ZL114A支架鑄件鑄造工藝設(shè)計研究

李大奎 劉閃光 杜旭初 陳明偉 郝慧林

摘 要 針對某運載機用高性能ZL114A合金支架鑄件設(shè)計出縫隙式和底注式相結(jié)合的低壓澆注系統(tǒng)，采用對厚大部位增加激冷等方式實現(xiàn)局部部位順序凝固，同時通過對低壓澆注工藝參數(shù)進行優(yōu)化，得到在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下得到冶金質(zhì)量合格的鑄件。經(jīng)Al-Ti-B中間合金細(xì)化處理后，鑄件本體剖切試樣（T6態(tài)）的平均抗拉強度、屈服強度、延伸率分別可達到345.75MPa、288.5MPa、5.84%，同時可發(fā)現(xiàn)細(xì)化后的平均晶粒尺寸更加細(xì)小，斷口組織更加致密，顯微疏松等缺陷數(shù)量明顯減少，同時韌窩斷裂傾向更加明顯。

關(guān)鍵詞 ZL114A合金;凝固工藝設(shè)計;晶粒細(xì)化;力學(xué)性能;微觀組織

隨著航空航天工業(yè)的迅猛發(fā)展。各種大型、復(fù)雜、整體、薄壁鋁合金鑄件的需求和使用越來越廣泛。采用優(yōu)質(zhì)鋁合金鑄件，在滿足使用要求的條件下，可有效減輕結(jié)構(gòu)重量，提高制造效率，降低制造成本[1]。因此對鋁合金鑄件的整體成形、尺寸精度、內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能等要求隨之不斷提高，只有不斷突破鑄造關(guān)鍵技術(shù)才能滿足優(yōu)質(zhì)鋁合金鑄件的成形和內(nèi)部質(zhì)量要求。關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在對鑄件的澆注成形、內(nèi)部質(zhì)量控制與力學(xué)性能提升等方面。

另外，Al-Si系合金材料由于具有良好的工藝流動性，多應(yīng)用于成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制件，其T6熱處理狀態(tài)下大量的初生與共晶Si相形貌由板片狀與短棒狀轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?，在晶界處析出大量的Mg2Si時效強化相，有效提高了合金材料的綜合力學(xué)性能與機械加工性能，在航天航空軍工裝備領(lǐng)域的應(yīng)用需求日益廣泛[2]。本文以某運載機用高性能ZL114A合金支架鑄件為研究對象，通過對低壓鑄造工藝設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化、合金熔體處理等，獲得內(nèi)部質(zhì)量符合技術(shù)要求的鑄件，并結(jié)合OM、SEM與WDW-100KN力學(xué)性能試驗機等手段，對鑄件微觀組織、力學(xué)性能、斷口形貌進行分析和討論，為高性能鋁合金精密鑄件研制與批量化生產(chǎn)提供工藝指導(dǎo)與數(shù)據(jù)支撐。

1鑄件的結(jié)構(gòu)特點與技術(shù)要求

ZL114A支架鑄件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該鑄件結(jié)構(gòu)特點與技術(shù)要求如下

鑄件輪廓尺寸750×485×346mm，最大壁厚40mm，最小壁厚6mm，且存在多處壁厚突變區(qū)域，屬于中大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件;支架鑄件為運載機機載設(shè)備重要承力件，內(nèi)部質(zhì)量要求嚴(yán)格，要求達到HB963-2005中Ⅰ類鑄件水平;

指定區(qū)域的本體剖切性能σb≥320MPa，σ0.2≥260MPa，δ5≥4%。

考慮上述特點和性能要求，分析該鑄件主要研制難點為鑄件成形、冶金質(zhì)量與力學(xué)性能控制。

2鑄造工藝設(shè)計

根據(jù)ZL114A支架鑄件結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)要求及經(jīng)驗分析，重力澆注難以獲得內(nèi)部組織致密、力學(xué)性能達標(biāo)的鑄件，因此采用選用“精密樹脂砂型鑄造、低壓澆注成形”的鑄造方法進行研制。低壓澆注工藝是利用氣體壓力或者電磁力將金屬液壓入鑄型來實現(xiàn)充型的，在合金液面上施加氣體壓力，迫使合金液沿升液管上升最終充滿型腔。該工藝既能保證鑄件成形完整，又能控制氣泡、夾雜等缺陷的產(chǎn)生，同時也可加強對厚大部位的補縮，從而在保證鑄件成形完整的情況下實現(xiàn)組織致密[3]。

圖2所示為ZL114A支架鑄件低壓充型凝固成形工藝設(shè)計示意圖。從圖中可以看出，鑄件工藝采用縫隙式和底注式相結(jié)合的澆注系統(tǒng)。該組合澆注系統(tǒng)的優(yōu)點是在合適的澆注位置下，鑄件主要部位的金屬液通過縫隙式內(nèi)澆口進入型腔，而在凸臺等厚大部位處金屬液能夠由底注內(nèi)澆口與分澆口進入[4]。這不僅縮短了金屬液的流程，改善了金屬液在型腔內(nèi)的充填狀態(tài)，而且提高了澆注系統(tǒng)對鑄件的補縮能力。在支架鑄件厚大部位布置45#鋼材質(zhì)冷鐵，厚壁區(qū)域冷鐵設(shè)計厚度一般為壁厚的0.8倍，因此頂部區(qū)域冷鐵厚度尺寸設(shè)計為32mm。

ZL114A鑄件橫澆道根據(jù)鑄件形狀采用“圭字形”結(jié)構(gòu)設(shè)計，橫澆道總長度為724mm，總寬度為530mm，每根橫澆道寬度為90mm，高度為65mm。弧形內(nèi)澆口厚度根據(jù)壁厚情況選擇12～25mm范圍內(nèi)。澆注系統(tǒng)采用的縫隙式澆注系統(tǒng)，其橫截面如圖3所示。通常縫隙式澆注系統(tǒng)的參數(shù)可按以下經(jīng)驗公式[5]計算：

式中，n為縫隙數(shù)量，S為鑄件外形的周長，δ為縫隙內(nèi)澆道的厚度，δ鑄件為與縫隙內(nèi)澆道相連處鑄件的壁厚，d為縫隙立筒的直徑。因此，縫隙澆注系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)為：縫隙內(nèi)澆道的厚度δ=15mm;縫隙立筒直徑d=60mm;縫隙數(shù)量n=9。根據(jù)經(jīng)驗，縫隙內(nèi)澆道的寬度b設(shè)為15～35mm。

根據(jù)已有澆注系統(tǒng)，試驗分別設(shè)計了4種不同的低壓澆注工藝參數(shù)，并對鑄件實物冶金質(zhì)量進行檢測，測試結(jié)果見表2所示。由表2中的結(jié)果可知：選用試驗1#低壓澆注工藝參數(shù)時，由于升液壓力與升液速度較慢，且充型壓力與充型速度較慢，在凝固過程中補縮能力不足，尤其對于厚壁部位，無法實現(xiàn)順序凝固，因此出現(xiàn)疏松超標(biāo)，甚至出現(xiàn)欠鑄現(xiàn)象。選用4#澆注工藝時，由于升液速度與充型速度過快，充型過程不平穩(wěn)，進入型腔后極易出現(xiàn)“卷氣”、“紊流”等情況，造成夾雜、氣孔缺陷。同時由于充型壓力較大，樹脂砂鑄型受熱分解，干強度降低繼而發(fā)生潰散，在較高壓力下會出現(xiàn)機械粘砂。當(dāng)升液與充型壓力為40kPa，升液速度與充型速度為60mm·s-1，澆注溫度為710℃時，凝固后期合金熔體在保壓壓力作用下對凝固區(qū)域進行良好的補縮填充，凝固組織較為致密。如圖4所示，對鑄件實物進行X光檢測，其冶金質(zhì)量滿足要求。

3結(jié)束語

（1）選用“圭字形”結(jié)構(gòu)底注式系統(tǒng)和縫隙式系統(tǒng)相結(jié)合的工藝設(shè)計方案，采用對厚大部位放置冷鐵等方式實現(xiàn)局部部位順序凝固。

（2）通過對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，得到在升液與充型壓力為40kPa、升液速度與充型速度為60mm·s-1、澆注溫度為710℃等工藝參數(shù)條件下可以研制出冶金質(zhì)量合格的鑄件。

參考文獻

[1] 鄭來蘇.鑄造合金及其熔煉[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社， 1994：93.

[2] 周志敏，王娜，李勇，等. 過共晶Al-Si合金初晶Si相的細(xì)化機理 [J].特種鑄造及有色合金，2012，32（2）：99-102.

[3] 董秀琦，王冬，王承志，等.低壓及差壓鑄造理論與實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003：61.

[4] 杜旭初，洪潤洲，熊艷才，等.高鐵用大型復(fù)雜鋁合金枕梁鑄件低壓鑄造工藝研究[J].鑄造，2014，63（8）：769-774.

[5] 曲衛(wèi)濤.鑄造工藝學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1994：107.

作者簡介

李大奎（1987-），男，山東泰安人;學(xué)歷：碩士，現(xiàn)就職單位：北京航空材料研究院，研究方向：鑄造鋁合金。