低壓鑄造ZL201A鑄件缺陷分析及工藝優化

■ 張西生，古良，張銳

ZL201A合金是一種傳統的高強韌鑄造鋁合金，具有非常好的強度、塑性、韌性，因此在航空航天領域應用廣泛。但由于該合金為Al-Cu-Mn系合金，結晶溫度范圍寬，以粥狀方式凝固，鑄造性能差，流動性不好，收縮大，在結晶時易產生縮松、裂紋和偏析等鑄造缺陷，其中裂紋、縮松是Zl201A合金鑄件最常見的缺陷。其化學成分見表1。

1. 鑄件結構及鑄件缺陷

該鑄件為某產品出彈圓盤體，鑄件材料為ZL201A，最大輪廓尺寸為f912mm×90mm，結構如圖1所示。鑄件最大壁厚為46mm，最小壁厚為13mm，鑄件重量為96kg。由于鑄件尺寸較大，且壁厚不均勻，考慮到鑄件使用要求較高，要求整體X射線無損檢測后無裂紋、縮松等鑄造缺陷，生產中采用低壓鑄造，以此減少鑄件凝固時產生的熱裂傾向，提高鑄件內部質量。

該鑄件實際生產中，經X射線檢測發現，鑄件的縮松和裂紋常出現在鑄件的受力拉筋上（見圖2、圖3），而且多出現在鑄件薄厚壁過渡區域。

缺陷的主要特征如下：

（1）缺陷區域宏觀組織形貌為線狀縮松和裂紋摻雜在一起，斷口有氧化現象。

（2）缺陷位置主要位于鑄件里面與平面交界的根部應力集中部位，且接近厚薄變化部位。

（3）裂紋組織形貌為魚骨狀，且主要分布在晶界上。

2. 鑄件原工藝設計及改進

圖1 鑄件實物

圖3 鑄件裂紋X射線檢測

圖2 鑄件縮松X射線檢測

表1 ZL201A化學成分（質量分數） （%）

通過對該鑄件缺陷的出現位置和斷口形貌分析，出現上述缺陷的原因主要是合金補縮不到位，造成鑄件凝固時沒有足夠的鋁液補充，從而使鑄件壁厚較大的熱節部位比內澆口后凝固，從而造成鑄件該部位縮松、裂紋，進而導致鑄件上出現穿透性裂紋，嚴重影響了鑄件質量。

鑄件原澆注參數及澆注系統設計：該鑄件采用樹脂砂低壓鑄造方式澆注來保證鑄件質量，鑄件在壓力下充型及凝固，使鑄件的致密性得到提高，減少鑄件內部缺陷。澆注過程分為升液→充型→增壓Ⅰ→結殼→增壓Ⅱ→保壓，具體參數見表2。

澆注系統采用底注充型，澆注系統主要結構為直澆道、橫澆道、內澆道。澆注系統內澆道分布如圖4所示。

內澆道數量為20個，大端截面尺寸為50mm×20mm，小端截面尺寸為50mm×12mm，高為40mm；對于熱節較大的鑄件上部，采用鋁冷鐵激冷，使鑄件形成從上到下的順序凝固，最后凝固的為熱節最大的橫澆道。

3. 鑄造工藝方案的優化

根據上述缺陷分析，造成鑄件縮松和裂紋的主要原因：①鑄件凝固過程中增壓壓力不足。②鑄件澆注系統中內澆道較少，且分布不合理。③熱節較大部位冷鐵激冷效果不好。

針對上述原因分析，主要采取以下措施來改善鑄造質量。

（1）提高結殼速率，減少結殼時間，加大增壓Ⅱ過程增壓速率，使鑄件得到充分補縮，防止鑄件在凝固時因補縮不足引起的縮松、裂紋等缺陷。優化參數見表3。

（2）改變鑄件澆注系統內澆道分布，讓內澆道位置處于鑄件的熱節部位和壁厚突變部位，同時增加內澆道數量和尺寸，使單位時間內鑄件的進鋁量增加，以起到更好的補縮作用。將內澆道數量增加為45個，其中內澆口A為37個，大端截面尺寸為60mm×20mm，小端截面尺寸為60mm×12mm。內澆道B為8個，大端截面尺寸為120mm×20mm，小端截面尺寸為120mm×12mm，高度均為40mm。如圖5所示。

（3）原鑄件熱節較大部位和壁厚較厚部位的冷鐵為厚度15mm的鋁合金冷鐵，換成厚度為15mm的鋼質冷鐵，激冷效果更好，使鑄件遠離澆口和不容易補縮的部位先凝固，從而使鑄件整體的凝固符合順序凝固原則。

4. 生產驗證

圖4 澆注系統內澆道示意

圖5 改進后澆注系統內澆道示意

圖6 工藝改進后鑄件X射線檢測

表2 低壓鑄造澆注工藝參數

表3 低壓鑄造澆注優化工藝參數

按照優化改進后的工藝方案生產出的鑄件如圖6所示，外觀質量良好。經X射線檢測，鑄件本體未見縮松、裂紋等缺陷，鑄件尺寸及內部質量要求均滿足設計要求。

5. 結語

通過對該鑄件產生縮松、裂紋等缺陷進行分析，在原工藝的基礎上加大了鑄件凝固時鑄件型腔的壓力，增加了單位時間內的鋁液進入量，使鑄件凝固時得到充分補縮，對鑄件不易補縮部位采取更好的激冷措施，能夠有效地解決鑄件厚大部位和壁厚突變等區域縮松、裂紋等缺陷，從而可大幅提高鑄件的產品質量。

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