甩油盤鑄件的研制

摘 要：ZM5鎂合金澆注的甩油盤鑄件按初步設計的方案產生大量疏松缺陷，為解決這一缺陷，對澆注系統進行了改進，并利用Pro-cast軟件對改進后的澆注系統進行澆注、沖型及冷卻過程進行模擬，模擬結果對鑄件缺陷的預防及澆注系統的進一步改進提供了依據。改進后的澆注系統澆注的鑄件合格率達70%。

關鍵詞：澆注系統；疏松；缺陷；數值模擬

ZM5鑄造鎂合金是一種鎂-鋁-鋅系合金，該合金具有良好的流動性、可焊性，熱裂傾向性低，但固-液相線溫度間隔比較大，合金凝固區間寬度很大，趨于糊狀凝固，故補縮能力差，疏松傾向也比較大，因此在鑄造時必須采取相應的措施[1]。某型航空發動機零件甩油盤材料為ZM-5，采用砂型鑄造，輪廓尺寸為200×150×200mm鑄件結構復雜，有尺寸較小的油路孔，直徑最小處為8mm，有厚大法蘭邊，最厚處達15mm，且壁厚相差較大，存在較大熱節，鑄造過程中極易產生疏松缺陷，導致鑄件報廢，所以如何解決疏松缺陷已成為鑄件研制的關鍵。

1 澆注系統及參數的設計

1.1 鑄造材料

鑄件材料選用ZM5，其化學成分見表1。

1.2 澆注系統設計

澆注系統設計得正確與否對鑄件品質影響很大，鑄件廢品中約有30%是因澆注系統不當引起的[2]。對于輕合金，尤其是鎂合金，化學性質極為活潑，極易與空氣中的氧氣、水分及氮氣發生反應甚至燃燒。所以在澆注過程中應盡量平穩，減少飛濺，一般選擇開放式澆注系統，主要優點是：進入型腔時金屬液流速度小，充型平穩，沖刷力小，金屬氧化輕。甩油盤的澆注系統如圖1所示。

2 結果與改進

2.1 澆注試驗及結果

按澆注溫度（700～720）℃，澆注速度（5～8）s，共澆注了一批10件鑄件，當進行到熒光工序時，發現其中7件鑄件因存在多處疏松而報廢。疏松位置位于圓筒上部、圓筒與油路孔的過渡處及法蘭盤底部位置。

2.2 缺陷原因分析及對策

鎂合金鑄件產生疏松和縮孔的原因有以下幾點：

（1）凝固過程中補縮不良；（2）澆注系統和冒口設置不當；（3）冷鐵位置和厚度不當；（4）鑄件形成毛刺、飛邊等；（5）引入合金液的位置不當；（6）鑄件局部過熱和金屬型溫度過高；（7）澆注的溫度過高，鑄件的局部過熱或溫度不均勻等。

根據以上幾點，經分析可得出該鑄件產生疏松的原因：

（1）圓筒上部出現疏松，可能原因是冒口過小，補縮不良所致；圓筒內壁雖然沿圓筒軸向有冷鐵，但由于該處補縮來源不足，也產生了疏松缺陷；（2）圓筒與油路孔過渡處的疏松產生的可能原因是該處存在熱節、補縮不良所致；（3）法蘭底部的疏松產生原因可能是內澆口過熱所致，頂部冒口對其難于補縮，另外法蘭邊厚度較厚，而集渣包相對較小，對其補縮效果不佳所致。

根據以上分析，制定了如下的改進措施：

（1）針對圓筒頂部的疏松，將頂部冒口的尺寸增大拔模斜度不變，增加補縮效果；（2）針對圓筒與油路孔過渡處的疏松，將圓筒內部將原來的冷鐵去掉，在原來冷鐵位置沿圓筒整個深度方向增設暗冒口，拔模斜度5°，并在澆注時在冒口的周圍加保溫氈，此外在油路端面增加冷鐵，與圓筒下端面的冷鐵相接；（3）針對法蘭底部處的疏松，在下砂箱砂胎的相應位置增加5塊冷鐵，增加集渣包的補縮效果。

改進后的澆注系統如圖2所示。

2.3 數值模擬

用數值模擬軟件Pro-cast對修改后的澆注過程的流場、溫度場和應力場進行仿真分析，預測鑄件的質量、優化澆注系統。

結果如圖3所示，從（a）、（b）可以看出，因頂部的冒口增大、補縮作用增強，圓筒頂部的疏松已明顯得到改善，然而圓筒與油路過渡處的疏松缺陷改善不明顯，另外從（c）可以看出與內澆口相接的法蘭邊位置溫度還是高于其它位置，說明該位置冷卻較慢，冷鐵的激冷能力不強，因此還需對澆注系統進行完善。

根據以上模擬結果，又對鑄件的澆注系統進行了進一步完善：

（1）為解決（a）圖中熱節部位的疏松，在圓筒內部對應部位沿圓筒軸向方向增加了一處冷鐵；（2）為解決（b）圖中沿油路的疏松，在該位置沿整個油路放置冷鐵，與暗冒口配合使用，加強鑄件的順序凝固，增大暗冒口的補縮距離和范圍；（3）為進一步加大集渣包的補縮效果，進一步改善內澆口過熱問題，把法蘭邊內側的冷鐵厚度增加，并增大集渣包的尺寸，增強集渣包的補縮效果。

4 改進效果

采取上述改進措施后，又按原來的鑄造參數澆注4批共40件鑄件，鑄件的具體缺陷情況見表2。可見疏松和縮孔缺陷已經基本克服，說明改進后的澆注系統可完全滿足要求。

5 結束語

（1）設計鑄造工藝方案時，應充分考慮鑄件的結構是否存在熱節以及無法實現順序凝固的部位，并提前制定相應的解決預案，對提高研制鑄件的質量和縮短研制周期有至關重要的作用。

（2）Pro-cast鑄造模擬軟件的應用能夠提前預測鑄件在澆注過程中產生的缺陷種類及部位，對于改進鑄件質量、縮短生產周期有較大幫助。

（3）鑄件的疏松易產生在內澆道附近、冒口根部、壁厚部位及厚薄接轉處，因此應將冷鐵與冒口配合使用，對解決鑄件的疏松與縮孔缺陷有著良好的效果。

參考文獻

[1]陳國楨，肖柯則，姜不居.鑄件缺陷和對策[M].北京：機械工業出版社，1996.

[2]李魁盛.鑄造工藝設計[M].北京：機械工業出版社，2001.

作者簡介：孟凡奇（1983-），本科學歷，研究方向：鑄造專業。