汽车铝合金缸盖铸件缺陷分析及控制

赵博

【摘要】文章首先简述了铝合金的性能，然后分析了缸体缸盖主要铸造方法，最后重点探讨了对铝合金挤压铸件缺陷的预防和控制。

【关键词】铝合金；铸造工艺；研究现状

一、前言

随着我国经济的不断发展，人们对铝合金挤压制品的需要越来越大，铝合金零件的使用，是减轻汽车的重量是节能减排的重要措施之一。缸体缸盖作为汽车中最重要的部件，其结构比较复杂，因此，对汽车铝合金缸盖铸件缺陷分析及控制是非常重要的。

二、铝合金的性能

纯铝是银白色的轻金属，密度2.7g/cm3，约为钢的1/3（钢的密度为7.87g/cm3），导电率较高，仅次于金、银、铜居第4位。热导率比钢大2倍左右，熔点为658℃，加热溶化时无明显颜色变化，具有面心立方结构，无同素异构转变。塑性和冷、热、压力加工性能好，但强度低（只有90MPa左右）。纯铝的化学活泼性强，与空气接触时，就会在其表面生成一层致密的氧化膜（主成分是Al2O3）薄膜，这层氧化膜可防止冷的硝酸及醋酸的腐蚀，但在碱类和含有氯离子的盐类溶液中被迅速破坏而引起强烈腐蚀。纯铝中随着杂质的增加，其强度增加，而塑性、导电性和耐蚀性下降。

三、缸体缸盖主要铸造方法

1、金属型铸造工艺

金属型铸造工艺是比较传统的对铝合金缸体缸盖进行铸造的工艺，其主要优点是铸件冷却时间短、零件组织细密、力学性能较高等优点；其主要缺点是由于金属性铸造工艺不透气且无退让性，铸造的部件容易产生气孔、裂纹以及浇不足等缺陷。但其总体质量还是明显比砂型铸造质量高。

金属型铸造工艺由于其工艺的特殊性，制造成本相对较高，并且生产周期长，对于单件或小批量生产的零部件一般不采用此种铸造方法。外型上采用金属型铸造工艺，而内腔采用砂芯，这两种工艺相结合使得对缸体缸盖的金属铸造工艺变得相对简单，并且灵活。

2、中压铸造工艺

高温压铸时不能使用砂芯，Toukei公司改进了高压铸造，提出了中压铸造法。压力铸造的主要过程是，通过对压力的控制使液态或半液态的铝合金在较高的速度下填满压铸型型腔，增高压力即可改变速度，并在一定压力下是铸件凝固成型。

3、中压铸造工艺

为满足日益提高的发动机功率，发动机缸体结构变得越来越复杂，而由于高温压铸时存在不能使用砂芯的缺点，Toukei公司改进了高压铸造，提出了中压铸造法。此时中压铸造的优点显现的十分明显。其主要是将压力降低，使中压制造可以使用砂芯，而达到满足对复杂内腔结构的缸体的制造。

4、低压铸造工艺

低压铸造的优点之一包括对铸造材料的利用率高，是综合了重力铸造与压力制造的优势的方法。其主要工作过程是在低压30kp下，铝合金液体由下而上的对型腔进行填充，此方法可以铸造出闭舱结构的缸体。

5、消失模铸造工艺

消失模铸造工艺的基本原理是代替法。其工程是将与铸件形状一模一样的泡沫塑料模代替铸模进行造型。通过浇注铝合金液体使泡沫气化，浇注出的铸件与泡沫塑料外形一致。消失模铸造工艺的主要优点是：生产周期短，铸件质量高，浇注均匀。但由于消失模鑄造工艺其工艺制造复杂，不经济，有其是在前期投入较高，使用范围很小。

6、Cosworth法铸造工艺

Cosworth法，中文是冷芯盒砂芯造型。冷芯盒砂芯造型即在一定气氛、压力下的一种锆英树脂的自硬砂组芯造型。主要优点在于：冷芯盒砂芯造型采用锆砂，锆砂的膨胀率稳定并很小，使铸造的铸件尺寸更加精密；动力由电磁泵提供，计算机控制，使铝液充型平稳；浇注过程在保护气下进行，减少了氧化渣的形成。由于其优性使得到的铸件的质量较高。但由于锆砂极好的导热性，对于壁厚小于4mm的铸件难以完成。

四、对铝合金铸件缺陷的预防和控制

1、气孔缺陷

对于铝合金铸件的生产，气孔是较为常见的缺陷之一。一般情况，挤压铸件中气孔可以分为析出气孔、侵人气孔以及反应气孔这三种类型，其中，析出气孔和侵人气孔是主要的。在实际生产中，由于在铸件内形成的缩松过程大都伴随有合金中气体的析出，从而导致铝合金挤压铸件内出现缩松、缩孔和气孔等缺陷。一旦在液体金属充型过程中侵人气体过多或者铝合金中气体含量过高，都会进一步加剧气孔金属缺陷的出现。由此可见，重视对铝合金金属液进行除气处理对于铝合金挤压铸造工艺具有重要意义。

预防措施：要保证在挤压过程中金属液由下向上平稳充填，速度不能太快或者太慢，同时，要合理设计压铸模具，确保型腔内没有死角，从而避免由卷气或憋气引起的气孔。在浇筑过程中，还要合理地控制的是金属液的含气量，防止形成析出性气孔。

2、缩松、缩孔缺陷

与普通的压铸件相比，由于铸件的壁厚尺寸更大，浇筑时所需的金属液量较多，因而，在生产过程中不可避免地出现缩孔和缩松缺陷，尤其是在型腔与内浇口相连处等厚大部位或最后凝固的部位。在铝合金铸件的制造中，若金属液的凝固收缩与之前设计的不符，或者补缩能力或控制不当等都会造成缩孔、缩松缺陷。此外，浇注温度过高、合金成分变化、凝固过程中挤压压力作用不到位等，也会引起凝固温度区间变大，使得合金过冷的变小，最终产生缩松、缩孔缺陷。

预防措施：在铝合金铸件生产中要严格监控合金成分和浇注温度，并根据生产的实际情况及时作出调整。须不断改变挤压方式和挤压铸型设计。在工艺上，必须严格按照原先设计的浇筑程序进行，同时加强对型芯的冷却功效，降低金属液冷却时的过冷度，将充型速度的切换位置后移一段距离，冷却方式尽可能使用水淬。此外，在型腔内所有部位金属液凝固的全过程中使来自冲头的挤压压力，从而确保金属液由型腔远端向内浇口的顺序凝固。

3、铸造异常偏析缺陷

铸造异常偏析缺陷也是铝合金铸件缺陷中常见的一种，该类型缺陷与其他缺陷的区别主要是在微观方面，往往是由于异常加重而产生的正偏析。其特征是：浇筑过程中，冷却速度不均匀使得合金元素在铸件内部某些晶粒周围富集，从而降低铝合金的挤压铸件的表面张力。而对于在普通的重力铸造条件下，异常偏析缺陷非常不明显，几乎可以忽略。但是，金属液体在挤压条件下结晶时，各部位受力不均匀，往往会使正在成长的枝晶间还没来得及均匀凝固就结晶，使金属液体发生离异共晶反应，进而导致异常偏析缺陷的形成。此种偏析大都与合金种类和挤压方式等有关，尤其是在直接冲头挤压和柱塞挤压条件下，或者金属液结晶间隔宽的合金中容易产生。

预防措施：不断改变挤压方式及铸型设计，引进国外先进的型腔设计理念，在生产中应该根据产品特点，在满足产品性能要求的前提下尽可能使用较低的挤压压力。

4、夹渣类缺陷

夹渣类缺陷主要是在铝合金铸件生产过程中由合金液浇注带入、在充型过程中带入或者是由挤压料缸带入的夹渣，从而不同程度地影响到铝合金挤压铸件的力学性能。因为，在设计铝合金铸件的铸型时，通常不会留有浇冒口等排渣系统，在浇筑时金属液中的物体都会在型腔中凝固，不能有效地清除掉。同时，液态金属浇人料缸后，在压力的作用下很快就会形成结壳，如果浇注液态金属上表面有浮渣，将会被压碎并随同中间未凝固金属一道进人铸型型腔之中并形成夹渣。此外，由于铝合金挤压铸件的内浇道较长，从而使得液态金属在充型过程中不断被氧化，产生氧化物废料，随后跟液态金属一起被卷人型腔中而形成铸件的内部夹渣。

五、结束语

随着科技的发展，汽车铝合金缸盖铸件对于是比较常用的，汽车铝合金缸盖铸件在生产简单缸体时有其特有的优越性，我们应将铸造工艺将进一步完善，加强学习研究汽车铝合金缸盖铸造工艺，从而使经济性得到提高。

参考文献

[1]梁光泽，李增民，姜不居.等编写，消失模铸造技术培训资料（第四版），2011

[2]裴兵，孙林，苏勇.发动机缸体压铸模具热循环的数值模拟[J].中国铸造装备与技术.2011