鋁合金缸頭低壓鑄件質(zhì)量改進的工藝措施

許國宏

（江蘇林海動力機械集團公司，江蘇泰州 225309）

水冷發(fā)動機缸頭鑄件系采用低壓鑄造工藝生產(chǎn)的鋁合金件，由于鑄件結構復雜，壁厚差大，燃燒室、氣道表面質(zhì)量要求高，形成鑄件內(nèi)腔所用的型芯多，故鑄件生產(chǎn)工藝難度大。生產(chǎn)初期，澆不足、縮孔、縮松、變形等鑄造缺陷普遍存在，鑄件良品率很低。通過對冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)等重新設計，使鑄件良品率大幅上升，外觀質(zhì)量明顯提高，為大量生產(chǎn)合格鑄件打下了基礎。

1 缸頭鑄件結構及質(zhì)量要求

1.1 缸頭鑄件結構

缸頭部件是汽油機上的關鍵部件，其內(nèi)部裝配凸輪軸組件，與缸體、活塞三者形成燃燒室，其鑄件形狀見圖1。燃燒室、氣道、鏈輪室和氣門室是其主體部分。當化油器提供的油氣在燃燒室內(nèi)爆燃時，燃燒室內(nèi)氣體瞬間溫度最高超過1 100 ℃。這種熱沖擊每個沖程作用于其內(nèi)壁，產(chǎn)生的壓力峰值達到6～7 MPa。缸頭的燃燒室部位是其壓力直接作用點。也就是說缸頭在汽油機工作時處于高溫狀態(tài)下，承受較大的熱沖擊并產(chǎn)生應力集中，工作條件較為惡劣。從鑄件結構工藝性上分析，缸頭屬于典型的薄壁復雜鑄件，壁厚為3.0～4.5 mm(最薄處只有2.0 mm)，尺寸精度及力學性能要求較高，工藝上無法采用金屬抽芯，大多數(shù)廠家都采用易潰散的樹脂砂芯來成型。因此，鋁缸頭的鑄造工藝難度大。

1.2 材料化學成份及力學性能

我們生產(chǎn)的缸頭材料牌號是JISAC4B（日本標準）的鑄造鋁合金，熱處理狀態(tài)為T6。其化學成份和力學性能分別如表1、表2 所示。

表1 化學成份表 （%）

表2 力學性能表(最小)

1.3 缸頭的質(zhì)量要求

(1)圖樣要求鑄件相關部位的表面粗糙度如表3 所示。

(2)各處表面不允許有肉眼可見的縮孔，微觀縮孔是有條件允許的，具體的可接受的鑄件缺陷如表4 所示。

(3)鑄件清潔度要求：鑄件表面必須清理干凈，特別是水道和氣道內(nèi)不允許有砂粒；澆口、集渣包要避開毛坯加工定位用粗基準，并保證基準面平整。

(4)鑄件燃燒室深度（從底平面到燃燒室內(nèi)部球面最低點15.6 mm）公差為±0.15 mm，最高點和最低點的最大波動不超過0.2 mm。除了控制燃燒室深度外，也需要控制燃燒室容積，燃燒室容積為21.6 cm3±0.4 cm3。

(5)氣道和燃燒室的泄漏值要求為在200 kPa 氣壓下，最大泄漏量為50 Pa/s，水道要求為在490 kPa氣壓下，5 min 不得有滲漏、浸潤現(xiàn)象。

圖1 缸頭鑄件形狀

表3 鑄件表面粗糙度要求

表4 可接受的鑄件缺陷標準

2 缸頭鑄件缺陷

2.1 縮孔、縮松

如圖2、圖3 所示?？s孔、縮松的顯微結構如圖4、圖5 所示

圖2 缸蓋鑄件縮孔缺陷

圖3 缸蓋鑄件縮松缺陷

圖4 縮孔缺陷顯微圖

圖5 縮松缺陷顯微圖

2.2 氧化夾雜

鋁屬兩性金屬，由于熔煉過程是在石墨坩堝中進行，熔煉過程中易與空氣中的水汽、氧氣化學反應形成H2·Al2O3和Al2O3等夾雜物溶入液體，氫氣則以氣態(tài)形式溶入鋁液，從而增加了鋁液中氣體的含量。由于夾雜物的密度與鋁接近，混入后不易與液體分離，因而造成鑄件夾雜等缺陷；氣體則引起鑄件產(chǎn)生針孔狀缺陷。

2.3 鑄件脫模困難

鋁液溫度控制范圍和澆注工藝不合理導致升液管內(nèi)部分金屬液凝固，造成鑄件無法從模具中取出。

3 提高鑄件成品率的工藝措施

3.1 低壓充型工藝及液面加壓控制系統(tǒng)的調(diào)整

鑄件的補縮是高溫合金液通過澆道自下而上來實現(xiàn)的。為防止合金液充入型腔時產(chǎn)生噴射飛濺而導致氧化夾渣，升液階段宜緩慢加壓；為防止鑄件產(chǎn)生冷隔和欠鑄，并根據(jù)鑄件特點、材料成份、澆注溫度以及模具溫度等情況，充型時適當?shù)卦龃蠹訅核俣?；為便于穩(wěn)定壓力和迅速“切斷澆口”，當合金液充滿型腔并上升到冒口的三分之一左右高度時，宜降低加壓速度。

擬采用的加壓規(guī)范為：升液壓力0.02 MPa，充型壓力0.028 MPa，增壓壓力0.035 MPa。低壓鑄造缸頭的加壓規(guī)范如表5、圖6 所示。

表5 缸頭低壓鑄造過程中各階段壓力與時間的變化

為有效實現(xiàn)上述加壓規(guī)范，正確控制和掌握加壓速度，從而獲得優(yōu)良鑄件，液面加壓控制系統(tǒng)是關鍵。不同階段的壓力與時間的關系如圖7 所示。

各階段的時間控制如下：

圖6 低壓鑄造缸頭加壓規(guī)范

圖7 低壓鑄造過程中壓力與時間關系圖

T1 是鋁合金液沿升液管上升到澆口位置的時間。要求升液速度適當?shù)芈?；T2 是鋁合金液從開始注入型腔到充滿的時間，經(jīng)試驗，在保證毛坯成型的前提下，金屬液在壓力作用下上升充型速度宜緩慢；T3 是鑄件結晶凝固所需的保壓時間，它與鑄件的結構、模具及整個系統(tǒng)的冷卻散熱條件有關?？赏ㄟ^試驗得到較理想的數(shù)據(jù)；T4 是坩堝液面上解除壓力的時間，一般放氣時間為1～2 s。

3.2 冷卻系統(tǒng)的設計改善

在低壓鑄造系統(tǒng)中，必須確保鑄件得到自上而下的凝固順序，以獲得組織致密、優(yōu)良的鑄件。故模具溫度的控制尤為重要。理想的模溫分布是從頂模到澆口逐漸升高，模具各部分具體溫度控制范圍：頂模250～350 ℃，側(cè)模350～400 ℃，下模400～450℃，澆口處480～510 ℃。為此須對頂模實施強制冷卻。實際采用了氣冷方式對頂模進行冷卻，從效果看基本上得到了所需的溫度梯度，也基本上實現(xiàn)了鑄件從上至下的順序凝固方式。

3.3 排氣系統(tǒng)的改善

低壓鑄造所應用的金屬型基本上是密封的，它只能通過分型面、頂桿等處的間隙或排氣塞來實現(xiàn)排氣。低壓鑄造的氣體來源主要有：澆注過程中因液流控制不好而卷進的氣體；結晶凝固時從金屬液本身析出的氣體；砂芯未充分烘干充型時受熱而產(chǎn)生的氣體。金屬液充入型腔時，如果型腔內(nèi)的氣體不能迅速有效地排出，便會因型腔空間的不斷減小及被加熱膨脹，形成阻礙鋁液充型的阻力。隨著阻力逐漸增大，不僅阻礙鋁液的進一步充型，還有可能浸入金屬內(nèi)部，形成毛坯氣孔、欠鑄等缺陷。為提高鑄件成品率，在模具設計時我們就考慮了相應的改善排氣的措施。

(1)導向面(金屬型芯、頂桿)、各模塊合模面之間的間隙排氣。在這些相互接觸或配合的表面都有間隙，充型過程中能排出部分氣體，但由于間隙很小，一般在0.1～0.25 mm 范圍內(nèi),通常難以保證氣體迅速有效地排出，故在合適的部位特制出排氣槽。槽寬一般為8～15 mm，槽深一般為0.3～0.5 mm。

(2)在缸頭鑄件的非加工表面加刻網(wǎng)狀的冷卻筋。冷卻筋的間距一般為6～10 mm，筋的寬度為1 mm。具體的添加位置主要在缸頭的頂面以及進排氣口兩側(cè)，樣式如圖8 所示。

圖8 冷卻筋的位置及形式示意圖

(3)加設排氣塞。缸頭的鋁合金液最后充滿位置在頂模處，也就是缸頭頂面。為改善排氣系統(tǒng)，我們在搖臂室砂芯兩頭定位處、進排氣道砂芯頭定位處、鏈輪室砂芯腳定位處以及水道砂芯腳定位處加設了多個排氣塞，采用的是鐵基粉末冶金針孔狀排氣塞，間隙控制在0.25～0.35 mm，規(guī)格尺寸依據(jù)各砂芯定位部位的大小和形狀。

(4)利用砂芯芯頭排氣。射芯機制芯采用熱芯盒，芯砂用易潰散覆膜砂，其發(fā)氣量一般在10～14 mL/g。在缸頭模具砂芯定位的芯座處安裝排氣塞，讓芯頭與外界相通，以利于排氣。

3.4 熔煉工藝的改善

合金在熔煉前需對坩堝、攪拌鏟及熔爐爐襯、熔煉金屬原材料進行清洗和干燥?；貭t料的使用應嚴格限量，占比一般不超過原料總量的25%，機加工后的回爐料表面有切削液、灰塵、氧化物，要進行適當?shù)那鍧嵦幚怼；貭t料分一級回爐料和二級回爐料兩級，一級回爐料是指不合格的毛坯、切除下來的澆冒口和機加工的邊角余料（切屑）和機加工廢品。這類回爐料一般可不經(jīng)處理直接作為原料使用。二級回爐料是指含有較多雜質(zhì)的廢料和殘存有金屬過濾網(wǎng)的澆道和澆口杯，以及成分組織不合格的鑄件，帶有鑄鐵或其它材料鑲套的報廢鑄件等。二級回爐料需要經(jīng)過重熔、精煉、成份和組織分析化驗等工序，達到相關要求后才能酌情回用。

實際生產(chǎn)中，我們采用石墨坩堝單獨熔煉的方式，熔煉完畢后，進行精煉除氣、變質(zhì)處理，精煉劑的加入量占鋁液比重0.15%～0.30%，除氣機使用旋轉(zhuǎn)式，除氣的溫度控制在720 ℃±5 ℃，除氣時間為15 min 左右。

鑄造作業(yè)指導卡見圖9。

圖9 鑄造作業(yè)指導卡

3.5 澆注工藝的改善

在鑄件連續(xù)生產(chǎn)過程中，每生產(chǎn)五個件對模具型腔噴一次涂料，排氣塞每班生產(chǎn)前取下進行清理。正式澆注之前，將模具進行預熱到一定的溫度。因為模具預熱是保證模具正常工作和保證出模順暢得到合格鑄件的首要條件。實際生產(chǎn)中將模具預熱到250～300 ℃后，對型腔噴涂料，之后開始澆注。

(1)澆注溫度和模具溫度的確定

低壓澆注的澆注溫度比同條件下的一般澆注溫度低10～20 ℃。理論上偏高的澆注溫度和模溫有利于鑄件的成形，但會增大縮松傾向且組織晶粒粗大，會降低鑄件的機械性能。因此，在基本實現(xiàn)順序凝固的前提下，較快冷卻能使鑄件得到良好組織，但模溫和澆注溫度過低，易使鑄件產(chǎn)生冷隔。研究表明低壓鑄造的模具溫度一般控制在150～250℃；復雜、薄壁零件的模具溫度控制在250～350 ℃為宜。實際生產(chǎn)時，泥芯烘干溫度在200～220 ℃，時間4～5 h，保溫到50～80 ℃取出。針對缸頭鑄件所用材料澆注溫度控制在690～720 ℃的范圍內(nèi)，實際操作中溫度偏差控制在20 ℃以內(nèi)。

(2)涂料的使用要求

依據(jù)低壓鑄造原理，澆注前模具加溫后需要對模具型腔表面、金屬升液管及坩堝噴刷涂料。在生產(chǎn)過程中對升液管進行加溫、涂涂料后放到坩堝口，加熱溫度為150～250 ℃，涂料厚度為0.15～0.3 mm。實際使用效果良好。

4 結語

在水冷鋁合金缸頭低壓鑄造的實際試生產(chǎn)過程中，遇到了很多技術性難題，經(jīng)過質(zhì)量攻關，鑄件合格率由初期的30%～40%提高到90%，鑄件重要部位的表面質(zhì)量、鑄件綜合質(zhì)量測評等都有顯著提高。

本文對鑄件初期出現(xiàn)的鑄造缺陷產(chǎn)生的原因進行了分析，并針對性地采取了工藝預防和改善措施。并為批量生產(chǎn)制訂了鑄造作業(yè)指導卡。

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