桶體鑄造工藝優化

周凱 烏南 劉昭楨

摘 ?要：本文針對于壁厚不均勻、鑄造難度大的桶體鑄造工藝進行研究，主要介紹了桶體鑄件的結構和技術要求，通過對桶體類產品的偏析現象及鑄造裂紋進行了詳細闡述，并利用模擬軟件分析研究出相應的優化措施，使得桶體鑄造工藝得到了優化。

關鍵詞：鋁銅合金;鑄造;工藝優化

鑄造工藝設計的重點是保證材質的致密性，保證鑄件整體無偏析和裂紋。該件最初工藝方案是利用三層聯合注入式澆注系統，但鑄件的偏析現象和鑄造裂紋現象一直困擾著鑄件人員。由于鋁銅合金密度大，鑄造性能差，其中只有少量的共晶體，有熱裂和疏松傾向，耐蝕性較差。合金準固相區比較寬，而準固相區寬的合金補充能力小，枝晶發達，合金液停止流動的早，流動性較差，收縮應力大，容易產生鑄造裂紋，因此，本文立足于桶體的工藝，提出了相應的優化方案。

一、產品信息

鑄件材質：ZL208（ZAlCu5Ni2CoZr），按照HB962-2001執行（見表一）;雜質允許含量見表二;

鑄件類別：HB963-2005-Ⅱ。

鑄件尺寸、形狀：按照鑄件圖規定，未注尺寸公差按照HB6103-2004 CT6級執行，未注鑄造圓角R1～R5;

鑄件力學性能：屈服強度≥210MPa;硬度HB85-110;

鑄件輪廓：φ350（外徑）*250mm，蒙皮壁厚6mm。端環厚度17mm;

鑄件重量：6.8kg;

該產品屬于典型的不均勻壁桶體類鑄件，鑄件要求使用熒光、X光檢測，并且要求在0.6MPa下進行滲漏試驗，保壓15分鐘，不得有滲漏。

二、原鑄造工藝缺陷

（一）原工藝方案

原方案采用聯合注入式澆注系統，如圖1所示，設計專用冒口頸、內澆口，內澆口置于外缸壁與連接壁熱節處及厚大部位，沿周均勻放置6個保溫冒口。采用100-120目鋯英砂、30-60目莫來砂、16-30目莫來砂為型殼材料，硅溶膠為粘接劑，模殼厚度約6mm。采用熔模鑄造聯合注入式澆注系統，澆注溫度約730度，模殼預熱溫度650度。并在直澆道底部使用陶瓷過濾網凈化鋁液。澆注前、后對內腔及散熱困難部位進行風冷調溫。

澆注后經X光檢測，發現鑄件整體有比較嚴重的偏析現象（嚴重部位可出現白裂紋狀）見圖2（1）及鑄造裂紋（多集中在外部凸臺與桶身交界位置）見圖3。致使鑄件報廢。

（二）缺陷分析

2.2.1 偏析現象

合金中各組成元素在結晶時分布不均勻的現象稱為偏析。合金元素會在熱處理過程中， 影響形核與長大，因此合金元素的偏析會造成局部晶粒的不均勻，在隨后的冷卻過程中，會使材料發生局部變化，最終使材料性能不均[1]。X光顯像下的偏析現象如圖二所示。

2.2.2 鑄造裂紋

形成鑄造裂紋的因素眾多，但從根本上來說都是由于鑄件的凝固方式和凝固時鑄件的熱應力和收縮應力所引起的。當鑄件在凝固后期時，實際上已經形成了較為完整的骨架結構，并逐漸開始收縮，而如果在收縮過程中有阻礙，就會導致逐漸形成裂紋。由于這種裂紋是基于高溫下形成的，因此也被稱為“熱裂紋”[2]。熱裂紋是當前鑄剛件、可鍛造鐵件以及一些輕合金鑄件中最為常見的一種缺陷之一。

當把金屬液體倒進鑄型模具后，熱量通過型壁散失掉，所以，鑄件表面是最先開始凝固的。而當處于凝固后期時會出現大量的枝晶，并且這些枝晶會進行搭接形成一個完整的骨架，于是開始出現固態收縮。但在這個時間段中，枝晶間還存在一種未完全凝固的液體金屬薄膜，而如果此時逐漸收縮沒有受到其他因素的阻礙，則枝晶之間可以實現自由收縮，不受其他力的影響。而如果在枝晶骨架收縮過程中受到了某些因素的影響，不能實現自由收縮時，當此時的拉力應力超過了其他材料的強度極限時，枝晶就會出現開裂情況。而如果此時枝晶骨架拉開時的速度較慢，則被拉開的部門就會被周圍的液體及時補充上，那么鑄件就不會產生裂紋;而相反，如果裂紋處無法得到金屬液體的補充，則鑄件上就會產生熱裂紋[3]。鑄造裂紋如圖3所示。

三、工藝優化

（一）采用縫隙澆道[4]

經過優化的鑄造方式采用縫隙澆道，如圖4所示?？p隙澆道類似于階梯式澆注系統，充型平穩，利于排氣，利于渣、氣和夾雜物上浮，符合順序凝固，利于補縮。通過對外側的吹風及降低模殼預熱溫度，可加快順序凝固的趨勢。過濾網不僅可以將金屬液中的雜質擋在主澆道內，還能使金屬液進入型腔時充型平穩，避免紊流。詳細數據如下：

澆注系統各參數確定：

縫隙寬度a：根據公式a=（1～1.5）δ，δ為縫隙澆道對應的鑄件厚度，綜合考慮a定為7;

縫隙澆道內澆道截面（集渣筒）：根據公式b=（4～6）a，綜合考慮b定為30×35mm;

縫隙數量：根據公式n≈0.024P/a，P為鑄件外圓周長，得n≈3.8，但考慮到ZL208流動性差，補縮距離短，綜合考慮n定為6。

澆注工藝參數：澆注溫度：730度;模殼預熱溫度：550度;模殼厚度約：6mm。

通過鑄造模擬軟件對桶體縫隙澆道鑄造工藝進行模擬，模擬結果表明，鑄造缺陷均集中在冒口及澆注系統內，鑄件本身無缺陷。具體模擬結果見圖5所示。澆注完成后，通過X光檢測，發現鑄件整體上的偏析在X光底片上已經幾乎不可見見圖2（2），整體無裂紋。

四、現場生產

使用改進后的鑄造方案，經過現場實驗論證后的桶體質量，質量得到了明顯的改進，偏析現象和鑄造裂紋現象都得到了較好的解決。首批生產的20件桶體，經過客戶的標準進行了NDT以及性能檢驗的結果都均合格，滿足了客戶使用要求，提升了企業核心競爭力。

總結：本文立足于桶體鑄造工藝的優化，針對于ZL208（ZAlCu5Ni2CoZr）在鑄造過程中底注式澆注系統中出現的偏析現象和鑄造裂紋現象的原因，有針對性的提出了優化措施，提出了新鑄造工藝：縫隙澆道方式，有效解決了原鑄造工藝中出現的問題。

參考文獻：

[1]陳思明，古偉.勻壁軸承蓋的鑄造工藝研究及改進[J].鑄造設備與工藝，2018，000（006）：13-15，18.

[2]中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊：第5卷[M].北京：機械工業出版社，2003：372-382.

[3]范金輝，魏兵，汪鋒.鑄件熱節系統性研究[J].鑄造技術，2000（3）：433-439.

[4]趙成志，張賀新.鑄造工藝設計與實踐[M].北京：機械工業出版社，2017，5.