ZL205A覆膜砂鑄造成型工藝改進

程會民，石 力，楊英歌，王 帥，韓文進

(西安北方光電股份有限公司，陜西 西安 710043)

ZL205A材料在我國軍事用途鑄件中使用廣泛。該材料經過T6處理后，抗拉強度可達470 MPa以上，遠超一般鑄造鋁合金[1]，因此在一些重要及關鍵部件中時常采用該材料進行鑄造生產。但由于該材料熱裂傾向較嚴重，目前能夠使用的鑄造方式比較有限，厚大零件主要采用砂鑄方式生產，部分薄壁零件可使用石膏型精密鑄造生產。而覆膜砂鑄造主要適用于結構復雜而體積小、質量輕、批量大的鑄件，較傳統砂型鑄造在中小件生產方面具有尺寸精度好，批量生產工藝穩定性好，表面粗糙度等級較高等優點，較石膏型精密鑄造工藝流程短、成本低、適合大批量生產；因此，針對結構復雜、壁厚差異較大的鑄件，采用覆膜砂型鑄造是一個行之有效的方法[2]。

1 鑄件結構分析

某型產品外殼為該型產品主要受力件，對鑄件內部質量有較高要求，該鑄件主體外形為錐形桶裝結構，外側有不規則支架2組(見圖1)。鑄件不同部位壁厚差異較大，鑄造生產過程中極易出現因存在熱節導致的冷隔、縮孔和縮松等缺陷，生產難度較大。

圖1 鑄件三維圖

2 鑄造方式選擇

通過鑄件剖面圖(見圖2)可發現，該鑄件厚大部位集中于上下兩端且分布不均，中部較上下兩端壁厚較小，在鑄造生產時無論怎樣分型都存在部分厚大部位補縮通道不暢的情況，需要多處設置冷鐵；同時，該鑄件為產品外觀部件，外形復雜許多部位無法進行機械加工，圖樣要求鑄件尺寸公差達到CT8級，這就造成鑄件多數外表面無法設置冷鐵。通過分析該鑄件的內外部質量要求可知，傳統砂型鑄造很難滿足以上要求，而石膏型精密鑄造又成本過高，因此，考慮采用覆膜砂型鑄造。

圖2 鑄件剖面圖

3 工藝方案設計

初步方案考慮盡量降低模具制造及砂殼生產費用，同時盡量保證鑄件外觀質量。該方案是將直澆道設置于鑄件內部型芯之中，從兩側三角形支架部位進澆(見圖3)。模具采用水平分型[3]，熱電偶加熱，使用水平800型射芯機生產砂殼(見圖4)。

圖3 澆注系統示意圖

圖4 覆膜砂模具及砂殼三維圖

4 工藝試制及改進

4.1 工藝試制

通過1個批次15件的探傷及加工后發現，毛坯在A部位(見圖5)出現大量彌散性氣孔(見圖6)，同時在B部位出現縮孔、縮松缺陷(見圖7)。

圖5 缺陷部位示意圖

圖6 A處氣孔、針孔X光照片

圖7 B處縮松組織X光照片

4.2 原因分析及工藝改進

圖5中A處彌散性針孔、氣孔直徑較小，多數直徑約為1 mm。一般出現針孔、氣孔的原因有如下2個方面：1)鋁合金液體本身帶入；2)澆鑄系統設置不合理，合金液進入過程中產生大量紊流，將澆道、型腔內氣體卷入造成氣孔。經初步判斷，懷疑為合金液精煉效果不佳，氣體在冷卻過程中析出所致。圖5中B處缺陷判斷為由于冷鐵厚度及長度不足，激冷效果不佳導致。

判斷缺陷原因后即對生產工藝進行如下改進。

1)加強鋁液精煉過程控制，適當提高精煉劑使用量，延長氬氣除氣時間，使用密度法檢測精煉效果，當試樣密度>2.77 g/cm3時方可進行澆注[4]。

2)調整冷鐵大小，長度方向增加20 mm，寬度方向增加15 mm，厚度方向增加5 mm，從而增強激冷效果。

經過第2批10件鑄件按不同澆注速度、溫度等工藝參數的對比試驗后發現，B處縮孔、縮松在增大冷鐵后消失(見圖8)，但A處大面積針孔、氣孔僅通過加強鋁合金精煉效果控制及調整澆注溫度、時間等手段無明顯改善，并且在2次試驗中澆鑄速度較快的鑄件氣孔現象更嚴重，從側面印證了澆鑄系統設置存在問題。針對此問題，下述將對澆鑄系統進行改進。

圖8 B處無缺陷X光照片

4.3 澆鑄系統改進

由于覆膜砂模具為金屬模具，對其尺寸修改沒有砂鑄木模具修改靈活方便，為減少不必要的反復，筆者應用計算機模擬軟件AnyCasting對初步工藝方案及2種改進方案分別進行了模擬分析[5]，以便再次確認缺陷產生原因及優選工藝方案。

4.3.1 原因分析

從初步試制方案的充型順序模擬過程中可以發現，在合金液剛進入型腔時由于澆注壓力全部集中于零件外側(見圖9a)，隨著澆注持續在型腔中間出現空腔(見圖9b)，而后空腔中的空氣被包裹在合金液中，空氣逸出時引起合金液出現劇烈晃動(見圖9c)，之后合金液上升至鑄件薄壁部位液面逐漸平穩，但之前由紊流包裹進的空氣被留在鑄件之中(見圖9d)。由此可見，澆注系統設置不當為引起針孔、氣孔缺陷的主要原因。

圖9 初步工藝方案充型順序模擬過程

4.3.2 改進方案一

方案一為改善澆道內過大的澆注壓力，將2個小內澆口改為1條開放式縫隙澆口。縫隙澆口具有充型平穩、減少紊流和利于補縮的功能，通常設置于零件外表面以方便清理。但由于本鑄件外觀質量要求較高，外表面不允許設置澆口、冷鐵等影響外觀質量的工藝系統，故設置于零件內表面。

在方案一中可以觀察到，由于澆口正對砂殼外壁，進澆時也會產生紊流(見圖10a)，同時合金液進入A部位時由于落差較大，依然會產生紊流(見圖10b)，當澆口部位紊流和A部位紊流匯流時引起液面劇烈振蕩(見圖10c)，隨后液面升高至薄壁部位時，液面振蕩依然沒有停止(見圖10d)。通過分析該方案充型過程可以預見，由于縫隙澆口設置位置不佳，紊流情況不僅沒有得到改善，反而引起更嚴重的紊流，從而導致出現更嚴重的缺陷，故淘汰該方案。

圖10 方案一充型順序模擬過程

4.3.3 改進方案二

改進方案二在吸取之前方案的經驗后，將縫隙澆口改為2條分別放置于兩側，這樣可以減小充型壓力，同時降低合金液進澆落差，可大幅減小紊流的強度[6]，有助于提高鑄件內部質量。

從改進方案二的充型順序模擬中可以觀察到，由于雙縫隙澆口分擔了進澆壓力，降低了進澆落差，進澆初期的液面振蕩幅度明顯小于之前的2種方案(見圖11a)；隨著不斷進澆，合金液面始終保持平穩，沒有出現劇烈的紊流現象(見圖11b～圖11d)。可以據此推斷，采用該方案可有效改善鑄件內部出現的針孔、氣孔缺陷。

圖11 方案二充型順序模擬過程

4.4 改進結果

按改進方案二修改模具，并進行第3批50余件鑄件生產，檢測結果表明，探傷合格率>98%，基本解決了鑄件試制前期反復出現的氣孔、針孔缺陷(見圖12)，實現了該鑄件的低成本、大批量生產。

圖12 A處無缺陷X光照片