鋁合金復雜薄壁件鑄造工藝研究

董方濤 王宏偉 王中華 王 鵬 校武武 楊 康

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鋁合金復雜薄壁件鑄造工藝研究

董方濤 王宏偉 王中華 王 鵬 校武武 楊 康

（西安航天精密機電研究所，西安 710100）

采用低壓砂型鑄造工藝制備了鋁合金復雜薄壁鑄件。根據零件整體壁厚薄、壁厚一致性相差懸殊的特點，設計了3種澆注系統：十字型底注式澆注系統、工字型中注結合冷鐵補縮厚大部位形式澆注系統、工字型中注結合內澆口補縮厚大部位形式澆注系統。結果表明，工字型中注結合內澆口補縮厚大部位形式澆注系統，可獲得零缺陷鑄件。

澆注系統；低壓鑄造；鋁合金

1 引言

隨著航空航天輕量化、高精度的發展趨勢，結構件的復雜程度、質量要求越來越高。鋁合金具有密度低、價格低、環境適用性強等優勢，航空航天應用比重一直較高。鋁合金鑄件的結構設計也朝著整體化、薄壁化、復雜化的方向發展。與傳統重力鑄造相比，大型、復雜鋁合金鑄件多采用低壓鑄造方式生產[1]。低壓鑄造采用自下而上的反重力澆注模式，具有充型平穩、速率可控、壓力可控等優勢，鑄件內部質量穩定性明顯優于其它鑄造方式。

本文選取壁厚一致性懸殊、結構復雜度高的慣導基座為研究對象，制定了3種澆注系統：1種十字型底注式澆注系統；2種工字型中注式澆注系統。通過理論分析及實驗驗證，中注結合冒口補縮方式澆注系統效果最佳。

2 基座結構特點

圖1 基座鑄件的三維模型

基座鑄件如圖1所示，高度為260mm，長寬方向為330mm×330mm，厚度為3～35mm，基座整體壁厚為3mm，法蘭部位為9mm，安裝臺厚度為12mm，局部承力部位厚為35mm。鑄件外形四處安裝凸臺及軸端承力部位要求100%透視，由于鑄件有密封要求，工藝對部分薄弱點增加透視要求。該基座的主要難點包括：a.壁厚差異懸殊導致應力集中，容易產生裂紋；b.壁厚差異懸殊，鑄件凝固時不同部位凝固時間差異大，補縮通道易堵塞，產生縮松缺陷；c.整體壁厚薄，為得到充型完整的鑄件，充型速率相對較高，造成鋁液充型過程為紊流狀態，容易形成氣孔缺陷。

3 澆注參數設置及方案

基座鑄件采用砂型低壓鑄造方式生產。砂型鑄型透氣性好，潰散性好，不受鑄件結構限制，對內部質量要求高，結構復雜的鑄件具有明顯優勢。

3.1 澆注參數設置

基座生產采用原材料為ZL107鑄造鋁合金，生產過程中按比例將成品鋁錠、一級、二級回爐料全部一次加入電阻坩堝，隨爐預熱。合金融化后采用旋轉噴吹將高純氬氣通入熔融鋁液進行精煉處理，根據ZL107凝固區間、合金特點，精煉溫度為(700±10)℃，精煉時間為(40±5)min，精煉后對鋁液進行靜置除渣處理[2]。根據鑄件結構特點，低壓澆注參數如表1所示。

表1 基座澆注參數

3.2 澆注系統設計

基座結構復雜，壁厚一致性差異懸殊，厚大部位處于鑄件整體中間或內部；ZL107鑄造鋁合金屬于鋁硅系合金，合金流動性好，凝固區間相對較窄，鑄造性能良好[1，3，4]。基于基座結構特點、砂型低壓鑄造特點、ZL107合金特點，ZL107鋁合金基座鑄件可按照順序凝固方式設計澆注系統，制定3種澆注方案。

方案1：低壓澆注為自下而上的反重力方式，溫度場分布、補縮順序、排氣方式均是自下而上[5]。理論上，底注式澆注系統具有澆注平穩、排氣暢通、鑄件凝固時完全滿足順序凝固等優點。底注式方案采用十字橫澆道加分布式內澆道方式，厚大局部采用鋁質冷鐵激冷。澆注方式如圖2所示。

圖2 澆注方案1示意圖

方案2：增設冷鐵對鑄件厚大部位的激冷和間接補縮作用有限，受鑄件結構限制，厚大部位可能難以通過鑄件本身的順序凝固獲得良好補縮。中注式澆注系統采用工字型橫澆道，以鑄件局部厚大部位為內澆道，通過壓力傳遞進行局部補縮，厚大部位的補縮效果一定程度上得到提升。澆注系統設置如圖3所示。

圖3 澆注方案2示意圖

方案3：冷鐵、內澆口均可延長補縮距離，有效延長距離均有限。低壓澆注時，澆注系統凝固之前一直在壓力作用下，澆注系統對鑄件的補縮效果最佳。采用中注式澆注系統，在厚大部位均開設內澆口，理論上，厚大部位均能得到有效補縮。澆注系統設置如圖4所示。

圖4 澆注方案3示意圖

4 試驗結果及分析

4.1 試驗結果

按照3種澆注方案澆注。結果表明，采用方案1澆注，鑄件厚大部位縮松嚴重（見圖5），拐角部位產生裂紋缺陷；采用方案2澆注，局部厚大部位補縮不足，容易產生輕微縮松；采用方案3澆注，可得到零內部缺陷的基座鑄件。

圖5 方案1縮松部位切片圖

4.2 結果分析

方案1采取自下而上的澆注方式，對厚大部位采用鋁制冷鐵補縮，基座鑄件壁厚3mm處為內澆道口，將薄壁部分和厚大部分均按照無限大平板對待，厚大部位壁厚35mm，薄壁部分3mm，厚薄部位鑄件模數為17.5倍關系，鋁合金的蓄熱系數為23500J/m2℃S，干砂型的蓄熱系數為1100J/m2℃S，二者蓄熱系數為21倍關系。將外部導熱條件視為恒定，理論上，鋁液在進入液相線之前，按照方案1澆注，鑄件溫度場為下高上低的理想分布方式，可得到補縮良好的鑄件。試驗結果顯示，厚大部位出現縮松缺陷，縮松產生是由于鋁液在冷卻過程中，薄壁部分提前進入固液兩相區，隨著薄壁部分固相比例增加，鋁液流動通道被封閉，厚大部位凝固過程中無法得鋁液補充，形成縮松[6]。方案1澆注后內澆口附近直角部位出現裂紋，一方面直角部位為結構件應力集中點，一方面順序凝固過程成中，溫度差異越大，熱應力越大，3mm壁厚拐角部位處于半凝固狀態時，抗拉強度低于溫度差異在該部位產生的熱應力，形成不規則的熱裂紋。

方案2將內澆道設置于厚大部位，采用內澆道直接對厚大熱節補縮，對遠端次厚部位采用冷鐵激冷。內澆道為鑄件鋁液的來源，一方面內澆口溫度高，凝固緩慢，可起到補縮作用；一方面內澆口具有傳遞低壓壓力的作用，內澆口補縮作用優于重力澆注的冒口補縮。但這種中注式澆注方式，鋁液充型過程中流場分布難以預測，紊流程度較高，流場的不確定性易造成溫度場的不確定分布，理論上容易產生氣孔和局部非熱節部位過熱現象。由方案2澆注結果可知，厚大部位整體無明顯縮松，遠離內澆口處有輕微疏松，表明在壓力、冷鐵作用下，內澆道具有優于單純冷鐵激冷補縮的作用，但有效補縮距離有限。

方案3將厚大部位通過內澆道連通，厚大部位完全通過內澆道在壓力作用下補縮，并在底面、頂面8mm厚法蘭處增加冷鐵。澆注后，可得到零缺陷鑄件。表明內澆道在壓力作用下對鑄件的補縮效果最佳，同時，澆注系統的輕微變動會引起鋁液流場的變化，引起鑄件溫度場發生變化，產生新熱節，澆注系統變動時應預測并防止新缺陷的形成。

5 結束語

采用工字型中注結合內澆口補縮厚大部位形式澆注系統成功澆注了無缺陷復雜基座鑄件，并得到如下結論：

a. 壁厚相差懸殊鑄件厚大部位難以通過冷鐵激冷得到有效補縮；

b. 壁厚相差懸殊，薄壁部分在熱應力影響下容易產生開裂，應合理設置澆注系統，避免澆注系統對局部產生附加應力，引起鑄件開裂。

c. 低壓澆注中，內澆道在壓力作用下補縮距離有限，在經濟高效前提下，應盡可能選擇內澆道進行厚大部位補縮。

1 田榮璋. 鑄造鋁合金[M]. 長沙：中南大學出版社，2006

2 趙世慶，鐘利. 鋁合金熔煉與鑄造技術[M]. 北京：冶金工業出版社，2009

3 李慶春. 鑄件形成理論基礎[M]. 北京：機械工業出版社，1980

4 李魁盛. 鑄造工藝及原理[M]. 北京：機械工業出版社，1987

5 董秀奇. 低壓及差壓鑄造理論與實踐[M]. 北京：機械工業出版社，2003

6 于寧，朱霖，董秀奇. 金屬型無縮松鑄件最佳溫度梯度的獲取及驗證[J].特種鑄造及有色金屬，2016，36(5)：513～516

Research on Casting Process of Aluminum Alloy Complicated Thin-walled Component

Dong Fangtao Wang Hongwei Wang Zhonghua Wang Peng Xiao Wuwu Yang Kang

(Xi’an Aerospace Precision Mechatronics Institute, Xi’an 710100)

Aluminum alloy complex thin-walled components were prepared by low-pressure sand casting process. According to the characteristics of the component which carries thick-part within the whole thin-walled, three casting systems were designed. Cross-shaped bottom-based casting system and other two middle-based casting systems. The results show that the third casing system can obtain components with no defect.

casting system；low-pressure casting；aluminum

董方濤（1986），碩士，材料學專業；研究方向：鋁合金鑄造工藝設計。

2018-07-24