原標(biāo)題：ZL205A鋁合金基座低壓鑄造工藝改進(jìn)

摘要：針對ZL205A鋁合金基座鑄件出現(xiàn)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(zhì)與力學(xué)性能，分析了缺陷產(chǎn)生原因，通過開設(shè)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(jìn)行整體激冷等工藝措施，解決了基座鑄件內(nèi)部的諸多缺陷，生產(chǎn)出了合格的ZL205A中大型基座鑄件。

ZL205A鋁合金經(jīng)T5熱處理后，具有較好的綜合力學(xué)性能和切削加工性能，常應(yīng)用于航空、航天和兵器等行業(yè)中承受大的動、靜載荷的結(jié)構(gòu)件,得到廣泛應(yīng)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(jié)晶溫度間隔較寬，達(dá)到近90℃，傾向于糊狀凝固，有嚴(yán)重的產(chǎn)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(zhì)量大，鑄件熱節(jié)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(gè)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(xiàn)成分偏析，同時(shí)在鑄造過程中也容易產(chǎn)生縮孔、疏松、熱裂紋及氣孔等質(zhì)量問題。設(shè)計(jì)工藝時(shí)須對鑄件進(jìn)行激冷和補(bǔ)縮，形成順序凝固，以保證獲得組織致密的優(yōu)質(zhì)鑄件，充分發(fā)揮ZL205A率合金的高強(qiáng)度特性。

1、鑄件工藝設(shè)計(jì)

1.1 基座鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(qiáng)度≥440 MPa、伸長率≥7%；要求鑄件整體進(jìn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜且鑄件多個(gè)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(dá)到了42 mm，鑄件熱節(jié)分散且相互干涉，因此難以實(shí)現(xiàn)順序凝固，給鑄造工藝設(shè)計(jì)帶來很大的困難。

1.2 基座鑄造工藝方案設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇

基座鑄件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，鑄件熱節(jié)多且分散，采用重力澆注很難保證鑄件熱節(jié)處不產(chǎn)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(jìn)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(shè)8道縫隙澆口，鑄件外側(cè)的4道澆口正對鑄件兩側(cè)側(cè)壁，中部4道澆口正對鑄件內(nèi)腔的加強(qiáng)筋板，在鑄件頂部相鄰兩道縫隙圓棒之間安放3個(gè)冒口，在熱節(jié)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(nèi)澆道截面積計(jì)算見下式：

式中，Ag為內(nèi)澆道截面積，cm2；W為鑄件質(zhì)量，g；ρ為合金密度，g/cm2；υ是內(nèi)澆道出口線速度，cm/s；保證金屬液平穩(wěn)充型，υ值應(yīng)不大于15 cm/s；t是充型時(shí)間，s，按合金在型內(nèi)上升速度計(jì)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(zhì)量約為490 kg，采用縫隙式澆道進(jìn)行補(bǔ)縮，見圖4?？p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?？p隙式內(nèi)澆道數(shù)量為8根，間距取為200~220 mm。

圖4:縫隙式內(nèi)澆道結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 合金熔煉

ZL205A鋁合金熔煉時(shí)，使用旋轉(zhuǎn)噴吹精煉機(jī)對鋁液進(jìn)行連續(xù)攪拌15 min。表1為合金的實(shí)際化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分?？梢钥闯觯辖鸬幕瘜W(xué)成分滿足GB/T 1173-1995標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1:實(shí)測化學(xué)成分與GB/T 1173-1995標(biāo)準(zhǔn)對比

1.4 澆注

根據(jù)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(shí)間為65~75 s之間。在確定好澆注參數(shù)后，將澆注參數(shù)錄入型號為LPC-DV08-NH的低壓鑄造液面加壓控制系統(tǒng)中。

2、內(nèi)部品質(zhì)檢測與性能測試

2.1 X射線探傷檢測及表面質(zhì)量檢查

采用XXQ-2005型攜帶式工藝X射線探傷機(jī)對鑄件進(jìn)行檢測，檢測結(jié)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(xué)性能測試

ZL205A基座鑄件單鑄試樣與鑄件本體切取試樣力學(xué)性能測試在WE-100型數(shù)顯液壓萬能試壓機(jī)上完成，每個(gè)部位取3個(gè)試樣進(jìn)行測試并取其平均值，結(jié)果見表3。

表3:鑄件力學(xué)性能檢測結(jié)果

3、基座缺陷原因分析

金屬液進(jìn)入型腔,空氣被加熱，出現(xiàn)向上排出鑄型的現(xiàn)象，很小的一部分空氣進(jìn)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(dá)到了1400 mm以上，鑄件型腔復(fù)雜、轉(zhuǎn)角較多，升液速度設(shè)置過快，合金熔液在型腔內(nèi)產(chǎn)生紊流卷氣；合金熔液流動距離遠(yuǎn)，到達(dá)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(chǎn)生夾渣及氣孔等缺陷。

基座鑄件頂部左右兩側(cè)的縫隙澆道間距很近，澆注時(shí)鑄件頂部縫隙澆道周圍過熱而導(dǎo)致鑄件頂面處安裝邊產(chǎn)生疏松、縮孔缺陷；同時(shí)鑄件頂部是型腔中渣、氣聚集區(qū)，氣和渣阻礙縫隙澆道對鑄件的補(bǔ)縮，加重了鑄件產(chǎn)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(chǎn)生氣孔的原因，從鑄造工藝上優(yōu)化鑄件局部結(jié)構(gòu)，讓渣、氣有時(shí)間、條件沿著開設(shè)的工藝通道排出型腔或進(jìn)入鑄件加工余量范圍內(nèi)，有利于減輕鑄件產(chǎn)生渣氣孔缺陷的概率（見圖8）。

圖8:鑄件結(jié)構(gòu)局部優(yōu)化

針對鑄件頂部產(chǎn)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(nèi)紊流卷氣；提高澆注溫度,將澆注溫度范圍設(shè)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(jìn)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(jié)論

ZL205A鋁合金基座生產(chǎn)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(jìn)行整體激冷，成功鑄出了符合技術(shù)要求的ZL205A基座鑄件。ZL205A基座鑄件經(jīng)X射線探傷檢測，表面著色檢測未發(fā)現(xiàn)明顯組織缺陷，力學(xué)性能檢測均滿足技術(shù)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