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​某型发动机缸孔开裂失效分析及解决
发布时间:2021年01月14日 10:55



文:重庆长安汽车股份有限公司制造中心  廖治东、林兆富、唐晓亮、王东、赵凯阳、李帅、李浩如

摘要  某型发动机做台架试验时1缸缸孔连同缸体贯穿开裂,断面呈疲劳断裂特征,裂纹起源于缸孔外表面冷隔。经分析,该冷隔主要系该气缸体铸造试制过程中,为适应缸体水道型芯结构优化,调整了压铸模涂料仿形喷涂工装对应位置喷嘴角度,造成局部模温降低,使铝合金液到达该处时流动性降低,发生该缺陷。经调整模具冷却、喷涂工艺,完善外观检查标准和质量控制文件,加强铸件检查,该缺陷得以解决。

   关键词  气缸体,失效分析,解决措施


引言

气缸体是汽车发动机核心零部件之一。基于生产效率高、铸件尺寸精度高、表面清洁度号、机械加工余量小等要求,高压铸造工艺(HPDC)生产汽车发动机铝合金气缸体目前仍是行业内最广泛的方法。随着汽车发动机向低油耗、轻量化、精密化发展,缸孔间冷却、跑道式水套等新技术在铝合金发动机气缸上得以应用,缸体铸件愈发呈薄壁复杂结构,不同位置壁厚差异明显,铸造工艺难度大。在继承普通压铸工艺优势基础上,真空压铸技术可降低型腔内气体对铸件成型的不利影响,改善压铸件性能,越来越得到铸造企业重视和应用。


1、基本信息

某型发动机铝合金气缸体系采用真空压铸工艺生产,在耐久试验过程中发生1缸缸孔端面贯穿开裂。对缸体开裂位置取样,送检分析。



缺陷及周围宏观形貌见图1。可见该裂纹穿透气缸壁,沿纵向延伸(图la),裂纹部位缸孔外侧表面呈典型铸造冷隔特征(金属液融合不佳,在铸件表面形成细小、狭长的不规则纹路.且分隔界面处明显下凹)。


2、组织形貌分析

2. 1断口形貌

采用体视显微镜、Qnanta 250型扫描电子显微镜,观察该断口形貌,并利用X射线能谱仪,分析缺陷附近铝合金缸体、铸铁缸套材质。宏观断口体视显微镜形貌见图2,




 扫描电镜下的该断口形貌特征见图3;断口程疲劳断裂特征,裂纹起源于缸孔外表面冷隔缺陷底部,多源,向内表面扩展,可见疲劳台阶,裂纹扩展区较平坦,断口无旧痕、气孔、缩松等其他铸造缺陷。疲劳裂源、扩展区围观形貌均呈挤压磨损特征(图3c) ,高倍微观断回形貌均呈准解理断裂,说明此处开裂为脆性断裂。




2. 2金相组织及成分分析

截取垂直于裂纹的横向剖面,进行金相组织及成分观察分析。缸孔铝合金基体组织为。α-Al和共晶Si(图4a),符合产品技术要求。铸铁缸套金相组织(图4h),按GB/T7216-2009《灰铸铁金相检验》评定,靠缸套内侧为A型石墨,珠光体数量>98%缸套外侧(与铝合金接触)为D型石墨,符合铸铁缸套相应产品技术要求。



缺陷处铝合金基体及铸铁缸套化学成分分别见表1,表2、均符合产品技术要求。



3、失效及铸造缺陷成因分析

通过以上断自形貌、金相组织及成分分析,可见:该发动机气缸体铝合金基体、铸铁缸套显微组织、化学成分均符合产品技术要求。气缸体缸孔缺陷处外表面呈典型铸造冷隔,该裂纹断面呈疲劳断裂,疲劳裂纹起源于冷隔缺陷底部,多源,向缸孔内部扩展。断口无气孔、缩松等宏观铸造缺陷。疲劳裂纹源及裂纹扩展区微观形貌均呈挤压磨损特征,断口微观形貌均为准解理。综上所述,在试验过程中复杂交变负荷作用下,因缸孔外表面存在冷隔缺陷,导致冷隔底部应力集中萌生疲劳裂纹,逐步扩展导致失效。


经排查气缸体铸件压铸试制生产工艺过程,发现压铸模气缸套定位芯在压铸循环中,模温稳定性较差且偏低,使得脱模剂喷涂后水分蒸发不充分,水滴残留水道模芯,导致下一模压铸充型时,局部铝液流行性变差,在铸件小端缸孔附近形成冷隔缺陷。


4、改进措施及效果

   针对因缸套定位芯铸造生产过程中温度偏低,导致铸件小端缸孔冷隔缺陷,制定以下下艺优化综合措施:

   l)适当减小缸套定位芯冷却回路冷却流量,提升缸套定位芯铸造过程模温,促进局部水分蒸发。

   2)减少缸套定位芯此处位置脱模机喷涂量(减小对应的脱模剂喷涂器喷嘴流量),调整喷涂角度。

   3)适当提升铝液浇注温度,减少铸件整体冷隔趋势。

   4)细化铸件外观检查标准,加强操作人员外观检查培训,防止缺陷件流到后机加工序。


针对以上综合措施,持续试制生产1万余件,铸件冷隔发生率已稳定降至0.05%,该问题基本得到解决。


5、结论及建议

   1)气缸体铝合金基体及铸铁缸套化学成分、金相组织均符合产品技术要求。

   2)该气缸体小端缸孔开裂主要原因,系发动机在试验过程中复杂交变负荷条件下,在应力集中的冷隔底部产生多源疲劳裂纹,并向内扩展,最终导致缸孔开裂,失效。

   3)经对气缸体铸造工艺过程排查、分析,优化缸套定位芯模芯冷却流量、涂料喷涂工艺,气缸体铸件冷隔发生率己稳定降低(<0.05%)。结合铸件外观检查标准细化,加强铸件成检,该缺陷已得到有效控制。