百萬(wàn)伏產(chǎn)品鋁合金機(jī)構(gòu)室鑄件工藝研究

孫曉莉，王家文，李勝君，姜 麗，趙娜娜，劉 寧，于 程

（新程（營(yíng)口）精密設(shè)備有限公司，遼寧營(yíng)口 115000）

0 引言

我國(guó)輸變電設(shè)備制造行業(yè)已經(jīng)走過(guò)了50 年的發(fā)展歷程。目前高壓、超高壓輸變電設(shè)備制造企業(yè)從無(wú)到有、從小到大。尤其是近十多年來(lái)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)等方面有了迅速發(fā)展，產(chǎn)品基本滿(mǎn)足了我國(guó)電力建設(shè)的需要[1]。作為高壓電氣廠商的配套企業(yè)，為了滿(mǎn)足特高壓電氣設(shè)備中對(duì)鋁合金鑄件的高質(zhì)量要求，筆者就國(guó)內(nèi)某知名高壓電氣廠商一種百萬(wàn)伏特高壓產(chǎn)品上極其重要的鋁合金機(jī)構(gòu)室鑄件為例，探究鑄件從砂型生產(chǎn)改為金屬型生產(chǎn)的工藝優(yōu)化。

1 鑄件的結(jié)構(gòu)分析

該機(jī)構(gòu)室形狀尺寸如圖1 所示，鑄件材質(zhì)：AlSi7Mg；重量:62kg；外輪廓尺寸:?430mm×545mm；該鑄件存在多個(gè)氣體密封面且粗糙度要求更是達(dá)到Ra0.8，因此對(duì)鑄件本身質(zhì)量要求極高。

圖1 鑄件簡(jiǎn)圖

該鑄件的工藝難點(diǎn)是鑄件不同位置壁厚相差較大，?229mm 端頭處最薄壁厚14.5mm，熱量散失太快，4 處筋板厚度為20mm，內(nèi)壁壁厚25mm，兩處法蘭最厚大區(qū)域卻達(dá)到45mm，非常不利于鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固，極易產(chǎn)生縮松及針孔等鑄造缺陷。且鑄件內(nèi)壁為滑動(dòng)氣體密封面，不僅要滿(mǎn)足非常嚴(yán)苛的公差標(biāo)準(zhǔn)要求，還要保證鑄件的氣體密封性，粗糙度要求更是達(dá)到Ra0.8。因此，要保證鑄件沒(méi)有任何縮松、針孔缺陷，對(duì)筆者來(lái)說(shuō)是一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

2 方案一：砂型低壓鑄造

2.1 低壓鑄造的工藝特點(diǎn)

（1）金屬液澆注速度可控，充型速度大小可根據(jù)工藝要求進(jìn)行準(zhǔn)確控制，可保證液體金屬充型平穩(wěn)，減少或避免金屬液在充型時(shí)產(chǎn)生的翻騰、沖擊和飛濺現(xiàn)象，從而減少了氧化夾渣的形成，提高了鑄件質(zhì)量。

（2）金屬液在壓力作用下充型，可提高金屬液的流動(dòng)性，鑄件成形性好，有利于形成輪廓清晰、表面光潔的鑄件，對(duì)于大型薄壁鑄件的成形更為有利。

（3）鑄件在壓力下結(jié)晶凝固，可以得到充分的補(bǔ)縮，故鑄件組織致密、力學(xué)性能好[2]。

通過(guò)對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)深入分析并結(jié)合多年實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及鑄件凝固理論，決定采用砂型低壓鑄造方式生產(chǎn)。

2.2 砂型低壓鑄造方案

該工藝方案是以垂直于四塊筋板的鑄件中心線(xiàn)作為鑄件的分型面，由于兩法蘭處屬最厚大區(qū)域，壁厚45mm，在厚大部分熱節(jié)處極易產(chǎn)生縮松與針孔缺陷。且此鑄件加工面較多，故筆者在所有加工區(qū)域采用了鑄件法蘭厚度1.2～1.5 倍[3]厚的鑄鋁冷鐵進(jìn)行激冷，來(lái)調(diào)整鑄件的凝固順序，具體工藝如圖2 所示。

圖2 砂型低壓鑄造工藝方案及冷鐵分布圖

2.3 生產(chǎn)驗(yàn)證

雖然生產(chǎn)出的鑄件經(jīng)X 光實(shí)時(shí)成像無(wú)損檢測(cè)，沒(méi)有明顯缺陷。但是在機(jī)加工?200mm 內(nèi)壁與密封槽時(shí)出現(xiàn)了縮松與針孔缺陷，如圖3 所示。由于縮孔、縮松的存在，將減少鑄件的有效承載截面積，甚至造成應(yīng)力集中而大大降低鑄件的機(jī)械性能。而且由于鑄件的連續(xù)性被破壞，還會(huì)使鑄件的氣密性、抗蝕性等性能顯著降低。故去除內(nèi)壁縮松、針孔缺陷已經(jīng)迫在眉睫。

圖3 鑄件內(nèi)壁缺陷及其放大圖

2.4 原因分析

由于此鑄件砂芯直徑較小，雖然放置冷鐵，但是冷鐵厚度薄，被高溫鋁液包裹后，長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，熱量無(wú)法導(dǎo)出，降低了砂芯表面金屬的凝固速度，因此出現(xiàn)縮松缺陷；同時(shí)，高溫金屬液進(jìn)入型腔后，在熱作用下，型腔四周表面的水分，樹(shù)脂固化劑、涂料等產(chǎn)氣物質(zhì)，在蒸發(fā)、氧化燃燒過(guò)程中均產(chǎn)生氣體。其中一部分氣體通過(guò)透氣的砂型逸走，但是如果砂芯的發(fā)氣速度快，而使一部分氣體不能及時(shí)通過(guò)型砂逸走時(shí)，就會(huì)侵入到鋁液中，當(dāng)鑄件凝固時(shí)，就會(huì)在接近鑄件表面形成針孔缺陷。

由于此鑄件在整個(gè)特高壓產(chǎn)品中尤為重要，且客戶(hù)對(duì)內(nèi)外表面質(zhì)量的要求日漸嚴(yán)苛，但以目前的砂型工藝不僅很難滿(mǎn)足鑄件內(nèi)外表面質(zhì)量，更無(wú)法保證正常生產(chǎn)裝配進(jìn)度。所以筆者必須考慮重新調(diào)整工藝方案。

3 方案二:金屬型、芯傾轉(zhuǎn)鑄造方案

傾轉(zhuǎn)澆注時(shí)合金液流平穩(wěn)，對(duì)模具型腔的沖刷力小，避免合金液流在澆道中或型腔內(nèi)的紊流或飛濺，能實(shí)現(xiàn)合金液流在模具型腔內(nèi)的層流充填，因此可得到組織致密、力學(xué)性能較高的鑄件[4，5]。故決定改用金屬型可傾轉(zhuǎn)式重力澆注工藝方式生產(chǎn)此鑄件。

3.1 金屬型、芯傾轉(zhuǎn)鑄造方案

此方案如圖4 所示，采用鐵模鐵芯方式生產(chǎn)，由于兩法蘭處最厚大，在此處設(shè)置了冒口，而內(nèi)壁部分為氣體滑動(dòng)密封面，粗糙度要求極高且不允許有任何縮松針孔缺陷，所以筆者利用鐵芯通風(fēng)冷卻的方式，加快鑄件內(nèi)壁的冷卻速度，使此處組織更加致密，避免此處出現(xiàn)針孔與縮松缺陷。

圖4 金屬型傾轉(zhuǎn)重力鑄造工藝方案

3.2 計(jì)算機(jī)模擬

采用鑄造凝固過(guò)程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)此工藝方案進(jìn)行模擬（圖5）。

圖5 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬

通過(guò)模擬結(jié)果反映出，鑄件沒(méi)有出現(xiàn)縮松、縮孔現(xiàn)象，達(dá)到了工藝預(yù)期效果。

3.3 生產(chǎn)驗(yàn)證

生產(chǎn)出的鑄件經(jīng)過(guò)X 光實(shí)時(shí)成像無(wú)損檢測(cè)，鑄件內(nèi)部無(wú)缺陷。且通過(guò)機(jī)加工驗(yàn)證，鑄件氣體滑動(dòng)密封面沒(méi)有任何鑄造缺陷。截止目前已經(jīng)生產(chǎn)230 余件，合格率高達(dá)98%，成品圖如圖6 所示。

圖6 機(jī)加后成品圖

4 結(jié)論

采用金屬型，鐵芯附加風(fēng)冷裝置來(lái)生產(chǎn)該鑄件，不僅所有密封面沒(méi)有任何鑄造缺陷，且鑄件內(nèi)外表面光滑平整；節(jié)省了樹(shù)脂砂成本，而且大大地縮短了鑄件清理打磨時(shí)間，減少了打磨費(fèi)用；不僅鑄件質(zhì)量滿(mǎn)足了客戶(hù)需求，還極大地提高了鑄件生產(chǎn)效率及工藝出品率（工藝出品率由69%提高到85%）。