ZL205A覆膜砂鑄造成型工藝改進(jìn)

程會(huì)民，石 力，楊英歌，王 帥，韓文進(jìn)

(西安北方光電股份有限公司，陜西 西安 710043)

ZL205A材料在我國軍事用途鑄件中使用廣泛。該材料經(jīng)過T6處理后，抗拉強(qiáng)度可達(dá)470 MPa以上，遠(yuǎn)超一般鑄造鋁合金[1]，因此在一些重要及關(guān)鍵部件中時(shí)常采用該材料進(jìn)行鑄造生產(chǎn)。但由于該材料熱裂傾向較嚴(yán)重，目前能夠使用的鑄造方式比較有限，厚大零件主要采用砂鑄方式生產(chǎn)，部分薄壁零件可使用石膏型精密鑄造生產(chǎn)。而覆膜砂鑄造主要適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而體積小、質(zhì)量輕、批量大的鑄件，較傳統(tǒng)砂型鑄造在中小件生產(chǎn)方面具有尺寸精度好，批量生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性好，表面粗糙度等級(jí)較高等優(yōu)點(diǎn)，較石膏型精密鑄造工藝流程短、成本低、適合大批量生產(chǎn)；因此，針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚差異較大的鑄件，采用覆膜砂型鑄造是一個(gè)行之有效的方法[2]。

1 鑄件結(jié)構(gòu)分析

某型產(chǎn)品外殼為該型產(chǎn)品主要受力件，對(duì)鑄件內(nèi)部質(zhì)量有較高要求，該鑄件主體外形為錐形桶裝結(jié)構(gòu)，外側(cè)有不規(guī)則支架2組(見圖1)。鑄件不同部位壁厚差異較大，鑄造生產(chǎn)過程中極易出現(xiàn)因存在熱節(jié)導(dǎo)致的冷隔、縮孔和縮松等缺陷，生產(chǎn)難度較大。

圖1 鑄件三維圖

2 鑄造方式選擇

通過鑄件剖面圖(見圖2)可發(fā)現(xiàn)，該鑄件厚大部位集中于上下兩端且分布不均，中部較上下兩端壁厚較小，在鑄造生產(chǎn)時(shí)無論怎樣分型都存在部分厚大部位補(bǔ)縮通道不暢的情況，需要多處設(shè)置冷鐵；同時(shí)，該鑄件為產(chǎn)品外觀部件，外形復(fù)雜許多部位無法進(jìn)行機(jī)械加工，圖樣要求鑄件尺寸公差達(dá)到CT8級(jí)，這就造成鑄件多數(shù)外表面無法設(shè)置冷鐵。通過分析該鑄件的內(nèi)外部質(zhì)量要求可知，傳統(tǒng)砂型鑄造很難滿足以上要求，而石膏型精密鑄造又成本過高，因此，考慮采用覆膜砂型鑄造。

圖2 鑄件剖面圖

3 工藝方案設(shè)計(jì)

初步方案考慮盡量降低模具制造及砂殼生產(chǎn)費(fèi)用，同時(shí)盡量保證鑄件外觀質(zhì)量。該方案是將直澆道設(shè)置于鑄件內(nèi)部型芯之中，從兩側(cè)三角形支架部位進(jìn)澆(見圖3)。模具采用水平分型[3]，熱電偶加熱，使用水平800型射芯機(jī)生產(chǎn)砂殼(見圖4)。

圖3 澆注系統(tǒng)示意圖

圖4 覆膜砂模具及砂殼三維圖

4 工藝試制及改進(jìn)

4.1 工藝試制

通過1個(gè)批次15件的探傷及加工后發(fā)現(xiàn)，毛坯在A部位(見圖5)出現(xiàn)大量彌散性氣孔(見圖6)，同時(shí)在B部位出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷(見圖7)。

圖5 缺陷部位示意圖

圖6 A處氣孔、針孔X光照片

圖7 B處縮松組織X光照片

4.2 原因分析及工藝改進(jìn)

圖5中A處彌散性針孔、氣孔直徑較小，多數(shù)直徑約為1 mm。一般出現(xiàn)針孔、氣孔的原因有如下2個(gè)方面：1)鋁合金液體本身帶入；2)澆鑄系統(tǒng)設(shè)置不合理，合金液進(jìn)入過程中產(chǎn)生大量紊流，將澆道、型腔內(nèi)氣體卷入造成氣孔。經(jīng)初步判斷，懷疑為合金液精煉效果不佳，氣體在冷卻過程中析出所致。圖5中B處缺陷判斷為由于冷鐵厚度及長度不足，激冷效果不佳導(dǎo)致。

判斷缺陷原因后即對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行如下改進(jìn)。

1)加強(qiáng)鋁液精煉過程控制，適當(dāng)提高精煉劑使用量，延長氬氣除氣時(shí)間，使用密度法檢測(cè)精煉效果，當(dāng)試樣密度>2.77 g/cm3時(shí)方可進(jìn)行澆注[4]。

2)調(diào)整冷鐵大小，長度方向增加20 mm，寬度方向增加15 mm，厚度方向增加5 mm，從而增強(qiáng)激冷效果。

經(jīng)過第2批10件鑄件按不同澆注速度、溫度等工藝參數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，B處縮孔、縮松在增大冷鐵后消失(見圖8)，但A處大面積針孔、氣孔僅通過加強(qiáng)鋁合金精煉效果控制及調(diào)整澆注溫度、時(shí)間等手段無明顯改善，并且在2次試驗(yàn)中澆鑄速度較快的鑄件氣孔現(xiàn)象更嚴(yán)重，從側(cè)面印證了澆鑄系統(tǒng)設(shè)置存在問題。針對(duì)此問題，下述將對(duì)澆鑄系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

圖8 B處無缺陷X光照片

4.3 澆鑄系統(tǒng)改進(jìn)

由于覆膜砂模具為金屬模具，對(duì)其尺寸修改沒有砂鑄木模具修改靈活方便，為減少不必要的反復(fù)，筆者應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬軟件AnyCasting對(duì)初步工藝方案及2種改進(jìn)方案分別進(jìn)行了模擬分析[5]，以便再次確認(rèn)缺陷產(chǎn)生原因及優(yōu)選工藝方案。

4.3.1 原因分析

從初步試制方案的充型順序模擬過程中可以發(fā)現(xiàn)，在合金液剛進(jìn)入型腔時(shí)由于澆注壓力全部集中于零件外側(cè)(見圖9a)，隨著澆注持續(xù)在型腔中間出現(xiàn)空腔(見圖9b)，而后空腔中的空氣被包裹在合金液中，空氣逸出時(shí)引起合金液出現(xiàn)劇烈晃動(dòng)(見圖9c)，之后合金液上升至鑄件薄壁部位液面逐漸平穩(wěn)，但之前由紊流包裹進(jìn)的空氣被留在鑄件之中(見圖9d)。由此可見，澆注系統(tǒng)設(shè)置不當(dāng)為引起針孔、氣孔缺陷的主要原因。

圖9 初步工藝方案充型順序模擬過程

4.3.2 改進(jìn)方案一

方案一為改善澆道內(nèi)過大的澆注壓力，將2個(gè)小內(nèi)澆口改為1條開放式縫隙澆口?？p隙澆口具有充型平穩(wěn)、減少紊流和利于補(bǔ)縮的功能，通常設(shè)置于零件外表面以方便清理。但由于本鑄件外觀質(zhì)量要求較高，外表面不允許設(shè)置澆口、冷鐵等影響外觀質(zhì)量的工藝系統(tǒng)，故設(shè)置于零件內(nèi)表面。

在方案一中可以觀察到，由于澆口正對(duì)砂殼外壁，進(jìn)澆時(shí)也會(huì)產(chǎn)生紊流(見圖10a)，同時(shí)合金液進(jìn)入A部位時(shí)由于落差較大，依然會(huì)產(chǎn)生紊流(見圖10b)，當(dāng)澆口部位紊流和A部位紊流匯流時(shí)引起液面劇烈振蕩(見圖10c)，隨后液面升高至薄壁部位時(shí)，液面振蕩依然沒有停止(見圖10d)。通過分析該方案充型過程可以預(yù)見，由于縫隙澆口設(shè)置位置不佳，紊流情況不僅沒有得到改善，反而引起更嚴(yán)重的紊流，從而導(dǎo)致出現(xiàn)更嚴(yán)重的缺陷，故淘汰該方案。

圖10 方案一充型順序模擬過程

4.3.3 改進(jìn)方案二

改進(jìn)方案二在吸取之前方案的經(jīng)驗(yàn)后，將縫隙澆口改為2條分別放置于兩側(cè)，這樣可以減小充型壓力，同時(shí)降低合金液進(jìn)澆落差，可大幅減小紊流的強(qiáng)度[6]，有助于提高鑄件內(nèi)部質(zhì)量。

從改進(jìn)方案二的充型順序模擬中可以觀察到，由于雙縫隙澆口分擔(dān)了進(jìn)澆壓力，降低了進(jìn)澆落差，進(jìn)澆初期的液面振蕩幅度明顯小于之前的2種方案(見圖11a)；隨著不斷進(jìn)澆，合金液面始終保持平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)劇烈的紊流現(xiàn)象(見圖11b～圖11d)。可以據(jù)此推斷，采用該方案可有效改善鑄件內(nèi)部出現(xiàn)的針孔、氣孔缺陷。

圖11 方案二充型順序模擬過程

4.4 改進(jìn)結(jié)果

按改進(jìn)方案二修改模具，并進(jìn)行第3批50余件鑄件生產(chǎn)，檢測(cè)結(jié)果表明，探傷合格率>98%，基本解決了鑄件試制前期反復(fù)出現(xiàn)的氣孔、針孔缺陷(見圖12)，實(shí)現(xiàn)了該鑄件的低成本、大批量生產(chǎn)。

圖12 A處無缺陷X光照片