原標題：ZL205A鋁合金基座低壓鑄造工藝改進

摘要：針對ZL205A鋁合金基座鑄件出現的縮松、縮孔及氣孔缺陷，分析了原低壓鑄造工藝，檢測了壓鑄件品質與力學性能，分析了缺陷產生原因，通過開設排氣渣通道、提高澆注溫度、降低澆注速度、增加頂部安裝邊、使用冷鐵和石墨及鉻鐵礦砂對鑄件進行整體激冷等工藝措施，解決了基座鑄件內部的諸多缺陷，生產出了合格的ZL205A中大型基座鑄件。

ZL205A鋁合金經T5熱處理后，具有較好的綜合力學性能和切削加工性能，常應用于航空、航天和兵器等行業中承受大的動、靜載荷的結構件,得到廣泛應用。由于添加Cu、Mn、Ti、Zr、Cd等元素，其鑄造性能較差，其流動性僅是ZL104合金的68%,其結晶溫度間隔較寬，達到近90℃，傾向于糊狀凝固，有嚴重的產生縮孔、疏松缺陷傾向；體收縮比Al-Si系合金大，線收縮是ZL104合金的1.2倍以上；ZL205A鋁合金大型基座，其外形尺寸大、澆注質量大，鑄件熱節多且分散，鑄件局部溫差較大，縮孔、偏析、疏松問題很突出。由于含有Cu、Mn、Ti、Zr、Cd等多個組元，各組元之間特性差異較大，在合金熔煉、鑄件凝固過程中容易出現成分偏析，同時在鑄造過程中也容易產生縮孔、疏松、熱裂紋及氣孔等質量問題。設計工藝時須對鑄件進行激冷和補縮，形成順序凝固，以保證獲得組織致密的優質鑄件，充分發揮ZL205A率合金的高強度特性。

1、鑄件工藝設計

1.1 基座鑄件結構特點及要求

圖1為ZL205A鋁合金基座鑄件示意圖，需滿足GB/T 1173-1995Ⅱ類鑄件要求；抗拉強度≥440 MPa、伸長率≥7%；要求鑄件整體進行X射線探傷檢測，在0.04 MPa氣壓下，保壓30 min不泄漏。

圖1:基座鑄件示意圖

鑄件輪廓尺寸為918 mm×750 mm×305.6 mm，結構復雜且鑄件多個形狀只能通過下芯鑄出；壁厚差異較大，最薄壁厚為16 mm、最厚壁厚達到了42 mm，鑄件熱節分散且相互干涉，因此難以實現順序凝固，給鑄造工藝設計帶來很大的困難。

1.2 基座鑄造工藝方案設計及參數選擇

基座鑄件結構較復雜，鑄件熱節多且分散，采用重力澆注很難保證鑄件熱節處不產生縮孔或疏松。采用低壓鑄造澆注ZL205A合金基座，其基本原理見圖2。其原理是在裝有金屬液的坩堝中，通入干燥的惰性氣體，使金屬液沿著升液管自下而上通過澆道進入型腔，待金屬液充滿型后，增大氣壓，使液面上的氣體壓力保持至鑄件完全凝固，然后解除壓力，開型后獲得所需的鑄件。

圖2:低壓鑄造基本原理圖

基座鑄造工藝方案見圖3。安裝大面垂直放置，在鑄件安裝大面和9處法蘭盤部位共開設8道縫隙澆口，鑄件外側的4道澆口正對鑄件兩側側壁，中部4道澆口正對鑄件內腔的加強筋板，在鑄件頂部相鄰兩道縫隙圓棒之間安放3個冒口，在熱節部位安放鋼冷鐵和石墨激冷，形成有利于順序凝固的條件。

圖3:基座低壓鑄造工藝方案

內澆道截面積計算見下式：

式中，Ag為內澆道截面積，cm2；W為鑄件質量，g；ρ為合金密度，g/cm2；υ是內澆道出口線速度，cm/s；保證金屬液平穩充型，υ值應不大于15 cm/s；t是充型時間，s，按合金在型內上升速度計算，t＝h/υ升（h為型腔高度，cm），υ升＝1~6 cm/s。t

用UG三維模型估算鑄件澆注質量約為490 kg，采用縫隙式澆道進行補縮，見圖4。縫隙澆口最小厚度b選擇取1.15δ，縫隙圓棒采用上小下大形式，小端直徑D取值為2.5b，斜度為1.5°，縫隙圓棒中心線至鑄件外壁距離a取60 mm。在相鄰兩道縫隙澆道之間安放專用鋼冷鐵，冷鐵兩端倒角斜角，冷鐵厚度為1.3δ。縫隙式內澆道數量為8根，間距取為200~220 mm。

圖4:縫隙式內澆道結構示意圖

1.3 合金熔煉

ZL205A鋁合金熔煉時，使用旋轉噴吹精煉機對鋁液進行連續攪拌15 min。表1為合金的實際化學成分與標準化學成分。可以看出，合金的化學成分滿足GB/T 1173-1995標準要求。

表1:實測化學成分與GB/T 1173-1995標準對比

1.4 澆注

根據ZL205A基座鑄件鑄件澆注溫度選取范圍為675~680 ℃、充型速度υ升取2 cm/s、充型時間為65~75 s之間。在確定好澆注參數后，將澆注參數錄入型號為LPC-DV08-NH的低壓鑄造液面加壓控制系統中。

2、內部品質檢測與性能測試

2.1 X射線探傷檢測及表面質量檢查

采用XXQ-2005型攜帶式工藝X射線探傷機對鑄件進行檢測，檢測結果分別見表2與圖5與圖6。

表2:X射線檢測（表面檢測）

圖5:鑄件澆注位置頂部安裝邊縮孔、密集性氣孔

圖6:鑄件方盤上部氣孔

2.2 力學性能測試

ZL205A基座鑄件單鑄試樣與鑄件本體切取試樣力學性能測試在WE-100型數顯液壓萬能試壓機上完成，每個部位取3個試樣進行測試并取其平均值，結果見表3。

表3:鑄件力學性能檢測結果

3、基座缺陷原因分析

金屬液進入型腔,空氣被加熱，出現向上排出鑄型的現象，很小的一部分空氣進入了型腔的死角，在金屬熔液熱力作用下膨脹長大，形成危害性較大的氣孔缺陷，見圖7。

圖7:氣孔缺陷形成過程

基座鑄件的樹脂砂鑄型整體高度達到了1400 mm以上，鑄件型腔復雜、轉角較多，升液速度設置過快，合金熔液在型腔內產生紊流卷氣；合金熔液流動距離遠，到達鑄型頂部的熔液溫度很低，不利于氣、渣排出鑄件型腔，易于在鑄件中上部產生夾渣及氣孔等缺陷。

基座鑄件頂部左右兩側的縫隙澆道間距很近，澆注時鑄件頂部縫隙澆道周圍過熱而導致鑄件頂面處安裝邊產生疏松、縮孔缺陷；同時鑄件頂部是型腔中渣、氣聚集區，氣和渣阻礙縫隙澆道對鑄件的補縮，加重了鑄件產生疏松、縮孔缺陷的情況。

4、解決措施

針對基座鑄件方盤上部產生氣孔的原因，從鑄造工藝上優化鑄件局部結構，讓渣、氣有時間、條件沿著開設的工藝通道排出型腔或進入鑄件加工余量范圍內，有利于減輕鑄件產生渣氣孔缺陷的概率（見圖8）。

圖8:鑄件結構局部優化

針對鑄件頂部產生密集性氣孔、疏松和縮孔缺陷的原因，采取了降低充型速度,將充型速度降為1.5cm/s防止金屬熔液在型腔內紊流卷氣；提高澆注溫度,將澆注溫度范圍設為682~687 ℃，增加合金液的流動性，利于氣和渣上浮；并將頂面安裝邊加高50 mm增加氣和渣的存儲空間；采用鋼冷鐵與鉻鐵礦砂包裹對鑄件頂部進行整體激冷，防止鑄件頂部過熱，形成良好的順序凝固條件。

5、結論

ZL205A鋁合金基座生產試制，通過提高澆注溫度、降低澆注速度、增加頂部安裝邊，使用冷鐵和石墨及鉻鐵礦砂對鑄件進行整體激冷，成功鑄出了符合技術要求的ZL205A基座鑄件。ZL205A基座鑄件經X射線探傷檢測，表面著色檢測未發現明顯組織缺陷，力學性能檢測均滿足技術要求。

作者：張春成
海裝西安局

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第02期