大型油底殼半金屬型鑄造工藝

■ 陳家木，夏貴光，劉海軍，樊小敏

我公司為某合資發(fā)動機企業(yè)開發(fā)的一種大型油底殼，外形尺寸1000mm×340mm×300mm，材質(zhì)為AC2B，產(chǎn)品壁厚要求4～5mm，總重量約14kg，屬于典型的大平面結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品不允許存在縮孔、縮松、裂紋等缺陷，要求承受0.15MPa水壓試驗不得滲漏。

1. 鑄件工藝分析

該油底殼鑄件為大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。鑄件外形結(jié)構(gòu)為階梯狀敞口結(jié)構(gòu)，第一階梯高度110mm，第二階梯高度300mm，長度1000mm，寬度340mm。熱節(jié)大小為φ 25～φ30mm，主要分布在安裝法蘭面兩側(cè)油標孔位置。綜合訂單數(shù)量及產(chǎn)品對外觀及部分尺寸要求精度較高，只有采用金屬型才能滿足產(chǎn)品精度，同時可進行批量生產(chǎn)。

2. 工藝方案確定

為確保生產(chǎn)出合格鑄件，在材質(zhì)選取及工藝設(shè)計時進行了以下多方面考慮。

（1）原有產(chǎn)品材質(zhì)要求為AC2 B，主要化學成分：wSi＝5.0%～7.0% ，wCu＝2.0%～4.0% ，其余為A l。抗拉強度σb≥15 0MPa，伸長率≥1%，硬度≥70HBW。該合金屬于亞共晶Al-Si-Cu系合金，屬于寬結(jié)晶范圍合金，傾向于體積凝固。其液態(tài)金屬過冷度小，容易形成分散性的縮孔及熱裂缺陷，不適于金屬型重力鑄造深型腔薄壁鑄件。通過與客戶溝通，最終選定材質(zhì)Al Si10Mg，該材質(zhì)主要化學成分：wSi＝9.0%～10.5% ，wMg＝0.15%～0.4%，其余為Al。抗拉強度σb≥170MPa，伸長率≥4%，硬度≥62HBW，在滿足原有材料力學性能情況下，材質(zhì)接近共晶成分，結(jié)晶溫度范圍較窄，不含Cu，傾向于順序凝固，液態(tài)凝固中體積收縮時，可以不斷得到液體的補充，產(chǎn)生分散性縮松的傾向小，產(chǎn)生熱裂傾向也小，更適宜薄壁零件生產(chǎn)。

（2）大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件使用金屬型生產(chǎn)時極易產(chǎn)生縮裂、澆不足、氣嗆等缺陷。究其原因主要是因為：鋁合金受阻收縮率達到0.8%～1.0%，長度方向尺寸變化大，而金屬型在鑄造時，由于鑄型或型芯材料沒有退讓性，如果鑄件凝固基本完成，此時應力大于合金抗拉強度而產(chǎn)生裂紋。由于金屬型不像砂芯那樣透氣，在鑄型形成氣阻，使合金液體不能充滿而造成澆不足或氣嗆。為解決此類問題，我們開創(chuàng)性地采用半金屬型鑄造，即外型采用金屬型鑄造，保證鑄件精度及生產(chǎn)效率，內(nèi)腔采用覆膜砂砂芯取代上模，利用砂芯的退讓性和透氣性解決大型薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件在金屬型鑄造中易出現(xiàn)的問題。

圖1 油底殼鑄件結(jié)構(gòu)

（3）為簡化金屬型并實現(xiàn)順序凝固的目的，采用頂注式澆注系統(tǒng)，考慮到鋁液充型順暢和鑄件結(jié)構(gòu)，決定從安裝法蘭面兩短邊引入澆道，安裝面周邊熱節(jié)設(shè)置冒口。兩游標孔通過設(shè)置帶有補縮通道的小砂芯實現(xiàn)補縮。

最終確定的工藝方案如圖2所示。

3. 工藝改進措施

按圖2的方案進行小批量生產(chǎn)后，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)鑄件尺寸均符合精度要求且穩(wěn)定，鑄件無縮裂、澆不足等缺陷。但是在B面易出現(xiàn)鋁液氧化夾渣，試壓滲漏率高達70%以上。鑄件內(nèi)腔易出現(xiàn)氣嗆凹陷缺陷，影響產(chǎn)品外觀。

通過分析認為，頂注式澆注系統(tǒng)充型不平穩(wěn)，易引起沖擊和飛濺，使鑄件產(chǎn)生氣孔和氧化夾渣等缺陷，不宜生產(chǎn)高度在200mm以上的鑄件。同時由于覆膜砂透氣性不足，不能及時逸出型腔內(nèi)氣體和覆膜砂砂芯受熱時產(chǎn)生的氣體，導致內(nèi)腔表面出現(xiàn)氣嗆缺陷。為此采取以下針對性措施。

（1) 由于半金屬型鑄造和頂注式澆注方式為最佳工藝方式，只有從澆注工藝上考慮改善氧化夾渣缺陷。通過分析鑄件結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，A面澆注系統(tǒng)落差有110mm，B面澆注系統(tǒng)鋁液落差有3 0 0m m，為此制訂差步澆注法工藝即：先從A面內(nèi)澆道澆注10～15s，使B面深腔鋁液上升到120～150mm，再從B面和A面同時進行澆注，如此可以將B面澆注系統(tǒng)鋁液落差降低到200mm以下，從而減少氧化夾渣傾向。

（2) 更改砂芯結(jié)構(gòu)，在覆膜砂芯盒上密集均勻地設(shè)置排氣針，使得覆膜砂上均勻分布排氣針孔，澆注時型腔氣體和覆膜砂受熱產(chǎn)生的氣體一是通過排氣針孔可以快速逸出，二是來不及逸出的氣體也可以通過排氣針孔聚集，解決了鑄件內(nèi)表面氣嗆問題。該措施如圖3 所示。

實施后，鑄件氧化夾渣現(xiàn)象得以消除，內(nèi)腔氣嗆現(xiàn)象得到解決，鑄件滲漏率降低到10%以下。但是由于排氣針孔存在，內(nèi)腔出現(xiàn)很多突起，需要人工打磨后經(jīng)噴丸等表面處理予以消除。處理后鑄件如圖4所示，達到了產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖2 油底殼工藝方案

圖3 覆膜砂砂芯改進后示意

圖4 處理后鑄件

4. 結(jié)語

（1）對于大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件，采用金屬型工藝生產(chǎn)時，應充分認識到由于鋁合金凝固收縮時產(chǎn)生的熱裂傾向并制訂有效措施避免熱裂現(xiàn)象發(fā)生，利用覆膜砂的退讓性代替部分金屬型型芯，可以有效解決此類問題。

（2）大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件在材質(zhì)選擇上，應盡量選擇接近共晶成分、結(jié)晶溫度范圍窄、傾向于順序凝固以及熱裂傾向小的材質(zhì)，通過控制溫度梯度，使鑄件在凝固過程中能持續(xù)得到補縮。

（3）大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件如果充型距離較長，采用雙澆口或者多澆口是一種有效的防止冷隔的工藝方法。

（4）大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件，凝固過程中易產(chǎn)生氣嗆缺陷，因此需要在模具設(shè)計時充分考慮型腔排氣。

[1]王文清，李魁盛.鑄造工藝學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：242-243.

[2]田榮璋.鑄造鋁合金[M].長沙： 中南大學出版社，2006：344-347.

[3]于順陽.現(xiàn)代鑄造設(shè)計與生產(chǎn)實用新工藝、新技術(shù)、新標準[M].北京：2013，當代中國出版社，742-743.