑄造缺陷類型

現(xiàn)今的活塞生產(chǎn)企業(yè)中，鋁活塞毛坯一般采用金屬型重力鑄造成形。鋁液在充型過程中由于受到某些因素影響，最終鑄造出的毛坯經(jīng)常會出現(xiàn)各種宏觀或微觀缺陷。經(jīng)過統(tǒng)計，有兩種鑄造缺陷的比例最高，其值甚至能占到綜合廢品率的50%，這兩種常見的鑄造缺陷就是氣孔、縮松（縮孔），下面將對這兩種缺陷進(jìn)行簡單介紹。

（1）氣孔 是鋁活塞最常見的一種鑄造缺陷，外觀主要表現(xiàn)為兩種形式：一種是位于鑄件內(nèi)外表面的大小不同的球狀氣泡，單獨或集聚在一起，孔的內(nèi)壁較光滑；另一種是分散在鑄件內(nèi)部，以蜂窩狀存在的細(xì)小針孔，這種針孔一般在1mm以下，大多集中在鑄件的厚大截面或冷卻速度較慢的部位，針孔周圍比較光整（見圖1）。

氣孔缺陷主要產(chǎn)生在銷孔下方、鑄件頂部及鑲?cè)ο路?，這是因為銷芯和鑲?cè)ψ璧K了氣體的上浮，而頂部氣孔是因為氣體上浮到鑄件頂部時，氣體不能從頂部順利排出，特別是冒口不在中間的鑄件更容易產(chǎn)生該缺陷。

（2）縮松、縮孔 是活塞另一種常見的鑄造缺陷形式，外觀表現(xiàn)為鑄件外表面結(jié)晶組織不緊密，鑄件剖面有許多細(xì)小的孔洞。這種缺陷主要存在于活塞壁的厚薄交界處或內(nèi)澆道附近?？s松造成的孔洞幾何形狀極不規(guī)則，孔的表面粗糙不平，特別是內(nèi)部縮松處的斷面非常疏松，晶粒粗大，成海綿狀（見圖2）。

2.成因分析及改善途徑

（1）氣孔 從成因上主要分為兩種：析出性氣孔和侵入性氣孔。析出性氣孔主要指鋁液精煉不徹底或澆注時間過長重新吸氣，鑄件凝固過程中過量的氣體（主要是氫）從鋁液中析出后無法順利排出鑄件而造成的氣孔。侵入性氣孔主要是由于澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理，鋁液在充型過程中卷入大量的氣體，凝固時沒有順利排出型腔造成的。

對于析出性氣孔，首先我們應(yīng)該關(guān)注原材料的儲存環(huán)境。由于澆注用鋁合金進(jìn)行配制時會用到多種金屬及非金屬材料，如硅、銅、鎂、變質(zhì)劑、清渣劑及細(xì)化劑等，這些材料的儲存環(huán)境如果濕度過高，吸濕后會加大熔煉精煉工序氫含量超標(biāo)的風(fēng)險，在澆注時，過量的氫若無法及時排出金屬型則會在某些部位出現(xiàn)氣孔。因此原材料的儲存環(huán)境一定要陰涼、干燥，按照活塞行業(yè)的以往經(jīng)驗數(shù)據(jù)，金屬材料的儲存濕度最高不應(yīng)大于80%，非金屬材料的儲存濕度一般不超過60%。

精煉也是造成氣孔的關(guān)鍵工序。精煉的目的是對熔煉完成后的鋁合金液進(jìn)行凈化，除去鋁液中的氫和氧化夾雜物，如果精煉效果較差，最后極易造成氫含量較高的鋁液轉(zhuǎn)序，澆注出氣孔廢品。對于不同的活塞企業(yè)，由于精煉工藝過程不盡相同，在此不再對具體的精煉參數(shù)進(jìn)行闡述。但是不論如何精煉，最后一般都會把氫含量作為衡量鋁液精煉效果的主要量化指標(biāo)，我公司經(jīng)過長時間的生產(chǎn)驗證，認(rèn)為精煉完成后的鋁液氫含量控制在0.15mL/100g以內(nèi)為佳。

精煉合格的鋁液轉(zhuǎn)入澆注工序后應(yīng)立即進(jìn)行澆注生產(chǎn)，不能長時間放置。因為高溫鋁液與空氣接觸時會與空氣中的水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)生氫氣及游離氫，產(chǎn)生的氫會不斷溶解到高溫鋁液中，所以澆注生產(chǎn)的過程也是坩堝爐內(nèi)鋁液不斷吸氣的過程。同時由于氫在高溫鋁液中的溶解度約為鑄件時的19倍，如果鋁液放置時間過長會造成鋁液中氫含量變多，鋁液在型腔中凝固時釋放的氫就會增多。當(dāng)鋁液中的氫含量達(dá)到某個極限狀態(tài)后，鑄件凝固時析出的氫將無法全部排出，剩余的氫在鑄件內(nèi)外表面就會形成氣孔。因此，精煉合格的鋁液在空氣中的放置時間不宜過長，一般以少于4h為宜。當(dāng)鋁液放置時間超過4h后必須重新進(jìn)行精煉處理。

圖1

圖2

對于侵入性氣孔，解決辦法主要有增加金屬型的排氣功能、開設(shè)排氣槽和排氣塞，傾斜澆注，改進(jìn)澆注系統(tǒng)比例尺寸，以及對冒口位置進(jìn)行合理設(shè)置等。在澆注開始前，我們一般會把金屬型傾斜一定的角度α（見圖3），澆注到一定時間后金屬型逐漸復(fù)位；同時對于首先與鋁液接觸的直澆道，我們在設(shè)計時也會設(shè)定一定的垂直斜度β（見圖3），一般不小于5°。這兩種工藝斜度主要有兩個目的：一是為了減小鋁液澆注時的垂直落差，防止鋁液流動過程中翻滾卷氣，保證鋁液平緩進(jìn)入橫澆道；二是傾斜澆注可以對鑲環(huán)下方的懸浮氣泡進(jìn)行沖刷，使之通過鑲環(huán)與金屬型的空隙上浮到頂部。橫澆道進(jìn)入金屬型型腔的階段尺寸應(yīng)逐漸收窄，在橫澆道與毛坯的交界處達(dá)到最小，這樣鋁液進(jìn)入型腔時可以保持穩(wěn)定的流速，同時可以防止鋁液在橫澆道產(chǎn)生卷氣現(xiàn)象。鋁液進(jìn)入型腔后，為了讓鋁液中裹帶的氣體在充型過程中能夠順利排出型腔，一般會在澆道對側(cè)的分型面及銷芯與外模的配合面開設(shè)深度不超過0.2mm的排氣槽進(jìn)行排氣。當(dāng)鋁液在型腔中上升到頂部極限位置后，為了使氣體能夠順利排出金屬型，一般會在頂模上加設(shè)排氣塞并開設(shè)頂冒口。頂冒口應(yīng)開設(shè)在鑄件頂部最為厚大的部位，因為厚大部位不僅最后冷卻，排出的氣體量也最多，極易出現(xiàn)氣孔缺陷。

（2）縮松、縮孔 活塞縮松、縮孔缺陷主要是在鑄件凝固過程中，由于壁厚差造成鑄件凝固速度不一致引起，常產(chǎn)生在壁厚處或厚薄壁交界處，缺陷產(chǎn)生部位較集中且有規(guī)律。鋁活塞鑄造目前一般采用“頂朝上”鑄造工藝形式生產(chǎn)，合金凝固方式盡量建立順序凝固原則。但由于鑄件結(jié)構(gòu)的原因，實際上一個鑄件上往往既有同時凝固，也有順序凝固，因此要解決該問題，常采用改變鑄件截面厚度、調(diào)節(jié)金屬型冷卻、改變澆道或冒口位置和形狀等措施予以解決。

加強過熱部位的冷卻是保證鑄件實現(xiàn)順序凝固的必要條件。對于手工鑄造金屬型，一般在鑄件的厚大部位增設(shè)一定厚度的冷鐵或鑲嵌導(dǎo)熱性能極好的金屬材料如純銅。據(jù)試驗，相同條件下，純銅的熱導(dǎo)率是鑄鐵及鋼的8倍左右。對于機械鑄造金屬型，一般會開設(shè)串水系統(tǒng)，實行強制冷卻，合理地設(shè)置串水參數(shù)及各部件的串水順序是保證鑄件實現(xiàn)順序冷卻的關(guān)鍵。從鑄件整體來看，我們的冷卻順序一般是由內(nèi)到外。從金屬型各部件來講，冷卻順序一般是銷芯、內(nèi)芯、外模、頂模。由于活塞直徑及結(jié)構(gòu)各不相同，串水參數(shù)的具體數(shù)值一般通過多次試驗進(jìn)行確定，在此不再贅述。

另外，為了加速過熱部位的冷卻效果，一般還會在過熱部位開設(shè)1～1.5mm深的V形槽，以加強鑄件過熱處的散熱效果。

除了對過熱部位加強冷卻外，還可對過熱部位加大或開設(shè)一定的補縮冒口，加強該部位的補縮效果。如活塞出現(xiàn)頂面縮松時，一般會加大頂面補縮冒口的體積；如果頂部偏離中心的部位容易出現(xiàn)縮松，也可以設(shè)置偏心冒口。對于裙部存在加強筋的活塞，當(dāng)加強筋厚度較厚無法及時補縮時，可以在不利于補縮的部位增設(shè)暗冒口進(jìn)行強制補縮。對于某些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的活塞，在同一橫截面上當(dāng)遠(yuǎn)離澆道的部位比較厚大而距過橋較近的部位壁厚較薄時，為便于厚大部位的補縮，可以人為加大薄壁部位的外圓壁厚，使鋁液能順利通過。

3.結(jié)語

以上只是對活塞鑄件的兩種常見缺陷進(jìn)行了分析、探討，在鋁活塞鑄件的實際生產(chǎn)過程中，因為活塞的結(jié)構(gòu)多種多樣，鑄造缺陷種類還要更加復(fù)雜。但只要從活塞鑄造的基本原理出發(fā)，立足于工藝流程、金屬型結(jié)構(gòu)、過程控制這幾個基本出發(fā)點，不難找出鑄造缺陷的主要成因，進(jìn)而通過試驗改進(jìn)，降低鑄造廢品率。對于活塞企業(yè)來講，深入細(xì)致地分析鑄造缺陷并實施降低鑄造廢品率的過程，就是降低生產(chǎn)成本、技術(shù)創(chuàng)新的過程，意義非常重大。

圖3

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