A356缸蓋鑄件針孔缺陷分析及對(duì)策

汪紫亮，朱協(xié)彬，王公昱

(1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.蕪湖永達(dá)科技有限公司，安徽 蕪湖 241000)

隨著汽車輕量化步伐的加快，發(fā)動(dòng)機(jī)也逐漸由鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變成全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)[1-2]，其主要原因是全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)可以使汽車整體減重。發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)受到較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)載荷和較高的熱載荷[3-4]，因此選擇合適的鋁合金充當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的生產(chǎn)材料變得尤為重要。A356鋁合金由于具有良好的鑄造性和優(yōu)異的力學(xué)性能，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)中被廣泛使用[5-6]。但在鑄造過程中產(chǎn)生的鑄造缺陷會(huì)大大降低其力學(xué)性能，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)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(fù)雜。夾雜物、冷卻速度、變質(zhì)等因素都是導(dǎo)致針孔產(chǎn)生的原因[7-8]。E4T15B缸蓋是某公司產(chǎn)量最大的一種鋁合金缸蓋產(chǎn)品。其缸蓋主要給國(guó)內(nèi)數(shù)家著名車企發(fā)動(dòng)機(jī)做配套服務(wù)，缸蓋年產(chǎn)量達(dá)到20萬臺(tái)以上，但經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)大量由于針孔缺陷而報(bào)廢的缸蓋鑄件。因此對(duì)E4T15B缸蓋針孔缺陷進(jìn)行分析具有極高的代表性和價(jià)值性。以E4T15B缸蓋出現(xiàn)的針孔為研究對(duì)象，對(duì)缸蓋出現(xiàn)針孔的部位組織以及針孔內(nèi)部元素成分進(jìn)行分析，判斷缸蓋針孔產(chǎn)生的類型和產(chǎn)生的具體原因，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)針對(duì)此缺陷提出相應(yīng)解決對(duì)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(jù)產(chǎn)生機(jī)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(chǎn)生針孔的類型不同，其解決的對(duì)策也有著明顯的不同。通過對(duì)出現(xiàn)針孔缺陷的缸蓋進(jìn)行觀察分析，針孔缺陷主要出現(xiàn)位置如圖1所示。由圖1a可以看出，針孔基本上都出現(xiàn)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(xì)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(chǎn)生的類型，將缺陷位置利用線切割機(jī)取下，然后利用超景深三維形貌儀進(jìn)行觀察，觀察結(jié)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(guī)則，且內(nèi)部呈蜂窩狀；圖2b是針孔內(nèi)部形貌，可以看出內(nèi)部不光滑，根據(jù)針孔缺陷判斷原則可知，缸蓋出現(xiàn)的針孔為析出型針孔。

圖2 針孔形貌圖

2 缸蓋針孔缺陷產(chǎn)生的原因

為了進(jìn)一步了解針孔分布與缸蓋內(nèi)部的情況，對(duì)缸蓋進(jìn)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(fā)現(xiàn)明顯針孔，而螺紋孔下部有明顯針孔。為了進(jìn)一步研究缸蓋螺紋孔下部產(chǎn)生針孔的原因，將缸蓋分為上中下3個(gè)部位進(jìn)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(xì)化和共晶硅細(xì)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(zhǎng)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(xì)化程度越低，而離針孔缺陷越遠(yuǎn)的地方，硅相細(xì)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(fā)現(xiàn)針孔，而初晶 α-Al明顯減小，硅相細(xì)化程度整體較為均勻。由圖3d可知，共晶硅尺寸細(xì)化程度較好，主要以點(diǎn)狀和細(xì)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(chǎn)生，初晶 α-Al進(jìn)一步減小，組織細(xì)化程度最高。從圖3f中可以看到，缸蓋底部的共晶硅尺寸進(jìn)一步細(xì)化，主要以點(diǎn)狀形式存在，且共晶硅的分布最為均勻。

針孔出現(xiàn)位置的組織細(xì)化程度都較差，且共晶硅都是以針狀和長(zhǎng)條狀分布，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要和缸蓋不同部位的冷卻速度有關(guān)。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(dāng)冷卻速度較快時(shí)，鋁合金在凝固過程中α-Al會(huì)先形核長(zhǎng)大，而硅原子受到α-Al的壓力會(huì)向固液前沿聚集，從而導(dǎo)致液相中的硅原子濃度升高。當(dāng)液相中硅濃度升高，會(huì)導(dǎo)致α-Al相生長(zhǎng)受到制約，使α-Al相不斷產(chǎn)生錯(cuò)排和孿晶，從而導(dǎo)致α-Al的生長(zhǎng)不停改變，從而產(chǎn)生晶粒細(xì)化的現(xiàn)象，使共晶硅的尺寸變小。缸蓋中部冷卻速度相對(duì)較慢，α-Al的生長(zhǎng)速度也隨之減慢，硅受到α-Al的生長(zhǎng)壓力也較小，因此在液相中硅的濃度也隨之降低，降低了對(duì)α-Al的生長(zhǎng)約束，從而晶粒細(xì)化程度減弱，導(dǎo)致共晶硅尺寸相對(duì)較小。而在缸蓋上部位置，冷卻速度最慢，幾乎達(dá)到平衡凝固狀態(tài)，從而導(dǎo)致α-Al形核速度大幅降低，降低了α-Al的生長(zhǎng)速度，因此當(dāng)液相中硅的濃度基本達(dá)到平衡濃度時(shí)，α-Al與硅相會(huì)以平衡狀態(tài)生長(zhǎng)。由于冷卻速度較慢，使α-Al和硅相有足夠的時(shí)間生長(zhǎng)，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(chǎng)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(jīng)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(chǎng)圖

為了解缸蓋針孔形成的其他原因?qū)ζ鋬?nèi)部進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果如圖5所示。針孔缺陷內(nèi)部的元素成分含量如表1所示。通過對(duì)表1進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，針孔內(nèi)部含有大量C、O雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)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(huì)以?shī)A雜物為形核介質(zhì)，從而在氫與夾雜物的共同作用下長(zhǎng)大，最終形成析出型針孔。

針孔出現(xiàn)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(huì)迅速下降，從而造成氫原子在固液界面處的大量積聚，出現(xiàn)氫富積現(xiàn)象。而氫富積區(qū)域會(huì)產(chǎn)生氫的濃度差，在濃度差的作用下，氫原子會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象。濃度差越大，擴(kuò)散也越強(qiáng)。又由于鋁液中的氫只存在有限擴(kuò)散，且固態(tài)中的氫擴(kuò)散極小可忽略不計(jì)，這樣就可以用溶質(zhì)再分配方程進(jìn)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(zhì)平衡分配系數(shù);D為氫在鋁合金液中的擴(kuò)散系數(shù);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(huì)存在氫過飽和區(qū)Δx，而當(dāng)鋁液中初始濃度一定時(shí)，過飽和區(qū)的氫濃度CL主要和凝固速度R以及擴(kuò)散系數(shù)D有關(guān)。當(dāng)R增大、D減小時(shí)，CL就越大。當(dāng)過飽和區(qū)的氫濃度大于鋁液中的氫溶解度SL時(shí)，氫離子就會(huì)形成氫氣析出。鋁液中氫析出除了與固液前沿過飽和區(qū)域Δx有關(guān)，還與氫在過飽和區(qū)域的時(shí)間Δτ有關(guān)。

(2)

由式(2)可知，Δτ和凝固速度R有關(guān)，R越大，氫在過飽和區(qū)域存在的時(shí)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(nèi)部EDS分析圖

表1 針孔缺陷內(nèi)部的元素成分含量

3 缸蓋針孔缺陷解決對(duì)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(xiàn)位置的冷卻速度。

(2)采用熔化爐熔煉，保溫爐獨(dú)立生產(chǎn)的模式。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的觀察發(fā)現(xiàn)，盡管保溫爐有N2對(duì)鋁液進(jìn)行連續(xù)式除氣，但精煉和未精煉的鋁液在一起長(zhǎng)期混合，相互污染，含氫量水平較高。因此，應(yīng)該將鋁液倒入轉(zhuǎn)運(yùn)包，在轉(zhuǎn)運(yùn)包中進(jìn)行精煉，然后倒入保溫爐中。實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果表明此方法有明顯效果。

(3)改進(jìn)澆鑄系統(tǒng)。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(wěn)，但充型時(shí)間長(zhǎng)，通常26～28 kg的缸蓋需要20～22 s的澆注時(shí)間，盡管這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(shí)，容易在缸蓋上形成針孔缺陷。

針對(duì)這種情況對(duì)澆鑄系統(tǒng)和澆鑄方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，最終采用翻轉(zhuǎn)式澆鑄工藝，澆鑄示意圖如圖7所示。對(duì)澆鑄過程的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果如圖8所示。通過對(duì)模擬溫度場(chǎng)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)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(jìn)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(chǎn)生。

圖6 底注式澆注示意圖 圖7 翻轉(zhuǎn)式澆注示意圖

圖8 澆鑄過程中模擬溫度場(chǎng)圖

4 結(jié)論

E4T15B鋁合金缸蓋針孔缺陷主要產(chǎn)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(xiàn)的組織較為粗化，其共晶硅以長(zhǎng)條狀和片狀形貌存在。針孔產(chǎn)生的主要原因是鋁液精煉效果不佳，導(dǎo)致鋁液含氫量較高。造成針孔出現(xiàn)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(qiáng)砂型透氣性和降低澆鑄溫度，并采取增加轉(zhuǎn)運(yùn)包精煉工序，可以有效降低缸蓋針孔缺陷產(chǎn)生。通過計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，翻轉(zhuǎn)式澆注可以有效加快缸蓋的充型冷卻速度，降低針孔的產(chǎn)生。