铝缸盖铸造中常见的技术缺陷及铸造技术分析

    发动机缸盖通常由进气道、排气道、冷却水套、油池等组成，是汽车发动机的重要部件，近年来随着汽车轻量化的发展，铝合金以其重量轻的优点被广泛地应用于发动机缸盖生产中，铝缸盖具有重量轻，结构复杂，壁薄，精度要求高等特点，在力学性能及渗漏方面有特殊的要求，而汽车发发动机高效率、低油耗的发展使得缸盖的结构更加复杂，性能要求更高，铸造工艺的难度也更大。

一、铝缸盖铸造方法

1、传统铸造方法

（一）金属型低压铸造

    金属型低压铸造是一种采用低压铸造机，借助压缩空气或电磁泵在铸造机下部气密式浇筑炉中产生的压力，完成金属也自下而上的充型、凝固过程，从而生产出铸件的铸造方法，是较为传统且应用较为广泛的发动机缸盖铸造方法之一，其金属液收得率可一般可达到90%，远远高于金属型铸造的40%~60%，但生产率低，完成工艺所需时间长，大量生产时需要多台及其和多套模具，且模具结构、控温系统复杂，一次性项目建设投资高、设备维修较为复杂，目前在世界上的应用正逐渐减少。

（二）金属型重力铸造

    金属型重力铸造是一种利用重力的作用完成金属液充填金属铸型而生产铸件的铸造方法，该铸造方法与金属型低压铸造同属于传统铸造方法，与后者相比其增加了补缩冒口，金属液的利用率有所降低，但铸件渗漏缺陷的发生也较金属型低压铸造低。此种工艺具有表面质量好、尺寸精度高、工艺灵活、便于操作、设备简单可靠、投资少、生产效率高等多个优点，综合经济性较高，目前世界范围内大多数汽车工业铝铸造成已逐渐采用金属型重力铸造代替了金属型低压铸造。

2、铝缸盖铸造新工艺

（一）Cosworth铸造

    Cosworth铸造工艺也称为砂型低压铸造工艺，是目前世界上公认的最为先进的铸造工艺，由英国Cosworth公司针对高性能轿车发动机产品而设计出的工艺，是采用锆砂与SO2固话呋喃树脂成型、可编程控制电磁泵控制金属液充填铸型速度自下而上充填铸型获得铸件的铸造方法，其工艺原理如下图1所示。具有铸件组织紧密、气孔少，综合力学性能高、铸件尺寸精确度高、缸盖紧固螺栓孔可直接铸出、重量较其他铸造工艺低等多个优点，可实现精确清洁型生产，是处于世界领先地位的铸造技术。

图1 Cosworth工艺原理图

（二）消失模铸造

    消失模铸造也称为气化模铸造或EPC工艺，是上世纪70年代末出现的一种铸造新工艺，是利用泡沫聚乙烯制造出与铸件形状完全相同的模型浸涂耐火图层后放入可抽成真空砂箱填入不含粘结剂的干砂中，通过抽真空使砂子紧固成型，浇注金属液后模型受热气化消失，金属液填充模型消失后留下的空间，冷却后成型，该工艺可用于各种材质的铸件生产中，具有工序简单、生产周期短、生产率高，精度和表面质量优于传统铸造工艺、废品率低、工艺易于掌握、劳动强度低、投资相对较少等多个优点，尤其适合于铸件制芯和清理麻烦的需要制芯成型、形状复杂的气缸盖生产中。国内目前已有少量厂家采用此种工艺，但工艺水平较国外相比仍有较大距离。

二、铝缸盖铸造技术中常见缺陷及控制

1、气孔

（一）气孔的形成

    气孔缺陷是发动机气缸盖生产中普遍存在的较为严重的问题，缸盖气孔缺陷有反应性气孔、析出性气孔、侵入性气孔等，在现代生产条件下，以侵入性气孔最为常见，前两者已较为少见。发动机缸盖的内腔一般是采用砂芯，砂芯尤其是腹膜砂芯的发气量大且集中，浇注金属液时，铸型、砂芯、涂料、粘结剂等在高温的金属液作用下气化、分解产生大量的气体，随着温度的不断增高，气体体积增大，压力增大，当界面某一点的气体压力大于该点金属液表面的反压力时，气体可进入金属液中形成气孔。

    侵入性气孔多见于铸件罩边和底部进油嘴处，形成的原因主要有：①原材料发气量大：如覆膜砂，或混砂不均匀导致局部发气量过大；②铸型、芯子的排气不良：排气通道受阻或密封不严，涂料进入排气通道中阻塞通道阻碍气体的排出；③砂芯烘干不良，型腔排气不充分：烘干不良水分与金属液反应可加剧气孔产生，且可增加蒸发发气量，气体侵入型腔且阻碍气体排出；④浇注温度过低或速度过慢：可使铸件顶部金属液黏度增大，阻碍侵入型腔气体的排出，在顶部形成气孔；⑤浇注时卷入气体，浇注系统的静压力，使卷入的气体及其他以侵入铸件内部的气泡无法溢出也可形成气孔缺陷。

（二）控制措施

    针对气孔形成的原因，合理的气孔缺陷控制措施有：①降低材料发气量：内腔砂芯大部分被金属液包裹，其产生气体量的大小及气体排出是否顺利直接影响着铸件气孔产生概率的大小，实际生产中，在保证砂芯达到一定强度的前提下，应控制树脂的加入量，一般冷芯中两种组分总量须控制在1.6%~1.8%，砂芯要充分干燥；②金属液浇注中界面某一点的气体压力增大是侵入性气孔形成的主要原因，因此减少气孔缺陷的关键即是减少界面的气体压力。除减低材料发气量外，还可通过设计砂芯的排气通道，保证通道畅通；采用封火垫片、封火泥、粘芯胶等保护通道；在芯头相应位置安装通气针与大气相通等措施，减少界面气体压力；③控制金属液浇注速度、温度：提高浇注金属液温度是控制气孔产生的措施之一，一般初浇温度在（700±20）℃，但由于提高温度会造成能量损耗，同时还会带来渗漏、缩松等负面影响，因此实际生产中应根据产品的结构特点、质量要求进行适当的调整。提高浇注速度是降低提高温度带来的负面影响的有效措施；④生产过程中尽可能地保持足够高的金属液压力，包括保持较大的静压力和动压力，如可通过适当降低上型板分型面来增加铸件顶部有效静压力，以使其能抵消部分的界面气体压力，阻止气体的侵入。

2、渗漏

（一）渗漏的形成

   渗漏是指在缸盖气密性压力实验时发生的渗漏现象，多发生于缸盖水套、油道腔铸壁、铸件厚大热结部位，实际生产中缸盖渗漏主要是由于铸件凝固过程中的收缩缺陷造成的。缸盖铸件内腔结构复杂，壁厚不均匀，合金的液态收缩和凝固收缩会导致逐渐在最终凝固的部位出现孔洞，引起收缩缺陷。生产过程中造成收缩缺陷的主要原因有：①铸件不均匀，存在孤立的热结，使铸件凝固过程中补缩不足引起收缩缺陷；②铸件局部存在气孔、冷隔、非金属夹杂物等缺陷或是合金液中含有微量的有害元素、合金液收缩倾向大都可造成收缩缺陷；③金属型浇筑系统设计不合理，铸件内部组织不够致密，共晶体过过多且铸型刚度不够等可造成缩松而引起渗漏；⑤浇筑合金液体的温度过高，凝固速度慢，在热节部位和一些厚大的断面因最后凝固而补缩不足，容易产生缩松。

（二）控制措施

    生产中渗漏缺陷的防治措施主要有：①采取措施消除铸件局部存在的气孔、冷隔、非金属夹杂物等缺陷；在不影响工作要求的情况下，适当地改变铸件的结构②采取减少缩松倾向的措施，如适当提高碳当量，通常碳当量控制在3.95%~4.05%范围内；③提高铸件、砂芯刚度，如采用四根螺杆对角紧固，造型下芯后对芯组进行捣实、在上下模型上设计压砂槽等措施使铸型腔与砂芯紧密配合，提高铸型的刚度，从而防止凝固过程中石墨膨胀造成缩松，引起逐渐渗漏；④采用设置冷却系统、防止冷铁、喷涂料等强制冷却措施对热节进行处理；⑤选择膨胀系数较低、导热蓄热较好的的刚玉砂、铬铁矿砂等作为铸造原砂，加快合金液体凝固过程中的冷却速度，使铸件补缩通道更加畅通，确保补缩，从而减少渗漏。此外，在生产的过程中，合金液体中一些细小的夹杂物可与液体反应聚合留在逐渐薄壁内部，造成铸件内部组织不够致密，引起渗漏，因此还应确保涂料、炉衬、包衬的清洁度，以避免由微小杂物引起的铸件缺陷。

3、夹杂物孔洞

（一）夹杂物孔洞的形成

    夹杂物孔洞是铝合金铸件中常见的缺陷之一，型砂、芯砂、金属非金属夹杂物、增碳剂、耐火材料等夹杂物都可在铸件上形成此类缺陷，最为常见的孔洞缺陷为渣眼、砂眼，此类缺陷肉眼难以辨识，一般在显微镜下可看到渣、砂共存的现象，砂眼为排列紧密的石英砂颗粒群，渣眼也成为夹渣，是铝缸盖最常见的缺陷形态为不规则的熔融状玻璃体，两种缺陷常常共存。夹渣一般分布于铸件表面，其形成的原因有：①型腔不洁净，型腔内残留砂粒、型芯、涂料等冲刷下的残留物；②铝液与空气在流动充型过程中发生反应，产生氧化铝等沉淀渣；金属同炉衬、包衬相互作用形成渣滓等；③合金液体的纯净度低，熔炼时形成的氧化渣、还原渣等或是溶剂形成的渣滓。

（二）控制措施

    防止夹杂物孔洞出现的常用控制措施有：①合理地设计浇注系统，控制浇注时间、内浇道处铝合金液体的流速，以避免由于浇注时间过程而使上型受到金属液长时间烘烤导致砂芯表面开裂脱落及流速过快、液体冲击大而造成的砂芯表面开裂脱落；②清除型腔内的残留物，确保砂芯飞边毛刺清理干净，涂料烘干后合模前砂芯表面砂粒灰尘要冲干净；③砂芯涂料是不可太厚，尤其对于工艺要求两次涂料时，必须等第一次干燥后再涂第二层；同时采用合理的涂料，以保证涂料的粘附力。

结语：

    随着汽车制造业的发展，汽车发动机缸盖铸造工艺也得到了一定的发展，目前缸盖的铸造方法有较多种，不同的铸造工艺有各自的优缺点，在实际生产的过程中，应综合考虑多种因素选择合适的工艺，而发动机铝合金缸盖结构复杂，生产过程中受到的影响因素多，易发生气孔、渗漏、夹渣等难以控制的缺陷问题，生产中应严格控制工艺操作，针对缺陷问题采取及时采取相应的措施，不断改进工艺，提高铸造水平。

参考文献：

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