铝合金水冷缸头低压铸造缺陷分析及优化

铝合金水冷缸头低压铸造缺陷分析及优化

谢克川

广东肇庆动力金属股份有限公司

摘要：水冷缸头是一种常用的散热装备，冷却水通过杠头来降低温度，具有良好的散热效果，可以保障发动机在温度适宜的环境中运行，使发动机使用更加安全，也可以强化动力性能。在水冷缸头铸造方面，可以采用铝合金材料。通常，铝合金水冷缸头低压铸造可能出现漏气、气孔等缺陷问题，本文对这些缺陷问题进行分析，并且提出了对应的优化对策。

关键词：铝合金；水冷缸头；低压铸造

    在制造工业中，低压铸造是一种比较常见的工艺手段，在密封环境中，压缩空气使压力降低，金属液随之上升到铸型中，等到凝固铸造即可完成。在有色金属零件中，该工艺的应用较为广泛。铝合金水冷缸头就采用这种铸造工艺，在实际铸造的过程中，要严格控制气道表面，保障水冷缸头复杂的铸造结构可以符合标准。影响铸造质量的因素有很多，包括燃烧室条件等等。如果没有控制各项影响因素，可能出现变形、缩孔等缺陷问题，严重影响水冷缸头质量，同时也会增加生产成本。所以，要采取有效的缺陷优化对策，生产更多品质优良的水冷缸头。

一、缸头铸件结构

    在汽车发动机中，缸头是重要的组成结构之一，也是发动机稳定运行的关键构件。缸头结构比较复杂，以凸轮轴结构为主，该结构和活塞、缸体构成了燃烧室。铸件结构主要包括燃烧室、气门室、气道三个部分。如果燃烧室中的油气爆炸，则温度可以上升到1100℃，爆燃产生高温会冲击内壁，使压力峰值提升，最高可以达到7MPa。在分析铸造缺陷前，要明确铸件的结构构成，掌握铸件的生产工艺[1]。本文所述水冷缸头采用天然气熔化炉熔炼工艺铸造生产，运用先进的砂芯制造工艺，即热芯盒覆膜砂工艺，铝合金金属配比具有较高的精准性，通过铸造精准除渣，可以满足使用需求。在实际生产中，对工艺技术有较高的要求，要确保精准度和生产质量，严格控制各类缺陷问题。

二、铝合金水冷缸头低压铸造缺陷分析

（一）漏气

    在水冷缸头低压铸造的过程中，经常会出现漏气缺陷。为保障铸造质量，必须要严格控制产品生产技术，生产结束后应该进行密封实验，精准检测铸件密封性。在实验过程中，设置压力等级为DK2，根据Q/LK J16-2006设置允许泄漏值。采取密封实验，可以检测水冷缸头是否完整密封，通过实验及时发现漏气缺陷。可以在水道环境中展开实验测试，如果泄漏值超过标准值范围，则说明铸件存在泄漏问题。通常，铸件开发阶段出现泄漏缺陷的概率较高，约35%。

（二）缩松

    缩松也是比较常见的一个问题，所谓缩松，就是在加工铣面的环节中，铸件某个部位出现小孔和裂隙，此类孔隙缺陷具有形状不规则的特点。通常，盖面比较容易出现缩松缺陷，轻微的缩松缺陷比较浅，形状可能接近圆形且比较小，不仔细察看很难发现，这个缺陷通常在链腔外壁出现，缺陷有明显的规律性，所以主要对该位置进行检查，可以及时发现缩松缺陷，为缺陷优化打下基础。

（三）气孔

    在金属液体充型的环节中，型芯中进入气体，没有及时排放多余气体，最终导致气孔缺陷。水冷缸头铸造的过程中，气孔缺陷普遍为侵入性气孔。相比于缩松缺陷，该缺陷更大，一般可以达到几毫米，形状也比较规则，通常为球形或者扁球形，内壁十分光滑且整洁[2]。通常，在进出气的导管中容易出现气孔缺陷，如果导管内部存在气孔缺陷，可以采用X射线检查缺陷。由于一些气孔处在比较隐蔽的位置，即使采用X射线探伤技术也很难检查出来，造成铸件质量受到影响，同时也增加了检查工作的难度。

三、铝合金水冷缸头低压铸造缺陷优化

（一）漏气原因和优化措施

为解决水冷缸头铸造中的漏气缺陷，需要采取有效的优化措施，在漏气实验环节严格检查，如果发现漏气缺陷，应该及时分析产生漏气缺陷的原因，然后采取对应的优化措施。为明确漏气位置，技术人员可以先采取湿式测漏实验，将出现漏气缺陷的缸头作为实验对象，严密封堵各个水道的出口和进口，将压缩空气注入，在水中倒放实验装置，观察水中气泡，确定大小和位置。经过实验，可以明确漏气位置，然后对局部进行解剖分析，确定更加精准的缺陷位置。经过实验可以发现，装置密闭性较差，漏气缺陷明显，位于毛坯壁比较厚的位置，同时有潜在的缩松隐患，主要受到冷却速度的影响。

针对漏气缺陷，可以采用改进模具的方式来处理，进一步提升铸造工艺的精密度，降低水冷缸头在铸造过程中出现缺陷的概率。技术人员应该扩大浇口，提升补缩效果[3]。为了减小热节，可以根据实际情况将毛坯预铸孔数量增加，以此来减少热力应力集中，降低冷却速度，避免内部受到迅速冷却的影响，可以有效控制漏气缺陷的发生概率。不仅如此，还要关注冷却通道的散热效果，在低压铸造的过程中，应该采取有效的通风手段，根据需求增加冷却通道，提升冷却效果，降低热力集中应力，避免漏气缺陷。

（二）缩松原因和优化措施

缩松主要出现在铣面环节，具有不规则的特点，通常发生在该面上。虽然形状不固定，但位置比较固定，所以可以根据规律检查，确定大致位置后详细分析缺陷原因。在冒口和冒口中间的位置出现缺陷，间距比较小。铸造的过程中，在热量的影响下会出现热节，经过分析可知，缩松主要因为没有及时补缩导致，在凝固的过程中，比较薄的位置先凝固，影响补缩通道形成，造成压力增加，进而出现缩松缺陷。

针对该缺陷，可以通过改进模具的方式来降低缺陷发生概率。在比较容易出现该缺陷的位置进行局部加工，减少余量，将原本4mm的余量调整为2mm。具体可以根据实际需求进行调整，也可以缩减为1.5mm，通过缩减余量，可以改善热节，缩松缺陷也就随之减少。

（三）气孔原因和优化措施

气孔是水冷缸头铸造中始终无法根除的问题，在每个铸造环节中都可能出现该缺陷问题，所以该缺陷的控制和优化难度较高。在开发阶段到产品使用，导管壁都很容易出现气孔缺陷，造成该缺陷的原因有很多，主要因为充型环节中，卷入气体或型腔、型芯中的气体没有顺畅排出，进而出现浸入性气孔。

相比于前两种缺陷，气孔缺陷的优化难度更大。也要从改进模具入手，提升模具的排气功能，根据实际要求采取科学的设置手段和多样化的排气方式。在充型过程中改进模具，在死角位置进行多个排气设计，也可以在砂芯、芯头位置设计气槽，通过排气槽、排气孔将多余气体排出缸头。此外，工作人员可以强化杠杆间隙来提升排气效果。上述措施都可以优化气孔缺陷，但一些隐蔽气孔缺陷难以解决。可以减少发气量降低气孔缺陷的发生概率，选择砂芯原材料的过程中，要尽可能选择发气量比较小的覆膜砂。不仅如此，还要对砂芯进行长时间烘烤，降低浇筑环节的发气量，对浇筑参数进行适当调整，通过多种手段控制气孔缺陷。

结语：

    综上所述，在铝合金水冷缸头低压铸造的过程中，容易出现气孔、缩松和漏洞三种缺陷。为了优化缺陷，应该先分析缺陷产生的原因，然后采取对应的优化措施。可以从模具优化入手，根据缺陷原因对各个生产环节进行调整，降低缺陷发生概率，保障铸件质量。

参考文献：

[1]志成铸造团队. 铝合金汽缸头水道泄漏问题改善过程浅谈[C]//.2020重庆市铸造年会论文集.,2020:161-163.

[2]余永龙.铝合金水冷缸头低压铸造缺陷分析及优化对策[J].内燃机与配件,2020(14):106-107.

[3]王磊, 郑峰峰, 韩明,等. 铝合金低压铸造中孔洞类缺陷及预防措施浅析[J]. 铸造技术, 2021, 42(11):969-972.