3G鋁合金缸蓋縮孔分析與解決

易 長，馬德文

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

0 前言

隨著汽車產業發展和油耗、環保標準提升，汽車輕量化有助于降低油耗，同時減少大氣污染物的排放，鋁合金在汽車和發動機行業取代部分黑色金屬件成為重要的發展趨勢，發動機鋁合金缸蓋所占的比例越來越大。

發動機缸蓋內腔結構復雜，包括冷卻水套、回油道、進氣道和排氣道等多種復雜型腔，缸蓋內部壁厚薄厚不均，尺寸突變大，鋁合金相比鐵合金流動性弱，凝固收縮大，故而鋁合金缸蓋內部更容易出現縮孔、縮松之類的孔洞類缺陷[1]，廢品率也普遍相對較高。

鋁合金缸蓋縮孔形成機理：鑄件在凝固過程中，因凝固收縮空隙得不到足夠的鋁液補償而形成容積大而集中的孔洞，一般發生在最后凝固的部位?？s孔的發生主要包含三個方面的影響因素：1）鋁合金材質方面，即合金化元素的含量高低影響鋁液的流動性，一般來說適當提高合金化元素含量如硅、銅、鎂的含量有助于提高流動性，增強補縮效果，而且有利于增強缸蓋機械性能強度；2）缸蓋產品結構方面，一般缸蓋產品設計主要著眼于使用性能和經濟性，而對可鑄性的影響考慮相對較少，可能會造成諸如缸蓋局部厚大部位、補縮通道不足的設計；3）鑄造工藝條件方面，澆注系統設計不合理，金屬型溫度過高，澆注溫度太高導致鋁液凝固溫度梯度分布不合理，未能順暢實現順序凝固。

本文針對3G鋁合金缸蓋產生的縮孔質量缺陷在相關缺陷影響理論指導下分析鑄造缺陷產生的原因，并采取多項預防和控制工藝措施，解決縮孔問題。

1 3G鋁合金缸蓋現狀

1.1 鋁合金缸蓋鑄造工藝

3G鋁合金缸蓋毛坯（圖1）長330 mm，寬225 mm，高125 mm，重量約6 kg，壁厚范圍3.5 mm ～8 mm，缸蓋局部搭子等突出部位形成單獨熱節。缸蓋采用Si9Gu3牌號鋁材質，T6熱處理；采用金屬型重力傾轉澆注工藝，金屬型由前/后模、左/右端模和底模等5塊金屬模塊組成；砂芯采用高強度、低發氣量、低膨脹率酚醛樹脂覆膜芯熱芯盒法制芯，共計六種坭芯，即冒口坭芯、內腔芯、水套芯、進/排氣道芯和火花塞芯（圖2）；中頻爐熔煉鋁水，吹氮氣旋轉精煉處理和鋁鍶中間合金變質處理，澆注溫度720℃，前模側邊設澆道過鋁水澆注（圖3）。

圖1 3G缸蓋毛坯

圖2 3G缸蓋毛坯坭芯

圖3 3G缸蓋毛坯澆注

1.2 縮孔缺陷

3G鋁合金缸蓋前端搭子外觀光滑密實，但是搭子對應內壁表面嚴重凹陷（圖4），搭子鉆安裝螺紋孔，螺牙殘缺，缸蓋成品內腔測試密閉性時從該搭子螺紋孔處逸氣嚴重，解剖缸蓋，目測剖面布滿蜂窩狀孔洞（圖5），綜合表征是典型的熱節補縮不暢導致的縮孔缺陷。縮孔缺陷導致缸蓋報廢，初始試制100%概率發生。

圖4 缸蓋內壁凹陷

圖5 搭子解剖面

2 原因分析

3G鋁合金缸蓋在CAXA中建立鑄件三維模型，然后在Anycasting中進行金屬液充型與凝固過程數值模擬[2]。模擬結果顯示前端搭子凝固后期形成孤立的熱節，中間壁厚區域先行凝固，上置冒口無法補縮該搭子（圖6）。

圖6 缸蓋凝固示意

觀察缸蓋毛坯前端搭子區域結構：①初始鑄造工藝設計，搭子處外壁頂上無補縮冒口設計；②搭子處外壁壁厚相對搭子體積偏薄；③搭子本身長24 mm，寬23 mm，高25 mm，體積偏大。這種結構幾乎無可鑄性，頂上無補縮冒口，需要借由旁邊的冒口來補縮，延長了補縮路徑；外壁壁厚相對偏薄會導致凝固時該外壁先行凝固，阻斷了冒口對搭子的補縮路徑；搭子本身體積大，凝固時補縮需補鋁水量大。綜合這些因素，導致搭子內部發生嚴重縮孔，對應的內壁形成補縮凹坑。

從一般缸蓋縮孔發生的三個方面影響因素來說，3G鋁合金缸蓋指定牌號鋁，化學成分調整的余地小，而模具溫度和鋁水澆注溫度偏低又會導致缸蓋外表面壁厚偏薄處發生冷隔缺陷[3]，故而只有改善缸蓋局部結構，才能擴寬搭子縮孔問題解決的工藝路徑。

3 解決措施

針對孤立的厚大搭子，有兩個方向改變局部結構來著力解決縮孔問題，即一個方向是減少搭子體積，減少需補縮的鋁水量，另一個方向是創造補縮通道和補縮源，實現充分補縮[4]。

3.1 減少補縮量

因缸蓋成品搭子處鉆安裝深22 mm的M10螺紋孔（圖7），為此在前模上對應位置種上長20 mm直徑5 mm拔模角3°紫銅材質的減重柱（圖8）。此減重柱在澆注后形成預鑄孔，單邊保留1.5 mm的加工余量。減重柱的設置既可以減少搭子體積，減少補縮量，減少鋁材消耗，也有利于形成冷鐵效應加速搭子處的冷卻，可以獲得質量上和經濟上的雙重效益。

圖7 缸蓋成品

圖8 模具示意

3.2 增加補縮通道和補縮源

在確保缸蓋搭子處后續裝配發動機無干涉的提前下，在搭子上適當增設一柱形補縮通道，補縮柱上端增設新冒口與旁側的原冒口聯通一起（圖9），這樣形成了完整通暢的順序凝固補縮系統。

圖9 3G缸蓋毛坯鑄件

4 實施驗證結果

上述兩個方向的解決方案實施后（圖10），多輪澆注試制的結果顯示3G鋁合金缸蓋毛坯前端塔子部位無縮孔缺陷，對應內腔也無凹陷現象發生（圖11），基本解決該處縮孔缺陷問題，為3G鋁合金缸蓋項目掃清了一個主要質量障礙，大大助推項目成功。

圖10 缸蓋外觀

圖11 缸蓋內壁

5 結論

（1）3G鋁合金缸蓋搭子縮孔按一般分析有多個方面的影響因素，結合實際情況找到缸蓋可鑄性結構設計不良這個主要方面的影響因素，即局部塔子熱節過大，補縮通道不佳，避免大而全，無的放矢，可以減少質量問題攻關的時間成本和經濟成本。

（2）從減少缸蓋熱節處補縮量與增加補縮通道、補縮冒口這一減一增兩個方向采取措施，增設預鑄孔，增加補縮柱和補縮冒口綜合施策，維持缸蓋階梯溫度場，順利實現順序凝固，基本解決缸蓋搭子縮孔缺陷問題。