鋁合金筒體鑄件縮松缺陷原因分析及解決措施

閻士標(biāo)，曹杰，張偉，劉建功，劉萬坡

河北太行機(jī)械工業(yè)有限公司 河北石家莊 052165

1 序言

某裝備用重要筒體鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示，屬于典型的筒狀結(jié)構(gòu)，外徑600mm、內(nèi)徑480mm、高度700mm，鑄件內(nèi)腔有4個寬度為60mm、厚度為50mm、長度為700mm的T形凸臺，鑄件重量190kg，鑄件外表面、內(nèi)腔凸臺表面單側(cè)留有10mm的加工量。鑄件材料為ZL205A鋁合金，為Ⅱ類鑄件，需進(jìn)行X射線檢測，鑄件內(nèi)部質(zhì)量需符合GB/T 9438—2013《鋁合金鑄件》要求。鑄件后續(xù)加工后，內(nèi)外表面不得有縮孔、縮松、裂紋及氣孔等缺陷。

圖1 筒體鑄件結(jié)構(gòu)

2 前期試制鑄造工藝

目前，大型重要的筒類鋁合金鑄件一般采用先進(jìn)的低壓鑄造方法進(jìn)行試制和生產(chǎn)，因為低壓鑄造方法能更有效地防止鑄造缺陷的產(chǎn)生。因我公司沒有低壓鑄造設(shè)備，受生產(chǎn)條件的限制，故采用砂型鑄造方法進(jìn)行工藝試制。

2.1 造型方式

采用重力澆注方法，底注式澆注。采用上中下三箱樹脂砂造型工藝，下箱為底箱并設(shè)置橫澆道和內(nèi)澆道，中箱為鑄件整個型腔并設(shè)置直澆道，上箱設(shè)置冒口。

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

試制鑄造工藝如圖2所示。設(shè)有圓錐形直澆道1個，底部直徑30mm，截面積為7cm2。設(shè)有環(huán)形橫澆道1個，橫澆道截面為梯形，截面積為8.4cm2。設(shè)有梯形內(nèi)澆道4個，內(nèi)澆道總截面積為14cm2。直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道截面積比為：∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi)=1∶1.2∶1.7。對應(yīng)鑄件T形凸臺部位，頂部設(shè)有4個頂冒口，在鑄件凝固過程中對T形凸臺部位進(jìn)行補(bǔ)縮，冒口尺寸為長280mm、寬60mm、高100mm。

圖2 筒體鑄件試制鑄造工藝

2.3 鋁錠熔化及澆注

合金熔煉時，采用ZL205A鋁錠為原料，對鋁錠表面去污、除垢，鋁錠熔煉后，用復(fù)合多元精煉劑精煉，用專用攪拌機(jī)+氮氣攪拌除氫，除渣后保溫靜置，當(dāng)鋁液溫度為710℃時澆注，澆注時間保持在

1.5～2min。

2.4 前期試制鑄件質(zhì)量

將鑄件去除澆冒口，經(jīng)清理、打磨、噴砂處理后，進(jìn)行X射線檢測，發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部多處存在縮孔、縮松缺陷，T形凸臺部位縮松面積較大。而且，鑄件的中下部缺陷數(shù)量比上部多。后對鑄件進(jìn)行機(jī)械加工，鑄件內(nèi)部缺陷更加明顯，加工表面多處存在較大面積的縮松缺陷。鑄件加工后表面某處缺陷如圖3所示。鑄件加工后表面缺陷分布如圖4所示。

圖3 筒體鑄件加工后表面某處缺陷

圖4 筒體鑄件加工后表面缺陷分布

從圖4可看出，鑄件加工后缺陷的分布有一定的規(guī)律性。缺陷區(qū)域分成上下兩部分，上部區(qū)域為冒口端，下部區(qū)域為澆口端。Ⅱ區(qū)為與T形凸臺相對背面的區(qū)域，共4處缺陷，此區(qū)域均存在少量的縮松，縮松最大長度約40mm，寬度約20mm；Ⅰ區(qū)為兩個Ⅱ區(qū)之間區(qū)域，共4處缺陷。此區(qū)域縮松的總面積比Ⅱ區(qū)大，縮松最大長度約60mm，寬度約為25mm；Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)位于鑄件的下部，Ⅲ區(qū)縮松的總面積和Ⅱ區(qū)縮松的總面積接近，Ⅳ區(qū)縮松的總面積明顯比Ⅲ區(qū)縮松的總面積大，縮松最大長度約75mm，寬度約30mm。綜上所述，缺陷分布規(guī)律為：Ⅰ區(qū)比Ⅱ區(qū)縮松的總面積大，Ⅳ區(qū)比Ⅲ區(qū)縮松的總面積大，鑄件下部縮松的面積比上部大。

2.5 鑄造缺陷原因分析

根據(jù)鑄件缺陷類型及鑄造工藝形式，對縮松缺陷產(chǎn)生的原因從澆道設(shè)計、冒口補(bǔ)縮能力、鑄件凝固特性等幾個方面進(jìn)行了分析，認(rèn)為縮松產(chǎn)生的原因有以下幾個方面。

（1）澆注方式對缺陷產(chǎn)生有較大的影響 本次工藝試制采用的是底注式澆注，目的是使鋁液充型平穩(wěn)、排氣順暢，避免鋁液在充型過程中發(fā)生氧化及卷入氣體，有利于防止氣孔、夾渣等缺陷的產(chǎn)生。但是，采用底注式澆注，鋁液在充型過程中，先澆入的鋁液流經(jīng)的路線較長，熱損失較大，鋁液充型完成后，鑄型上部的鋁液溫度低于型腔下部的鋁液溫度，形成了上低下高的溫度梯度，這種溫度分布使鑄件產(chǎn)生自上而下的凝固趨勢，與重力鑄造的順序凝固相反。這樣，鑄件在凝固過程中，鑄件中上部可通過頂部的冒口補(bǔ)縮，但是鑄件中下部，由于內(nèi)澆道的凝固，補(bǔ)縮受阻，鑄件中下部沒有多余的鋁液補(bǔ)縮，因而產(chǎn)生縮孔或縮松，而且產(chǎn)生縮孔或縮松的面積比鑄件上部更為嚴(yán)重[1]。

Ⅱ區(qū)上部設(shè)有冒口，鑄件凝固時可對Ⅱ區(qū)進(jìn)行補(bǔ)縮，因此產(chǎn)生縮松面積較小。位于兩個Ⅱ區(qū)之間，這個區(qū)域離冒口距離遠(yuǎn)，冒口對Ⅰ區(qū)的補(bǔ)縮能力減弱，因此Ⅰ區(qū)縮松的總面積比Ⅱ區(qū)大。

（ 2 ） 材料特性對缺陷產(chǎn)生有一定影響 ZL205A鋁合金凝固結(jié)晶范圍非常寬，為544～633℃，呈糊狀凝固方式，鋁合金本身鑄造性能較差，鋁液補(bǔ)縮通道不暢，因此容易產(chǎn)生縮松缺陷。

（3）澆注系統(tǒng)設(shè)計簡單，補(bǔ)縮能力不足 試制工藝澆注系統(tǒng)設(shè)計簡單，雖然設(shè)置了4個頂冒口，但是由于鑄件高度較高，冒口的補(bǔ)縮能力有限，無法對整個鑄件尤其是T形凸臺部位進(jìn)行補(bǔ)縮，其他部位也沒有設(shè)計相應(yīng)的補(bǔ)縮系統(tǒng)，因此造成鑄件產(chǎn)生縮松缺陷[1]。

3 工藝改進(jìn)

根據(jù)前期鑄造工藝、鑄件缺陷情況及原因分析，對鑄造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，以彌補(bǔ)底注式澆注工藝的缺點，改進(jìn)后的鑄造工藝如圖5所示。

圖5 筒體鑄件改進(jìn)后的鑄造工藝

改進(jìn)后的具體工藝措施如下。

1）將直徑30mm的圓錐形直澆道由1個增加至2個，梯形內(nèi)澆道由4個增加至8個，這樣就能縮短澆注時間，使鋁液充型更快，且可降低鋁液充型后鑄件上部和下部的溫差，使鑄件趨向于同時凝固。另外，還可提高冒口的補(bǔ)縮能力，有利于消除縮松缺陷[2]。

2）除4個頂冒口外，從凸臺背面相對位置開始，沿鑄件外表面設(shè)置8個邊冒口，每個邊冒口截面形狀近似梯形，長邊為150mm、短邊為70mm、厚度為90mm，邊冒口高度為700mm。在鑄件凝固過程中，這些冒口可對鑄件整體進(jìn)行補(bǔ)縮，有利于消除縮松缺陷。同時，為了提高邊冒口的補(bǔ)縮能力，將邊冒口底部設(shè)計為楔形，更有利于邊冒口向鑄件補(bǔ)縮[3]。

3）在鑄件中部設(shè)置1條中間橫澆道，截面形狀為矩形，邊長為30mm，橫澆道和8個邊冒口相連，這樣鑄件在澆注過程中，鋁液澆注到中間部位時，后續(xù)澆入的鋁液將從中間橫澆道進(jìn)入鑄型，可均衡鋁液溫度，降低鋁液充型過程中的溫差，這樣就保證了鑄件上部鋁液的溫度高于或接近下部鋁液的溫度，形成上下順序凝固的溫度梯度，提高了鑄件的補(bǔ)縮能力，有利于消除鑄造缺陷[3]。

4）鑄件澆注到頂冒口位置時，從頂冒口進(jìn)行鋁液補(bǔ)澆，這樣可保證頂冒口鋁液的溫度最高，從而提高頂冒口的補(bǔ)縮能力。

4 效果驗證

按改進(jìn)后的工藝試制鑄件10件，清理、打磨后，經(jīng)X射線檢測，鑄件內(nèi)部縮松缺陷基本消除，內(nèi)部質(zhì)量符合GB/T 9438—2013《鋁合金鑄件》技術(shù)要求。對鑄件進(jìn)行機(jī)械加工后，鑄件表面密實光亮，沒有明顯的縮松、縮孔缺陷，說明改進(jìn)后的工藝有效。工藝改進(jìn)后筒體鑄件加工后表面狀況如圖6所示。

圖6 工藝改進(jìn)后筒體鑄件加工后表面狀況

5 結(jié)束語

1）通過對此筒體鑄件澆注系統(tǒng)的改進(jìn)可知，鋁合金鑄件采用底注式澆注時，由于澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身的缺陷，可能會造成鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。此時，可通過增加冒口、改變澆注系統(tǒng)形式等方法彌補(bǔ)底注式澆注的不足，目的是盡量降低鑄型鋁液上部和下部的溫差，盡量創(chuàng)造鑄件自上而下的溫度梯度，使鑄件進(jìn)行順序凝固或同時凝固，從而最大限度地消除縮孔、縮松缺陷。

2）本文所敘述的方法只是在我公司現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下采取的方法，也不是最優(yōu)的工藝方案，這種方法帶來的后果是鑄件工藝出品率低、后續(xù)清理打磨的工作量大、成本較高。與專業(yè)的鑄件生產(chǎn)企業(yè)相比，它們有現(xiàn)代化的生產(chǎn)設(shè)備和條件，采用低壓鑄造技術(shù)、運(yùn)用冷鐵等方式，肯定有比此方法更優(yōu)、更經(jīng)濟(jì)的方案。在后續(xù)的生產(chǎn)過程中，我們會不斷優(yōu)化改進(jìn)工藝，提高工藝出品率，降低成本，減少后續(xù)清理工作量，實現(xiàn)鑄件質(zhì)量和成本雙贏。