許國(guó)宏

（江蘇林海動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)公司，江蘇泰州 225309）

水冷發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭鑄件系采用低壓鑄造工藝生產(chǎn)的鋁合金件，由于鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差大，燃燒室、氣道表面質(zhì)量要求高，形成鑄件內(nèi)腔所用的型芯多，故鑄件生產(chǎn)工藝難度大。生產(chǎn)初期，澆不足、縮孔、縮松、變形等鑄造缺陷普遍存在，鑄件良品率很低。通過(guò)對(duì)冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)等重新設(shè)計(jì)，使鑄件良品率大幅上升，外觀質(zhì)量明顯提高，為大量生產(chǎn)合格鑄件打下了基礎(chǔ)。

1 缸頭鑄件結(jié)構(gòu)及質(zhì)量要求

1.1 缸頭鑄件結(jié)構(gòu)

缸頭部件是汽油機(jī)上的關(guān)鍵部件，其內(nèi)部裝配凸輪軸組件，與缸體、活塞三者形成燃燒室，其鑄件形狀見(jiàn)圖1。燃燒室、氣道、鏈輪室和氣門(mén)室是其主體部分。當(dāng)化油器提供的油氣在燃燒室內(nèi)爆燃時(shí)，燃燒室內(nèi)氣體瞬間溫度最高超過(guò)1 100 ℃。這種熱沖擊每個(gè)沖程作用于其內(nèi)壁，產(chǎn)生的壓力峰值達(dá)到6～7 MPa。缸頭的燃燒室部位是其壓力直接作用點(diǎn)。也就是說(shuō)缸頭在汽油機(jī)工作時(shí)處于高溫狀態(tài)下，承受較大的熱沖擊并產(chǎn)生應(yīng)力集中，工作條件較為惡劣。從鑄件結(jié)構(gòu)工藝性上分析，缸頭屬于典型的薄壁復(fù)雜鑄件，壁厚為3.0～4.5 mm(最薄處只有2.0 mm)，尺寸精度及力學(xué)性能要求較高，工藝上無(wú)法采用金屬抽芯，大多數(shù)廠家都采用易潰散的樹(shù)脂砂芯來(lái)成型。因此，鋁缸頭的鑄造工藝難度大。

1.2 材料化學(xué)成份及力學(xué)性能

我們生產(chǎn)的缸頭材料牌號(hào)是JISAC4B（日本標(biāo)準(zhǔn)）的鑄造鋁合金，熱處理狀態(tài)為T(mén)6。其化學(xué)成份和力學(xué)性能分別如表1、表2 所示。

表1 化學(xué)成份表 （%）

表2 力學(xué)性能表(最小)

1.3 缸頭的質(zhì)量要求

(1)圖樣要求鑄件相關(guān)部位的表面粗糙度如表3 所示。

(2)各處表面不允許有肉眼可見(jiàn)的縮孔，微觀縮孔是有條件允許的，具體的可接受的鑄件缺陷如表4 所示。

(3)鑄件清潔度要求：鑄件表面必須清理干凈，特別是水道和氣道內(nèi)不允許有砂粒；澆口、集渣包要避開(kāi)毛坯加工定位用粗基準(zhǔn)，并保證基準(zhǔn)面平整。

(4)鑄件燃燒室深度（從底平面到燃燒室內(nèi)部球面最低點(diǎn)15.6 mm）公差為±0.15 mm，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的最大波動(dòng)不超過(guò)0.2 mm。除了控制燃燒室深度外，也需要控制燃燒室容積，燃燒室容積為21.6 cm3±0.4 cm3。

(5)氣道和燃燒室的泄漏值要求為在200 kPa 氣壓下，最大泄漏量為50 Pa/s，水道要求為在490 kPa氣壓下，5 min 不得有滲漏、浸潤(rùn)現(xiàn)象。

圖1 缸頭鑄件形狀

表3 鑄件表面粗糙度要求

表4 可接受的鑄件缺陷標(biāo)準(zhǔn)

2 缸頭鑄件缺陷

2.1 縮孔、縮松

如圖2、圖3 所示。縮孔、縮松的顯微結(jié)構(gòu)如圖4、圖5 所示

圖2 缸蓋鑄件縮孔缺陷

圖3 缸蓋鑄件縮松缺陷

圖4 縮孔缺陷顯微圖

圖5 縮松缺陷顯微圖

2.2 氧化夾雜

鋁屬兩性金屬，由于熔煉過(guò)程是在石墨坩堝中進(jìn)行，熔煉過(guò)程中易與空氣中的水汽、氧氣化學(xué)反應(yīng)形成H2·Al2O3和Al2O3等夾雜物溶入液體，氫氣則以氣態(tài)形式溶入鋁液，從而增加了鋁液中氣體的含量。由于夾雜物的密度與鋁接近，混入后不易與液體分離，因而造成鑄件夾雜等缺陷；氣體則引起鑄件產(chǎn)生針孔狀缺陷。

2.3 鑄件脫模困難

鋁液溫度控制范圍和澆注工藝不合理導(dǎo)致升液管內(nèi)部分金屬液凝固，造成鑄件無(wú)法從模具中取出。

3 提高鑄件成品率的工藝措施

3.1 低壓充型工藝及液面加壓控制系統(tǒng)的調(diào)整

鑄件的補(bǔ)縮是高溫合金液通過(guò)澆道自下而上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為防止合金液充入型腔時(shí)產(chǎn)生噴射飛濺而導(dǎo)致氧化夾渣，升液階段宜緩慢加壓；為防止鑄件產(chǎn)生冷隔和欠鑄，并根據(jù)鑄件特點(diǎn)、材料成份、澆注溫度以及模具溫度等情況，充型時(shí)適當(dāng)?shù)卦龃蠹訅核俣?；為便于穩(wěn)定壓力和迅速“切斷澆口”，當(dāng)合金液充滿型腔并上升到冒口的三分之一左右高度時(shí)，宜降低加壓速度。

擬采用的加壓規(guī)范為：升液壓力0.02 MPa，充型壓力0.028 MPa，增壓壓力0.035 MPa。低壓鑄造缸頭的加壓規(guī)范如表5、圖6 所示。

表5 缸頭低壓鑄造過(guò)程中各階段壓力與時(shí)間的變化

為有效實(shí)現(xiàn)上述加壓規(guī)范，正確控制和掌握加壓速度，從而獲得優(yōu)良鑄件，液面加壓控制系統(tǒng)是關(guān)鍵。不同階段的壓力與時(shí)間的關(guān)系如圖7 所示。

各階段的時(shí)間控制如下：

圖6 低壓鑄造缸頭加壓規(guī)范

圖7 低壓鑄造過(guò)程中壓力與時(shí)間關(guān)系圖

T1 是鋁合金液沿升液管上升到澆口位置的時(shí)間。要求升液速度適當(dāng)?shù)芈?；T2 是鋁合金液從開(kāi)始注入型腔到充滿的時(shí)間，經(jīng)試驗(yàn)，在保證毛坯成型的前提下，金屬液在壓力作用下上升充型速度宜緩慢；T3 是鑄件結(jié)晶凝固所需的保壓時(shí)間，它與鑄件的結(jié)構(gòu)、模具及整個(gè)系統(tǒng)的冷卻散熱條件有關(guān)?？赏ㄟ^(guò)試驗(yàn)得到較理想的數(shù)據(jù)；T4 是坩堝液面上解除壓力的時(shí)間，一般放氣時(shí)間為1～2 s。

3.2 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改善

在低壓鑄造系統(tǒng)中，必須確保鑄件得到自上而下的凝固順序，以獲得組織致密、優(yōu)良的鑄件。故模具溫度的控制尤為重要。理想的模溫分布是從頂模到澆口逐漸升高，模具各部分具體溫度控制范圍：頂模250～350 ℃，側(cè)模350～400 ℃，下模400～450℃，澆口處480～510 ℃。為此須對(duì)頂模實(shí)施強(qiáng)制冷卻。實(shí)際采用了氣冷方式對(duì)頂模進(jìn)行冷卻，從效果看基本上得到了所需的溫度梯度，也基本上實(shí)現(xiàn)了鑄件從上至下的順序凝固方式。

3.3 排氣系統(tǒng)的改善

低壓鑄造所應(yīng)用的金屬型基本上是密封的，它只能通過(guò)分型面、頂桿等處的間隙或排氣塞來(lái)實(shí)現(xiàn)排氣。低壓鑄造的氣體來(lái)源主要有：澆注過(guò)程中因液流控制不好而卷進(jìn)的氣體；結(jié)晶凝固時(shí)從金屬液本身析出的氣體；砂芯未充分烘干充型時(shí)受熱而產(chǎn)生的氣體。金屬液充入型腔時(shí)，如果型腔內(nèi)的氣體不能迅速有效地排出，便會(huì)因型腔空間的不斷減小及被加熱膨脹，形成阻礙鋁液充型的阻力。隨著阻力逐漸增大，不僅阻礙鋁液的進(jìn)一步充型，還有可能浸入金屬內(nèi)部，形成毛坯氣孔、欠鑄等缺陷。為提高鑄件成品率，在模具設(shè)計(jì)時(shí)我們就考慮了相應(yīng)的改善排氣的措施。

(1)導(dǎo)向面(金屬型芯、頂桿)、各模塊合模面之間的間隙排氣。在這些相互接觸或配合的表面都有間隙，充型過(guò)程中能排出部分氣體，但由于間隙很小，一般在0.1～0.25 mm 范圍內(nèi),通常難以保證氣體迅速有效地排出，故在合適的部位特制出排氣槽。槽寬一般為8～15 mm，槽深一般為0.3～0.5 mm。

(2)在缸頭鑄件的非加工表面加刻網(wǎng)狀的冷卻筋。冷卻筋的間距一般為6～10 mm，筋的寬度為1 mm。具體的添加位置主要在缸頭的頂面以及進(jìn)排氣口兩側(cè)，樣式如圖8 所示。

圖8 冷卻筋的位置及形式示意圖

(3)加設(shè)排氣塞。缸頭的鋁合金液最后充滿位置在頂模處，也就是缸頭頂面。為改善排氣系統(tǒng)，我們?cè)趽u臂室砂芯兩頭定位處、進(jìn)排氣道砂芯頭定位處、鏈輪室砂芯腳定位處以及水道砂芯腳定位處加設(shè)了多個(gè)排氣塞，采用的是鐵基粉末冶金針孔狀排氣塞，間隙控制在0.25～0.35 mm，規(guī)格尺寸依據(jù)各砂芯定位部位的大小和形狀。

(4)利用砂芯芯頭排氣。射芯機(jī)制芯采用熱芯盒，芯砂用易潰散覆膜砂，其發(fā)氣量一般在10～14 mL/g。在缸頭模具砂芯定位的芯座處安裝排氣塞，讓芯頭與外界相通，以利于排氣。

3.4 熔煉工藝的改善

合金在熔煉前需對(duì)坩堝、攪拌鏟及熔爐爐襯、熔煉金屬原材料進(jìn)行清洗和干燥?；貭t料的使用應(yīng)嚴(yán)格限量，占比一般不超過(guò)原料總量的25%，機(jī)加工后的回爐料表面有切削液、灰塵、氧化物，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)那鍧嵦幚?。回爐料分一級(jí)回爐料和二級(jí)回爐料兩級(jí)，一級(jí)回爐料是指不合格的毛坯、切除下來(lái)的澆冒口和機(jī)加工的邊角余料（切屑）和機(jī)加工廢品。這類(lèi)回爐料一般可不經(jīng)處理直接作為原料使用。二級(jí)回爐料是指含有較多雜質(zhì)的廢料和殘存有金屬過(guò)濾網(wǎng)的澆道和澆口杯，以及成分組織不合格的鑄件，帶有鑄鐵或其它材料鑲套的報(bào)廢鑄件等。二級(jí)回爐料需要經(jīng)過(guò)重熔、精煉、成份和組織分析化驗(yàn)等工序，達(dá)到相關(guān)要求后才能酌情回用。

實(shí)際生產(chǎn)中，我們采用石墨坩堝單獨(dú)熔煉的方式，熔煉完畢后，進(jìn)行精煉除氣、變質(zhì)處理，精煉劑的加入量占鋁液比重0.15%～0.30%，除氣機(jī)使用旋轉(zhuǎn)式，除氣的溫度控制在720 ℃±5 ℃，除氣時(shí)間為15 min 左右。

鑄造作業(yè)指導(dǎo)卡見(jiàn)圖9。

圖9 鑄造作業(yè)指導(dǎo)卡

3.5 澆注工藝的改善

在鑄件連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，每生產(chǎn)五個(gè)件對(duì)模具型腔噴一次涂料，排氣塞每班生產(chǎn)前取下進(jìn)行清理。正式澆注之前，將模具進(jìn)行預(yù)熱到一定的溫度。因?yàn)槟＞哳A(yù)熱是保證模具正常工作和保證出模順暢得到合格鑄件的首要條件。實(shí)際生產(chǎn)中將模具預(yù)熱到250～300 ℃后，對(duì)型腔噴涂料，之后開(kāi)始澆注。

(1)澆注溫度和模具溫度的確定

低壓澆注的澆注溫度比同條件下的一般澆注溫度低10～20 ℃。理論上偏高的澆注溫度和模溫有利于鑄件的成形，但會(huì)增大縮松傾向且組織晶粒粗大，會(huì)降低鑄件的機(jī)械性能。因此，在基本實(shí)現(xiàn)順序凝固的前提下，較快冷卻能使鑄件得到良好組織，但模溫和澆注溫度過(guò)低，易使鑄件產(chǎn)生冷隔。研究表明低壓鑄造的模具溫度一般控制在150～250℃；復(fù)雜、薄壁零件的模具溫度控制在250～350 ℃為宜。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，泥芯烘干溫度在200～220 ℃，時(shí)間4～5 h，保溫到50～80 ℃取出。針對(duì)缸頭鑄件所用材料澆注溫度控制在690～720 ℃的范圍內(nèi)，實(shí)際操作中溫度偏差控制在20 ℃以內(nèi)。

(2)涂料的使用要求

依據(jù)低壓鑄造原理，澆注前模具加溫后需要對(duì)模具型腔表面、金屬升液管及坩堝噴刷涂料。在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)升液管進(jìn)行加溫、涂涂料后放到坩堝口，加熱溫度為150～250 ℃，涂料厚度為0.15～0.3 mm。實(shí)際使用效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

在水冷鋁合金缸頭低壓鑄造的實(shí)際試生產(chǎn)過(guò)程中，遇到了很多技術(shù)性難題，經(jīng)過(guò)質(zhì)量攻關(guān)，鑄件合格率由初期的30%～40%提高到90%，鑄件重要部位的表面質(zhì)量、鑄件綜合質(zhì)量測(cè)評(píng)等都有顯著提高。

本文對(duì)鑄件初期出現(xiàn)的鑄造缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并針對(duì)性地采取了工藝預(yù)防和改善措施。并為批量生產(chǎn)制訂了鑄造作業(yè)指導(dǎo)卡。

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