鋁合金復(fù)雜薄壁件鑄造工藝研究

董方濤 王宏偉 王中華 王 鵬 校武武 楊 康

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鋁合金復(fù)雜薄壁件鑄造工藝研究

董方濤 王宏偉 王中華 王 鵬 校武武 楊 康

（西安航天精密機(jī)電研究所，西安 710100）

采用低壓砂型鑄造工藝制備了鋁合金復(fù)雜薄壁鑄件。根據(jù)零件整體壁厚薄、壁厚一致性相差懸殊的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了3種澆注系統(tǒng)：十字型底注式澆注系統(tǒng)、工字型中注結(jié)合冷鐵補(bǔ)縮厚大部位形式澆注系統(tǒng)、工字型中注結(jié)合內(nèi)澆口補(bǔ)縮厚大部位形式澆注系統(tǒng)。結(jié)果表明，工字型中注結(jié)合內(nèi)澆口補(bǔ)縮厚大部位形式澆注系統(tǒng)，可獲得零缺陷鑄件。

澆注系統(tǒng)；低壓鑄造；鋁合金

1 引言

隨著航空航天輕量化、高精度的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜程度、質(zhì)量要求越來(lái)越高。鋁合金具有密度低、價(jià)格低、環(huán)境適用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，航空航天應(yīng)用比重一直較高。鋁合金鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也朝著整體化、薄壁化、復(fù)雜化的方向發(fā)展。與傳統(tǒng)重力鑄造相比，大型、復(fù)雜鋁合金鑄件多采用低壓鑄造方式生產(chǎn)[1]。低壓鑄造采用自下而上的反重力澆注模式，具有充型平穩(wěn)、速率可控、壓力可控等優(yōu)勢(shì)，鑄件內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定性明顯優(yōu)于其它鑄造方式。

本文選取壁厚一致性懸殊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高的慣導(dǎo)基座為研究對(duì)象，制定了3種澆注系統(tǒng)：1種十字型底注式澆注系統(tǒng)；2種工字型中注式澆注系統(tǒng)。通過理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，中注結(jié)合冒口補(bǔ)縮方式澆注系統(tǒng)效果最佳。

2 基座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 基座鑄件的三維模型

基座鑄件如圖1所示，高度為260mm，長(zhǎng)寬方向?yàn)?30mm×330mm，厚度為3～35mm，基座整體壁厚為3mm，法蘭部位為9mm，安裝臺(tái)厚度為12mm，局部承力部位厚為35mm。鑄件外形四處安裝凸臺(tái)及軸端承力部位要求100%透視，由于鑄件有密封要求，工藝對(duì)部分薄弱點(diǎn)增加透視要求。該基座的主要難點(diǎn)包括：a.壁厚差異懸殊導(dǎo)致應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生裂紋；b.壁厚差異懸殊，鑄件凝固時(shí)不同部位凝固時(shí)間差異大，補(bǔ)縮通道易堵塞，產(chǎn)生縮松缺陷；c.整體壁厚薄，為得到充型完整的鑄件，充型速率相對(duì)較高，造成鋁液充型過程為紊流狀態(tài)，容易形成氣孔缺陷。

3 澆注參數(shù)設(shè)置及方案

基座鑄件采用砂型低壓鑄造方式生產(chǎn)。砂型鑄型透氣性好，潰散性好，不受鑄件結(jié)構(gòu)限制，對(duì)內(nèi)部質(zhì)量要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.1 澆注參數(shù)設(shè)置

基座生產(chǎn)采用原材料為ZL107鑄造鋁合金，生產(chǎn)過程中按比例將成品鋁錠、一級(jí)、二級(jí)回爐料全部一次加入電阻坩堝，隨爐預(yù)熱。合金融化后采用旋轉(zhuǎn)噴吹將高純氬氣通入熔融鋁液進(jìn)行精煉處理，根據(jù)ZL107凝固區(qū)間、合金特點(diǎn)，精煉溫度為(700±10)℃，精煉時(shí)間為(40±5)min，精煉后對(duì)鋁液進(jìn)行靜置除渣處理[2]。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，低壓澆注參數(shù)如表1所示。

表1 基座澆注參數(shù)

3.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚一致性差異懸殊，厚大部位處于鑄件整體中間或內(nèi)部；ZL107鑄造鋁合金屬于鋁硅系合金，合金流動(dòng)性好，凝固區(qū)間相對(duì)較窄，鑄造性能良好[1，3，4]?；诨Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)、砂型低壓鑄造特點(diǎn)、ZL107合金特點(diǎn)，ZL107鋁合金基座鑄件可按照順序凝固方式設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，制定3種澆注方案。

方案1：低壓澆注為自下而上的反重力方式，溫度場(chǎng)分布、補(bǔ)縮順序、排氣方式均是自下而上[5]。理論上，底注式澆注系統(tǒng)具有澆注平穩(wěn)、排氣暢通、鑄件凝固時(shí)完全滿足順序凝固等優(yōu)點(diǎn)。底注式方案采用十字橫澆道加分布式內(nèi)澆道方式，厚大局部采用鋁質(zhì)冷鐵激冷。澆注方式如圖2所示。

圖2 澆注方案1示意圖

方案2：增設(shè)冷鐵對(duì)鑄件厚大部位的激冷和間接補(bǔ)縮作用有限，受鑄件結(jié)構(gòu)限制，厚大部位可能難以通過鑄件本身的順序凝固獲得良好補(bǔ)縮。中注式澆注系統(tǒng)采用工字型橫澆道，以鑄件局部厚大部位為內(nèi)澆道，通過壓力傳遞進(jìn)行局部補(bǔ)縮，厚大部位的補(bǔ)縮效果一定程度上得到提升。澆注系統(tǒng)設(shè)置如圖3所示。

圖3 澆注方案2示意圖

方案3：冷鐵、內(nèi)澆口均可延長(zhǎng)補(bǔ)縮距離，有效延長(zhǎng)距離均有限。低壓澆注時(shí)，澆注系統(tǒng)凝固之前一直在壓力作用下，澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件的補(bǔ)縮效果最佳。采用中注式澆注系統(tǒng)，在厚大部位均開設(shè)內(nèi)澆口，理論上，厚大部位均能得到有效補(bǔ)縮。澆注系統(tǒng)設(shè)置如圖4所示。

圖4 澆注方案3示意圖

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照3種澆注方案澆注。結(jié)果表明，采用方案1澆注，鑄件厚大部位縮松嚴(yán)重（見圖5），拐角部位產(chǎn)生裂紋缺陷；采用方案2澆注，局部厚大部位補(bǔ)縮不足，容易產(chǎn)生輕微縮松；采用方案3澆注，可得到零內(nèi)部缺陷的基座鑄件。

圖5 方案1縮松部位切片圖

4.2 結(jié)果分析

方案1采取自下而上的澆注方式，對(duì)厚大部位采用鋁制冷鐵補(bǔ)縮，基座鑄件壁厚3mm處為內(nèi)澆道口，將薄壁部分和厚大部分均按照無(wú)限大平板對(duì)待，厚大部位壁厚35mm，薄壁部分3mm，厚薄部位鑄件模數(shù)為17.5倍關(guān)系，鋁合金的蓄熱系數(shù)為23500J/m2℃S，干砂型的蓄熱系數(shù)為1100J/m2℃S，二者蓄熱系數(shù)為21倍關(guān)系。將外部導(dǎo)熱條件視為恒定，理論上，鋁液在進(jìn)入液相線之前，按照方案1澆注，鑄件溫度場(chǎng)為下高上低的理想分布方式，可得到補(bǔ)縮良好的鑄件。試驗(yàn)結(jié)果顯示，厚大部位出現(xiàn)縮松缺陷，縮松產(chǎn)生是由于鋁液在冷卻過程中，薄壁部分提前進(jìn)入固液兩相區(qū)，隨著薄壁部分固相比例增加，鋁液流動(dòng)通道被封閉，厚大部位凝固過程中無(wú)法得鋁液補(bǔ)充，形成縮松[6]。方案1澆注后內(nèi)澆口附近直角部位出現(xiàn)裂紋，一方面直角部位為結(jié)構(gòu)件應(yīng)力集中點(diǎn)，一方面順序凝固過程成中，溫度差異越大，熱應(yīng)力越大，3mm壁厚拐角部位處于半凝固狀態(tài)時(shí)，抗拉強(qiáng)度低于溫度差異在該部位產(chǎn)生的熱應(yīng)力，形成不規(guī)則的熱裂紋。

方案2將內(nèi)澆道設(shè)置于厚大部位，采用內(nèi)澆道直接對(duì)厚大熱節(jié)補(bǔ)縮，對(duì)遠(yuǎn)端次厚部位采用冷鐵激冷。內(nèi)澆道為鑄件鋁液的來(lái)源，一方面內(nèi)澆口溫度高，凝固緩慢，可起到補(bǔ)縮作用；一方面內(nèi)澆口具有傳遞低壓壓力的作用，內(nèi)澆口補(bǔ)縮作用優(yōu)于重力澆注的冒口補(bǔ)縮。但這種中注式澆注方式，鋁液充型過程中流場(chǎng)分布難以預(yù)測(cè)，紊流程度較高，流場(chǎng)的不確定性易造成溫度場(chǎng)的不確定分布，理論上容易產(chǎn)生氣孔和局部非熱節(jié)部位過熱現(xiàn)象。由方案2澆注結(jié)果可知，厚大部位整體無(wú)明顯縮松，遠(yuǎn)離內(nèi)澆口處有輕微疏松，表明在壓力、冷鐵作用下，內(nèi)澆道具有優(yōu)于單純冷鐵激冷補(bǔ)縮的作用，但有效補(bǔ)縮距離有限。

方案3將厚大部位通過內(nèi)澆道連通，厚大部位完全通過內(nèi)澆道在壓力作用下補(bǔ)縮，并在底面、頂面8mm厚法蘭處增加冷鐵。澆注后，可得到零缺陷鑄件。表明內(nèi)澆道在壓力作用下對(duì)鑄件的補(bǔ)縮效果最佳，同時(shí)，澆注系統(tǒng)的輕微變動(dòng)會(huì)引起鋁液流場(chǎng)的變化，引起鑄件溫度場(chǎng)發(fā)生變化，產(chǎn)生新熱節(jié)，澆注系統(tǒng)變動(dòng)時(shí)應(yīng)預(yù)測(cè)并防止新缺陷的形成。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用工字型中注結(jié)合內(nèi)澆口補(bǔ)縮厚大部位形式澆注系統(tǒng)成功澆注了無(wú)缺陷復(fù)雜基座鑄件，并得到如下結(jié)論：

a. 壁厚相差懸殊鑄件厚大部位難以通過冷鐵激冷得到有效補(bǔ)縮；

b. 壁厚相差懸殊，薄壁部分在熱應(yīng)力影響下容易產(chǎn)生開裂，應(yīng)合理設(shè)置澆注系統(tǒng)，避免澆注系統(tǒng)對(duì)局部產(chǎn)生附加應(yīng)力，引起鑄件開裂。

c. 低壓澆注中，內(nèi)澆道在壓力作用下補(bǔ)縮距離有限，在經(jīng)濟(jì)高效前提下，應(yīng)盡可能選擇內(nèi)澆道進(jìn)行厚大部位補(bǔ)縮。

1 田榮璋. 鑄造鋁合金[M]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2006

2 趙世慶，鐘利. 鋁合金熔煉與鑄造技術(shù)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2009

3 李慶春. 鑄件形成理論基礎(chǔ)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980

4 李魁盛. 鑄造工藝及原理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987

5 董秀奇. 低壓及差壓鑄造理論與實(shí)踐[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003

6 于寧，朱霖，董秀奇. 金屬型無(wú)縮松鑄件最佳溫度梯度的獲取及驗(yàn)證[J].特種鑄造及有色金屬，2016，36(5)：513～516

Research on Casting Process of Aluminum Alloy Complicated Thin-walled Component

Dong Fangtao Wang Hongwei Wang Zhonghua Wang Peng Xiao Wuwu Yang Kang

(Xi’an Aerospace Precision Mechatronics Institute, Xi’an 710100)

Aluminum alloy complex thin-walled components were prepared by low-pressure sand casting process. According to the characteristics of the component which carries thick-part within the whole thin-walled, three casting systems were designed. Cross-shaped bottom-based casting system and other two middle-based casting systems. The results show that the third casing system can obtain components with no defect.

casting system；low-pressure casting；aluminum

董方濤（1986），碩士，材料學(xué)專業(yè)；研究方向：鋁合金鑄造工藝設(shè)計(jì)。

2018-07-24