汽车铝合金缸盖铸件缺陷分析及控制

汽车铝合金缸盖铸件缺陷分析及控制　刘永刚，蔚明权　（一汽铸造有限公司有色铸造分公司，吉林长春１３００６２）　摘要：对铝合金缸盖的针孔和气密漏缺陷进行了分析。铝液吸氢是产生针孔的主要原因，可以　通过对铝液进行精炼除气，并合理选择浇注参数和严格控制浇注过程来抑制针孔缺陷；发动机　缸盖气密漏是由水套砂芯发气量过大造成的，提出了降低砂芯自身发气量和加强浇注模具排气　能力的控制措施。　关键词：铝合金缸盖；针孔；气密性；铸造工艺　中图分类号：ＴＧ２４５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３－３３２０（２０１３）０４－０００６－０５　Ｄｅｆｅｃｔｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ａｌｌｏｙ　Ｃｙｌ　ｉ　ｎｄｅｒ　Ｈｅａｄ　Ｃａｓｔｉ　ｎｇｓ　Ｌｉｕ　Ｙｏｎｇｇａｎｇ，Ｙｕ　Ｍｉｎｇｑｕａｎ　（Ｎｏｎ—Ｆｅｒｒｏｕｓ　Ｆｏｕｎｄ￣，ＦＡＷ　Ｆｏｕｎｄ￣Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１　３００６２，Ｊｉｌｉｎ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｉｎｈｏｌｅ　ａｎｄ　ａｉｒ　ｌｅａｋ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｈｅａｄ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｒｅａｓｏｎ　ｆｏｒ　ｐｉｎｈｏｌｅｓ　ｗａｓ　ｔｈｅ　ｍｏｌｔｅｎ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｂｓｏｒｂｉｎｇ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｏｎ￣ｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ｄｅｇａｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｒｅａｓｏｎａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ　ａｉｒ　ｌｅａｋ　ｒｅｓｕｌｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｍｏｒｅ　ｇａｓ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｊａｃｋｅｔ　ｓａｎｄ　ｃｏｒｅ，ａｎｄ　ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ａｃｋｅｔ　ｓａｎｄ　ｃｏｒｅ　ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｘｈａｕｓｔ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｍｏｕｌｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｈｅａｄ；ｐｉｎｈｏｌｅ；ａｉｒ　ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ；ｃａｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　轿车铸件目前正朝着轻量化、精确化、强　韧化和复合化方向发展。研究表明，汽车质量　每减重１Ｏ０　ｋｇ，油耗可降低０．００７　Ｌ／ｋｍ［１］。在英　国，１９８９年汽车单车用铝量为４７　ｋｇ，１９９２年为　５０～６０　ｋｇ，２０００年已达到１１５　ｋｇ［２］；美国、日本　等也有相同的趋势。而在我国，“九五”计划的　我厂从上世纪８０年代开始生产铝合金缸盖　等发动机用铸件。在近２０年的生产中积累了大量　的经验。本文对铝合金缸盖常见铸造缺陷产生的　原因进行了分析，并提出了具体的防止和控制措　施。　轿车单车用铝量为３０　ｋｇ，轻型车为６０　ｋｇ［３］，差距　是明显的。因此，加大铝合金铸件的应用是轿车　工业的重要发展趋势。目前国内外几乎大部分轿　１　铝合金缸盖针孑Ｌ　针孔是铝合金铸件常见缺陷。它不但降低铸　件的力学性能、致密性、抗腐蚀性能、抗裂纹扩　展性能，同时还影响铸件外观质量。　车的缸盖已经采用高强度铝合金生产，铝合金缸　盖正在迅速取代铸铁缸盖［４］。１　９９２年美国大约２９％　的小汽车和轻型汽车采用铝合金缸盖，到１９９８年　提高到８８％，而欧洲１９９８年提高到９１　０／０【　。铝合　金缸盖制约着引进车型的产量及质量。由于铝合　１．１铝合金针孔产生原因　氢是导致铝合金产生针孔的主要根源。空气　中只含氢Ｏ．０１％（体积分数），在铝合金的熔化过　程中，金属周围空气介质的含氢量不大。因此许　多研究者认为，吸氢的主体是空气中的水分。在　高于４００℃时，铝和空气中的水蒸气接触后产生　金缸盖结构和工艺都很复杂，而且质量要求非常　高，因此，国内铝合金缸盖铸件的废品率很高。　收稿日期：２０１２—１２—０４　作者简介：刘永刚（１９７４－－），男，高级工程师，主要从事汽车铝合金铸件铸造工艺开发及质量改进工作　６　ｌ　ｚ。１３年第４期　下列反应：　炼工艺可以获得比较洁净的铝合金熔体，为防止　３Ｈ２０＋２Ａｌ＝Ａ１２０３＋６［Ｈ］　３Ｈ２Ｏ＋２ＡＩ＝Ａ１２Ｏ３＋２Ｈ２　缸盖针孔的产生提供必要的保证。　旋转除气精炼工艺有几点值得注意。首先　除气棒在使用前必须经充分烘烤，否则会对铝　液造成污染。另外应选择适用的气体。由于氮　气价格低廉，通氮精炼是最早采用的方法。但　生成一部分氢原子和一部分氢分子。前者为铝液　吸收，后者进入空气。通过热力学计算可以得　出，在Ａ１．Ｈ　Ｏ—Ｈ：体系内，即使水蒸气分压很小，　平衡氢分压也可达到很高值，足以加速氢原子在　铝液中的扩散。假设７２７℃时大气中水蒸气分压　为１　３３３．２２１　Ｐａ，那么，在铝液一气体界面上的氢　它存在明显的不足：①为避免生成大量氮化物　夹杂（如Ａ１Ｎ、Ｍｇ　Ｎ：等），精炼温度要求过低　（７１０～７２０℃）『８］，从而限制了氢向气泡的扩散能　分压可达到８．９×１０９　ＭＰａ，每ｌ００　ｇ铝液中含氢量　可达Ｎ３．２４×ｌ０５　ｃｍ３［６］。在产生氢的同时也生成　氧化膜，且该氧化膜不会开裂，因此它在一定程　度上可阻止上述反应的进行。　从氢气的来源和进入铝液的过程可以看出，影　响铝液吸附氢气的因素不外乎两个：①铝液周围的　水蒸气含量；②铝液中氧化膜的致密程度。随着空　气中含水量的不断变化，铝液中的含氢量也在不断　变化，进而气孔量也随之变化。冬天空气中含水量　为３～４　ｇ／ｍ３，夏天达１８　ｇ／ｍ　以上，相应地在空气湿　度最大的夏季铸件产生的针孔最多【　。　溶解在铝液中的氢有三种状态：原子态、　分子态和化合物态。其中只有氢分子可能形成　针孔，氢分子与氢原子处于动态平衡状态２［Ｈ］一　Ｈ　。在金属结晶过程中，氢原子、氢分子和氢　化物分别以不同形式析出：氢原子扩散至金属表　面，然后脱离吸附状态蒸发；氢分子以气泡形　式从金属液排除；氢化物以非金属夹杂物形式排　除。从金属液中析出的一部分气泡未能上浮至界　面，则留在金属液中使铸件产生针孔。　１．２铝合金缸盖针孑Ｌ防止与控制　１．２．１　洁净的铝合金熔体　铝合金熔体的洁净是防止缸盖产生针孔的关　键，目前主要使用旋转除气精炼工艺。它利用喷　头的旋转作用将气体喷射出，保证气泡细小且速　度快。细小的气泡在接近熔池底部的平面上呈辐　射状喷射，在旋转力和上浮力的作用下沿螺旋状　轨迹上升，直至逸出铝液面。在气泡的上浮过程　中，将铝合金中的氢和氧化夹杂一起排出，达到　净化铝液的目的。这种方法的优点有：气泡在铝　液中分布均匀；可通过增大气流量来增加气泡数　量而不至于使气泡合并；气泡在铝液中停留时间　相对延长，铝液表面较为平稳。使用旋转除气精　力；②氮气泡只能吸入约为本身容量０．１倍的氢，　精炼效果不明显；③对氮气质量要求比较严格，　含微量的氧和水分都会极大地降低精炼效果，如　含氧０．５％即可使除气效果降低４０％ｔ　。另外一种　常用的气体为氩气，它具有以下优点：①氩气是　工业产品，质量比较容易保证；②通氩精炼的温　度可提高到７６０℃，有利于增强氢的扩散能力；　③由于氩的密度比氧大，可富集在铝液表面防止　铝液与炉气的反应，因此精炼效果较好（接近　Ｃ：Ｃｌ　的精炼效果）ｔ９１。因此使用高纯的氩气作为　精炼的介质。　铝水精炼后需要进行评价和检测。根据式　（１）的原理对除气后铝液的密度指数进行监控。　Ｄ＝　×１００％　（１）　式中：Ｄ为铝液密度指数（也称为含气指数）；Ｐ　为　常压密度，在常压下测得的铝液密度；Ｐ：为真空　密度，在相对负压一８　ｋＰａ下测得的铝液密度。　从式（１）可以看出，铝液中气体被排除得　越彻底，Ｐ　和ｐ　的数值越接近，两者的差值就越　小，那么Ｄ值就越小，也就是说铝液的精炼效果　越好。所以Ｄ值是铝液精炼效果评价的量化指　标。　１．２．２　浇注过程的控制　铝液中的含气量只是提供了形成针孔的可　能性，但决定是否形成针孔的是铸件的凝固速度　及凝固时作用于铝液的外压。如同一炉铝液浇注　在砂型中会形成针孔，而在金属型中则针孔就可　能大大减少，甚至消除。这是因为氢在铝中的溶　解度随温度下降而减小，即在液态铝中的溶解度　大，在固态铝中的溶解度小。所以结晶时氢便从　固态金属扩散至未凝固的铝液中，随着铝液的减　少和固态金属的增加，氢在剩余铝液中的浓度越　ｚ㈣年第　期　Ｉ　７　来越大。一般在固液界面即氧化夹杂物的表面产　生第一批气泡，另一部分被阻留在铸件内，便形　成针孔。　因此在实际的铝合金缸盖浇注工艺参数的选　择上便有了理论指导和依据。例如尽量使用金属　型浇注，浇注温度尽可能低，在７００～７２０℃为　佳。金属型冷却速度快，同时为改善铸件凝固的　温度场，使铸件的凝固顺序更加合理，在金属型　上可以增加水冷等冷却装置。发动机缸盖最关键　的部位是燃烧室面，一般的主机厂都会根据不同　的车型发动机提出具体要求，例如德国大众公司　对缸盖燃烧室面Ｄａｓ（枝晶间距）的要求。由此金　属型浇注便体现出了优势，在燃烧室的模具处增　加强冷装置以加快铝液的冷却速度，并且通过控　温装置可以使模具的温度始终处于恒定的温度范　围内，从而有效保证缸盖的质量，在避免出现针　孔等缺陷的同时保证了晶粒细化和组织致密。　铝液在高于４００℃时与空气中的水蒸气接触　后产生反应，所以理想的浇注状态应为铝液始终　处于惰性气体的保护下，这样可以避免与空气中　的水分和氧气接触。使用的Ｓｔｒｉｋｏ公司定量浇注炉　具有完全封闭的整体炉体，用氮气作为定量出铝　的动力，同时氮气还可以充当保护气体，使经过　精炼后的铝液得到有效保护，从而阻止铝液的吸　气和氧化，避免气孔的产生。需要强调的是，定　量浇注炉的升液管、合料管在使用前必须经充分　的烘烤，否则会对铝液造成二次污染，导致铝合　金缸盖内产生针孔。　１．２．３铝合金缸盖针孔控制措施　某批次缸盖在客户加工后，加工面存在大量　针孔。根据上述分析采取措施使针孔缺陷得到有　效控制。　１）旋转除气棒使用前经过烘烤，确保除气棒　插入中转包内铝液的深度适中，且位于中转包正　中心的位置，以保证除气效果；　２）除气时间控制在８～１２　ｍｉｎ，确保密度指　数低于１％，对每班密度样块进行抽检；　３）炉料配比合理，回炉料加入量不少于４０％。　２铝合金缸盖气密漏　２．１　铝合金缸盖气密漏的原因分析　将粗加工后的铝合金缸盖密封在一定的压力　８　ｌ　２。ｌ３年第４期　下（一般为２５０　ｋＰａ），观察气体的泄漏量是否在　客户要求的范围内，如果达标则说明缸盖满足气　密性要求，否则为气密性不合格，俗称气密漏。　一般客户均要求对发动机缸盖的气道、油道　和水套进行气密性检测。由多年的经验可知，发动　机缸盖气密漏的形式多种多样，其产生原因也不尽　相同，如局部热节处缩松导致的气密漏，或内腔冷　隔、氧化夹杂等导致的气密漏。基于近几年铝合金　缸盖开发及生产状况，由于水套砂芯造成发动机缸　盖气密漏已经成为困扰产品质量的主要问题，因此　着重针对缸盖水套的气密漏进行探讨。　发动机缸盖的水套型腔由砂芯形成，在浇注　过程中大部分水套砂芯被铝液包裹在内。砂芯中　的树脂遇到熔融铝液会瞬间发出大量的气体，当　部分气体的压力达到一定值时会阻碍铝液流动，　也可能影响两股铝液的融合，产生类似冷隔的裂　纹，如图１所示。这种缺陷进而会导致铸件的气密　漏。　由此可知，水套芯发气量是影响缸盖气密漏　的主要原因。　图１　缸盖水套内裂纹　２．２　铝合金缸盖气密漏的控制　２．２．１砂芯发气量控制　１）在原砂粒度相同时，树脂加入量越低，　砂芯的发气量也越低。因此在保证砂芯强度的前　提下，树脂的加入量应尽量低。以４０／７０目原砂　为例，选用德国ＨＡ公司的温芯树脂，其加入量　为原砂质量的１．６％，芯砂的常拉强度即可达到　２．８１　ＭＰａ，此时发气量为１２．７　ｍＬ／ｇ，能满足使用　要求。　２）应尽量选择粒度粗的原砂，以增加砂芯的　透气性，即加强气体从砂芯排出的能力。一般水　套芯用砂多选用４０／７０目原砂。