铝合金缸盖水套芯工艺孔缺陷分析及工艺优化

任泽翔发表于2024/11/12 17:05:41 铝合金缸盖工艺优化

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摘要

针对重力浇注铝合金缸盖水套芯工艺孔缩松缺陷，采用数值模拟等手段对缺陷的形成原因进行了研究，对浇注工艺进行了分析和优化。采用模具喷涂优化、激冷涂料应用、增加补缩通道等措施，改进浇注工艺参数，并通过铸造工艺数值模拟以及生产验证确定了最终铸造工艺方法。消除了缸盖水套芯工艺孔缩松缺陷，提高了铸件质量，降低了废品率。

铸件质量与铸造工艺设计密切相关。在实际生产中由于铸件结构或铸件工艺上的不便，难以在中部设置暗冒口，导致有些铸件需补缩的高度超过冒口的有效补缩距离。在这种情况下，增加工艺补贴就显得非常重要。发动机缸盖铸件是一汽大众商用车核心零部件之一（图1），铸件的长为376.8 mm，宽为245.5 mm，高为118.52 mm，最小壁厚4 mm。现有缸盖产品端面水套芯工艺孔加工面发现缩松缺陷，客户精加工后，缩松漏出，使缸盖存在水漏风险。本研究旨在通过铸造工艺优化和数值模拟，找出缺陷原因。通过采用合理的补贴设计，配合涂料工艺优化，可在稳定生产条件下，消除特定部位缩松缺陷，消除水套砂芯工艺孔密封堵盖下方缩松缺陷，降低水漏废品率。

1 铸造工艺简介

该产品采用金属型铸造，内部空腔砂芯成形，砂芯使用无机制芯机制造，铝液使用旋转除气机精炼除气，浇注使用倾转浇注机，金属型表面喷涂保温涂料。

（1）制芯工艺条件：采用无机芯盒及无机制芯机进行制芯，组分I（液体）：2.1%~2.5%（占砂重），组分II（粉料）：0.7%~1.1%（占砂重）。
（2）铝液成分：AlSi10Mg（Cu），具体成分如表1所示。
（3）细化、变质及除气：使用AlTi5B合金棒细化处理，AlSr10合金棒变质处理，浓度为99.999%氩气除气，除气时间15~20 min，铝液的密度指数要求≤1.0。
（4）浇注温度及浇注速度：浇注温度为（700±10）℃，倾转浇注分为连续三个阶段，浇注时间（12±2）s，倾转角度100°：第一阶段（3±1）s×10°/s，第二阶段（7±1）s×8°/s，第三阶段（2±1）s×7°/s。
（5）涂料：保温涂料，波美度≥70 Be。
（6）落砂：无机砂芯易吸潮，为防止铸件变形及砂芯吸潮后落砂困难，冷却时间在3 h和48 h之间，落砂时间为25~48 s。

图1 缸盖产品装配图及产品图

表1 铝液化学成分 wB/%

2 缺陷分析与工艺优化

2.1 缺陷问题描述

采用上述生产工艺批量生产，产品加工后，水套芯工艺孔加工面出现缩松缺陷，如图2所示。水套芯工艺孔加工面缩松缺陷集中在水套芯工艺孔堵盖安装位置，造成水道打压泄漏。

图2 水套芯工艺孔加工面缩松缺陷

2.2 缺陷产生原因分析

铸造工艺采用金属型倾转式浇注，倾转浇注属于顶注式的一种，如图3所示，缺陷位置与冒口主体垂直距离110 mm，水平距离38 mm，且被水套砂芯包围，结构复杂。

图3 铸造工艺

大多数铝、镁合金的结晶温度范围较宽，合金密度小，冒口的有效补缩距离很小，常取铸件厚度的2倍。对铸件结构进行解剖分析，铸件壁厚见图4，主要补缩通道铸件壁厚9.29 mm、7.18 mm、6.50 mm铸件的补缩效果很差。

图4 铸件壁厚

采用MAGMA软件对现有工艺进行凝固过程数值模拟，计算结果如图5所示，可以看到铸件凝固过程，一方面受砂芯影响，缺陷位置形成热节；另一方面受铸件燃烧室冷却效果影响，受铸件结构限制，补缩通道提前关闭。

图5 铸件凝固过程数值模拟

综合以上情况，对缩松缺陷形成原因以及浇注工艺进行分析，发现缩松产生的主要原因为：（1）缺陷位置被砂芯整体包围，存在局部热节；（2）铸件薄壁处凝固速度快，补缩不及时；（3）燃烧室温度低，主要补缩通道提前关闭。

2.3 涂料工艺优化

根据上述分析，需要对浇注工艺进行优化：（1）优化金属型模具涂料喷涂工艺、砂芯激冷涂料工艺等；（2）铸件结构优化，增加局部补贴等。通过以上措施，改善铸件凝固顺序条件，减少铸件缩松缺陷，降低铸件废品率。

2.3.1 金属型模具涂料喷涂工艺优化

对于金属型铸造，通过涂料可以直接控制铸件的凝固过程。优化现有喷涂工艺，如图6标注区域与铸件直接接触，通过取消涂料喷涂，利用金属型的冷却效果，削弱热节，改善铸件凝固顺序。

图6 取消涂料喷涂的区域

2.3.2 砂芯激冷涂料工艺优化

铸件“激冷”涂料应用于砂芯表面，是特种涂料的一种。特种涂料作为一种“柔性”工艺技术，可以弥补铸造工艺涉及的不足，采用“激冷”型涂料来加快局部的冷却速度以达到“均衡”凝固的效果。水套砂芯应用激冷涂料，如图7所示，图示区域刷涂激冷涂料。通过激冷涂料的冷却效果，削弱热节，改善铸件凝固顺序。

图7 水套砂芯应用激冷涂料

对喷涂工艺进行验证，铸件缩松位置向燃烧室方向移动，且缩松趋势减小，如图8所示。

图8 涂料工艺验证

2.4 铸件结构工艺优化

采用MAGMA软件对现有工艺进行凝固过程数值模拟后还可发现，铸件凝固过程中，可以通过增加补贴的方式，打开铸件补缩通道，如图9所示。

图9 采用数值模拟预测铸件补贴位置凝固顺序

结合铸件结构特点，在端模位置增加补贴，采用两种方案，如图10所示，各分图左侧为结构，右侧为数值模拟预测缩松情况，从图中可以看出，采用方案二可消除热节，解决缩松缺陷。参照数值模拟结果并结合现场实际情况，如图11所示，明确补贴方案：增加长度方向最大27.44 mm、高度方向最大长度11.53 mm，厚度方向与铸件一致的工艺补贴。