鋁活塞內冷油道氣窩缺陷淺析

■ 李占軍，閆汝輝，許海軍，鄧志陽，王云峰

1.概述

隨著發動機技術的迅速發展，高增壓發動機和高負荷柴油機越來越普遍，活塞作為發動機的核心部件，所承受的熱負荷和機械負荷大幅提高。活塞所承受熱負荷的提高導致活塞頭部溫度升高，為加強對活塞的冷卻，降低活塞頭部溫度，在活塞頭部用水溶鹽芯鑄出冷卻油道成為必然選擇。

我公司鑄件毛坯生產全部采用金屬型重力鑄造，即鋁液在重力作用下澆入金屬型成形，含內冷油道活塞毛坯生產過程復雜，在生產前需要分別準備鹽芯及模具，鹽芯生產與準備及模具準備過程如圖1所示。

含內冷油道活塞毛坯鑄造過程中內冷油道失效模式分為3類，分別是鹽芯變形導致內冷油道變形、內冷油道位置偏移及內冷油道氣窩。其中內冷油道氣窩失效所占內冷油道活塞失效比例最大(見圖2)，是最致命的缺陷，產生的危害最大，內冷油道氣窩失效會造成燃燒室穿頂，活塞斷裂破碎(見圖3)，導致發動機動力迅速下降甚至失去動力，對使用者的生命財產安全埋下巨大隱患。

鑒于內冷油道氣窩失效造成的危害，有針對性地進行試驗并采取改進措施，減少內冷油道氣窩缺陷的產生，避免存在內冷油道氣窩缺陷的活塞交付給客戶是活塞制造企業急需解決的難題。

圖1 鹽芯生產與準備及模具準備過程

圖2 內冷油道氣窩缺陷

圖3 內冷油道氣窩導致活塞斷裂

2.內冷油道氣窩缺陷產生原因分析

經對內冷油道活塞毛坯生產時氣體的來源進行分析，造成內冷油道氣窩失效的原因大體存在以下5種：

（1）為使毛坯凝固后順利出模，防止毛坯內冷油道出口部位刮鋁，保證內冷油道位置尺寸，需對鹽芯支撐桿及模具配合部位涂刷石墨溶劑，涂刷石墨溶劑后在模具未充分預熱的情況下生產，澆注過程中石墨溶劑中的水分遇高溫鋁液形成氣泡附著在鹽芯上，在活塞油道內形成氣窩缺陷。

（2）模具串水、鑄造機潤滑油等外來水源或油料源在澆注前或澆注時滴入型腔內，遇高溫鋁液后生成氣體，隨鋁液上浮過程中遇到鹽芯阻礙后不能排出，黏附在鹽芯上，在內冷油道部位形成氣窩缺陷。

（3）鹽芯燒結不徹底、預熱不充分，鹽芯本體內含有水分，在高溫鋁液充型時水分從鹽芯內被汽化出來形成氣泡，黏附在鹽芯表面，在內冷油道形成氣窩缺陷。

（4）鹽芯在使用過程中受到污染，鹽芯表面存在水或油污，澆注過程中鹽芯表面的水或油污遇高溫鋁液汽化，在內冷油道表面形成氣窩缺陷。

（5）模具型腔內的氣體澆注時無法順利排出，堆積在鹽芯附近，鋁液凝固后在內冷油道部位形成氣窩缺陷。

3. 氣窩缺陷產生原因試驗和模擬

對內冷油道氣窩缺陷產生原因分別進行試驗和模擬，確定主要原因如下：

（1）在鹽芯支撐桿及模具配合部位涂刷石墨溶劑，并在模具未預熱情況下鑲嵌燒結、預熱充分的鹽芯后澆注生產，試驗生產10只毛坯，然后將毛坯切斷觀察內冷油道表面質量，其中 6只在支撐桿部位存在氣窩缺陷（見圖4）；為確認模具預熱充分與否是否是造成內冷油道氣窩的原因，我們進行了對比試驗，即在鹽芯支撐桿及模具配合部位涂刷石墨溶劑后對模具充分預熱，生產10只毛坯后將毛坯切斷觀察內冷油道表面質量，模具充分預熱后生產的毛坯內冷油道表面質量良好，不存在氣窩缺陷(見圖5)。

經過對比試驗發現模具預熱不充分會造成內冷油道表面出現氣窩缺陷的概率增加，是造成內冷油道氣窩缺陷的主要原因。

（2）在正常生產的模具型腔內滴上水滴或油滴后進行澆注試驗，每次澆注鋁液前均在型腔內滴上水滴或油滴，共試驗10只毛坯，然后將毛坯切斷觀察內冷油道表面質量，內冷油道表面質量良好，并未形成氣窩缺陷(見圖6)。

經過試驗可以發現在模具正常生產時，型腔中滴入較少量的水或油不會造成內冷油道氣窩缺陷，而型腔中的水或油較多時生產人員會及時發現并停止澆注，因此模具型腔內存在水滴或油滴不是產生內冷油道氣窩缺陷的原因。

（3）針對鹽芯燒結不徹底、預熱不充分是否會造成內冷油道氣窩缺陷進行如下試驗。

首先，取燒結徹底的鹽芯按照工藝要求預熱溫度預熱不同時間后分別澆注10只毛坯進行對比試驗，觀察鹽芯預熱情況對內冷油道質量的影響，試驗情況如表1所示。燒結鹽芯生產的毛坯如圖7所示。

其次，取未燒結的鹽芯按照工藝要求預熱溫度預熱不同時間后分別澆注10只毛坯進行對比試驗，觀察鹽芯預熱情況對內冷油道質量的影響，試驗情況如表2所示。未燒結鹽芯生產的毛坯如圖8所示。

通過試驗可以發現，鹽芯燒結不充分會造成內冷油道嚴重氣窩缺陷，是內冷油道氣窩缺陷產生的主要原因。在鹽芯燒結充分的情況下鹽芯即使預熱不充分也不會對內冷油道質量產生影響，鹽芯預熱充分與否不是內冷油道氣窩產生的原因。

圖4 模具未預熱生產毛坯

圖5 模具充分預熱后生產毛坯

圖6 模具型腔滴水后生產毛坯

（4）在正常生產過程中，鹽芯自預熱爐取出后鑲入模具前在鹽芯表面滴水，將滴水鹽芯鑲入模具后澆注，試驗10只毛坯后將毛坯切斷觀察內冷油道表面質量，內冷油道存在氣窩缺陷。

經過試驗證明，鹽芯在使用過程中受到污染會對內冷油道質量產生重要影響，是造成內冷油道氣窩缺陷的主要原因。鹽芯受污染后生產的毛坯如圖9所示。

（5）針對澆注過程中模具型腔中的氣體是否可以順利排出，以及型腔中的氣體是否會卷入鋁液中黏附在鹽芯表面形成內冷油道氣窩缺陷，應用MAGMAsoft鑄造模擬分析軟件進行模擬分析（見圖10、圖11），并通過在模具不同部位增加排氣塞觀察其對內冷油道氣窩缺陷的影響。

通過對比發現模具透氣性會對內冷油道氣窩缺陷產生重要影響，是造成內冷油道氣窩缺陷的主要原因。

表1

表2

圖7 燒結鹽芯生產毛坯

圖8 未燒結鹽芯生產毛坯

圖9 鹽芯受污染后生產毛坯

圖10 增加排氣塞前模擬分析結果

圖11 增加排氣塞后模擬分析結果

4.制訂改進措施并實施

（1）對澆注工藝進行調整，在澆注工藝中明確規定澆注模具預熱件數量為生產前澆注5只預熱件，避免因模具預熱不充分造成內冷油道表面氣窩缺陷。

（2）對鹽芯燒結爐爐膛內溫度進行檢測，確認鹽芯燒結溫度是否達到工藝要求，經過檢測鹽芯燒結爐爐門位置燒結溫度較低，達不到鹽芯燒結溫度要求，為此在鹽芯燒結工藝中對鹽芯在燒結爐中的放置位置做出明確規定，要求鹽芯燒結時距離燒結爐爐門10cm以內不得放置鹽芯。

（3）在澆注工藝中增加對鹽芯取放工具及鑲嵌工具表面清潔度要求，并規定取放鹽芯必須戴線手套，不能徒手摸鹽芯。

（4）對鹽芯支撐桿及模具進行修改，使用通孔鹽芯支撐桿（見圖12），在模具頂模增加氣塞孔，保證模具型腔中氣體順利排出模具。

（5）為防止內冷油道存在氣窩缺陷產品交付客戶，制訂內冷油道嗆孔檢測標樣（見圖13），并根據標樣使用超聲波檢測機對內冷油道進行檢測。

5.效果檢查

改進措施實施后，內冷油道氣窩廢品數量大幅下降，內冷油道氣窩缺陷廢品占內冷油道缺陷廢品的比例由80%下降至10%，內冷油道缺陷廢品率由原來的3%以上降至1%以下，客戶反饋活塞穿頂問題明顯減少，由以前的每年10余起降至零。

圖12 通孔鹽芯支撐桿

圖13 嗆孔標樣

6.結語

（1）通過對內冷油道氣窩缺陷進行原因分析，并對分析原因進行試驗和模擬，從而確定出造成內冷油道氣窩缺陷產生的主要原因，針對主要原因采取改進措施，修訂生產工藝，有效減少了內冷油道氣窩缺陷廢品的產生，降低了內冷油道氣窩缺陷廢品率。

（2）通過采取措施對內冷油道氣窩缺陷進行檢測，避免了存在內冷油道氣窩缺陷產品交付給客戶，減少了客戶反饋，為公司贏得了良好聲譽。