熔模鑄件旋轉(zhuǎn)澆注設(shè)備改制與試驗(yàn)

陳玉蓮,楊進(jìn)

（1.貴州醫(yī)科大學(xué),貴州貴陽 550004；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北十堰 442002）

熔模鑄件旋轉(zhuǎn)澆注設(shè)備改制與試驗(yàn)

陳玉蓮1,2,楊進(jìn)2

（1.貴州醫(yī)科大學(xué),貴州貴陽 550004；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北十堰 442002）

本實(shí)驗(yàn)將旋轉(zhuǎn)澆注設(shè)備推廣到熔模鑄造生產(chǎn)應(yīng)用中，將離心鑄造機(jī)改制為適合熔模鑄造旋轉(zhuǎn)澆注的設(shè)備。以ZL101合金為原材料，利用此設(shè)備制備試樣，并對(duì)試樣進(jìn)行斷面觀察和組織分析。結(jié)果表明，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)澆注可使熔模鑄造ZL101合金晶粒細(xì)化，共晶硅的分布更加均勻、細(xì)小，同時(shí)進(jìn)一步促進(jìn)縮松向縮孔轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。

熔模鑄造；旋轉(zhuǎn)澆注；組織

鋁合金鑄件由于力學(xué)性能好、耐腐蝕性好及生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空、航天及汽車領(lǐng)域[1,2]。但是鋁合金鑄件的枝晶組織都比較粗大，特別是早期凝固形成的二次枝晶壁間距在凝固后期會(huì)變粗大，而二次枝晶壁間距的大小對(duì)成份偏析、縮松及微裂紋等鑄造缺陷有著直接的影響[3,4]。旋轉(zhuǎn)澆注技術(shù)是指通過金屬液澆注和凝固過程中旋轉(zhuǎn)鑄型產(chǎn)生攪動(dòng)，使已凝固枝晶破碎，形成更多的有效晶核，細(xì)化晶粒。熔模鑄造采用熱型澆注，導(dǎo)致晶粒粗大，通過澆注過程中旋轉(zhuǎn)熔模型殼，達(dá)到細(xì)化晶粒，除氣除渣，改善金屬液質(zhì)量，提高性能的目的。本課題結(jié)合熔模鑄造的特點(diǎn)，改進(jìn)現(xiàn)有的離心鑄造機(jī)，實(shí)現(xiàn)在熔模鑄造過程中的旋轉(zhuǎn)澆注，初步研究旋轉(zhuǎn)澆注的工藝對(duì)質(zhì)量和組織的影響。

1 旋轉(zhuǎn)澆注設(shè)備的改進(jìn)

1.1 旋轉(zhuǎn)澆注設(shè)備改進(jìn)的意義

本實(shí)驗(yàn)主要是將旋轉(zhuǎn)澆注設(shè)備推廣到熔模鑄造生產(chǎn)應(yīng)用中。旋轉(zhuǎn)澆注是指通過金屬液澆注和凝固過程中旋轉(zhuǎn)鑄型產(chǎn)生攪動(dòng)，使已凝固枝晶破碎，形成更多的有效晶核，細(xì)化晶粒。而離心鑄造正是金屬鑄型在旋轉(zhuǎn)下進(jìn)行澆注，基于此我們將對(duì)離心鑄造機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，將金屬鑄型化為熔模型殼，即熔模鑄造和離心鑄造兩種工藝相結(jié)合。這樣可以降低金屬鑄型加工的成本，使得生產(chǎn)更加靈活，同時(shí)解決熔模鑄造自身容易產(chǎn)生粗大的樹枝晶體問題，探討能否達(dá)到細(xì)化晶粒從而提高鑄件的性能，達(dá)到節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)輕量化的目的。

1.2 旋轉(zhuǎn)澆注設(shè)備的預(yù)期功能

（1） 通過對(duì)立式離心鑄造設(shè)備的改進(jìn)，滿足金屬在旋轉(zhuǎn)過程中澆注，所以設(shè)備的首要條件是轉(zhuǎn)速可調(diào)；

（2）其次是設(shè)備能夠便于定位，同時(shí)滿足不同類型的型殼；

（3）最后，能夠保證澆注的安全性。

1.3 現(xiàn)有設(shè)備分析

現(xiàn)有的離心鑄造機(jī)（型號(hào)為HW01），該離心鑄造機(jī)配備有三相異步電機(jī)、變頻器。其工作過程為：存放鑄型部分的工作臺(tái)與主軸相連，電動(dòng)機(jī)通過帶輪驅(qū)動(dòng)主軸，帶動(dòng)工作臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。而整個(gè)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速的調(diào)整可以通過變頻器來實(shí)現(xiàn)。由于該設(shè)備主要是用于硅橡膠模具或石膏型模具，而熔模鑄造通常是利用型殼來成型的，所以基于此特點(diǎn)必須對(duì)工作臺(tái)部分重新設(shè)計(jì)。原設(shè)備的外形尺寸為：780 mm×540 mm×1 080 mm，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為：0～1 400 r/min，電源電壓要求為：380 V、頻率為50 Hz，采用三相四線方式供電。該設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 離心鑄造機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.4 設(shè)備改進(jìn)方案

原始設(shè)備的最大工作空間為：450 mm× 450 mm×180 mm；與轉(zhuǎn)軸的連接為6個(gè)M8的內(nèi)六角螺紋連接。工作空間的高度方向是不受機(jī)蓋自身的約束限制，所以拆去機(jī)蓋后，則優(yōu)先考慮的是工作空間底面的面積。

1.4.1 方案一

Rushil Décor成立于1993年，用桉木和高齡芒果木生產(chǎn)MDF。除了生產(chǎn)MDF外，它還生產(chǎn)裝飾用高壓層壓板，并出口到36個(gè)國家。

矩形底面的工作空間，其底面尺寸為350 mm ×150 mm，在寬度方向可以依靠間隙進(jìn)行粗略定位，長(zhǎng)度方向可以通過設(shè)置螺旋螺桿推動(dòng)擋板運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行調(diào)整其在長(zhǎng)度方向的位置，然后利用6個(gè)M8的內(nèi)六角螺紋與轉(zhuǎn)軸相連。所以設(shè)置后其零件圖如圖2、圖3，以及裝配后如圖4所示。

圖2 底箱的二維圖

分析比較得出，從外形上看該底箱為矩形，其旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)帶來旋轉(zhuǎn)面積變化不均，同時(shí)各個(gè)部分的旋轉(zhuǎn)速度不均，造成工作過程中容易產(chǎn)生偏心，不利于澆注金屬液；同時(shí)從定位上來說，它具備了一定的定位要求，定位較方便，但是定位精度不便于控制，在轉(zhuǎn)速過高的狀態(tài)下容易產(chǎn)生側(cè)滑，使型殼所受的振動(dòng)較大，容易破壞型殼。所以放棄了此方案。

圖3 擋板的二維圖

圖4 裝配后的三維示意圖

1.4.2 方案二

為了充分利用原始設(shè)備的工作空間，將設(shè)備的工作空間改為直徑為400 mm的底箱，通過M8的螺紋孔與轉(zhuǎn)動(dòng)主軸相連，以及通過底部的凹槽實(shí)現(xiàn)定位。同時(shí)為了減少對(duì)型殼的振動(dòng)，所以通過埋砂的方式對(duì)其內(nèi)的型殼進(jìn)行固定。修改后其零件圖如圖5所示。

圖5 底箱二維圖

由于實(shí)際加工此底箱方法有兩種形式：

其一，采用鑄造方式，但是無法保證底箱側(cè)壁與底盤的垂直度，同時(shí)尺寸精度不高，且不經(jīng)濟(jì)；

其二，直接購買一些扎制的空心管材，以及板材，通過機(jī)械加工的方式將板材加工為一定規(guī)格的箱底板，將管材加工為一定規(guī)格的側(cè)壁。通過焊接或者螺紋的方式實(shí)現(xiàn)底板與側(cè)壁連接。

1.5 設(shè)備的安裝及調(diào)試狀況

（1） 首先將桶與底板通過8個(gè)M6的內(nèi)六角螺釘連接；然后將底盤放在主軸上，通過直徑為118 mm，深度為8 mm的槽與主軸定位，通過均布的6個(gè)M8的內(nèi)六角螺釘與主軸連接。

（2） 由于底箱較重，所以在工作過程中轉(zhuǎn)速不宜過高，否則會(huì)在工作過程中造成轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，同時(shí)噪音過大。

實(shí)際試驗(yàn)過程中設(shè)備工作的場(chǎng)景如圖9所示。

圖6 桶的二維圖

圖7 底盤的二維圖

圖8 裝配以后的三維圖

2 旋轉(zhuǎn)澆注ZL101熔模鑄件試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

首先制備熔模鑄造殼型，將殼型焙燒后放置在旋轉(zhuǎn)澆注設(shè)備底盤上。熔煉ZL101鋁合金（化學(xué)成份見表1）澆注至殼型中，金屬液凝固后，落砂清理鑄件。采用兩種澆注方法，一種為重力澆注，一種為轉(zhuǎn)速80 r/min的旋轉(zhuǎn)澆注，對(duì)比兩種鑄件的縮孔縮松和組織。

圖9 設(shè)備工作場(chǎng)景

表1 試驗(yàn)用ZL101化學(xué)成份 （%）[5]

試驗(yàn)材料采用 ZL101 鋁合金，其凝固溫度區(qū)間 為 555～615 ℃[5]。 其 化 學(xué) 成 分 如 表 1 所示。

2.2 ZL101鑄件表面形貌觀察

從鑄件中心將零件剖開以后，其斷面如圖10示。

從圖10可以看出,在旋轉(zhuǎn)條件下，鑄件中心有集中的縮孔，而不旋轉(zhuǎn)的條件下沒有出現(xiàn)集中的縮孔現(xiàn)象。這表明在合金收縮一定的條件下，不旋轉(zhuǎn)更傾向于縮松分布；而旋轉(zhuǎn)條件，更傾向于縮孔分布。

2.3 ZL101鑄件組織分析

圖11可以看出旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)相比，旋轉(zhuǎn)可以細(xì)化基體，同時(shí)也可以改善共晶硅的形態(tài)分布。不旋轉(zhuǎn)條件下，可以看到α-Al呈粗大的樹枝晶，同時(shí)共晶硅分布不均，呈塊狀。80 r/min的條件下可以看到α-Al枝晶明顯細(xì)化，同時(shí)共晶硅呈短桿狀。旋轉(zhuǎn)澆注會(huì)不同程度地細(xì)化α-Al枝晶，使得α-Al枝晶間距減??；與此同時(shí)旋轉(zhuǎn)澆注還會(huì)細(xì)化了共晶硅，使得共晶硅更傾向于向短桿狀、點(diǎn)狀發(fā)展，其共晶硅的分布趨于均勻化。

圖10 鑄件剖切后表面形貌

圖11 ZL101鑄件金相組織

3 結(jié)論

將離心澆注設(shè)備改制為熔模鑄造旋轉(zhuǎn)澆注設(shè)備，基本上成功實(shí)現(xiàn)了熔模鑄造殼型的放置與固定。

旋轉(zhuǎn)澆注與未旋轉(zhuǎn)澆注對(duì)比，可以明顯地細(xì)化共晶硅以及α-Al，組織分布更均勻。

對(duì)于ZL101而言，旋轉(zhuǎn)澆注能夠促進(jìn)縮松向縮孔轉(zhuǎn)化。

[1] 范金輝，翟啟杰.物理場(chǎng)對(duì)金屬凝固組織的影響[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2002,12（1）:11-17.

[2] O.V.Abramov.Ultrasound in liquid and solid metals[M].New York:CRC Press,1994:24-97.

[3] G.Marcel.Electromagnetic processing of liquid materials in Europe[J].ISIJ International,1990,30(3):1-7.

[4] 張偉強(qiáng)，金屬電磁凝固原理與技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004:240-312.

[5] 孫玉福. 新編有色金屬材料手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

Equipment restructuring and experiment of rotary pouring for investment casting

CHEN YuLian, YANG Jin
(1.Guizhou Medical University, Guiyang 550004,Guizhou,China; 2.Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002,Hubei,China)

In this experiment, the rotary casting equipment was extended to the application of investment casting production, and the centrifugal casting machine was reformed into rotating casting equipment for investment casting.ZL101 alloy was used as raw material, the samples were made by this equipment, and the section of samples were observed and micro-structure of samples were analyzed. The results show that the ZL101 alloy grain refinement can be refined by rotating casting;The distribution of eutectic silicon is more uniform and smaller; The trend of shrinkage to shrinkage transformation was further promote.

investment casting；rotary pouring；microstructure

TG249.5；

A；

1 006-9 658（201 6）04-0091-04

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.026

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目（B類）（B20122302）；湖北省教育廳青年教師深入企業(yè)千人計(jì)劃（XD2010355）

2016-01-22

稿件編號(hào): 1601-1225

陳玉蓮（1982—），女 ，碩士，講師，主要研究方向是鋁合金組織和性能的改善與提高.