鋁合金復雜薄壁件砂型低壓鑄造工藝設計實例分析

梁祎迪，劉岐治，郝長順，盧德寶，郝 陽，姜 麗，趙娜娜，李勝君

（1.遼寧沿海精密裝備有限公司，遼寧營口 115009；2.新程（營口）精密設備有限公司，遼寧營口 115009；3.新泰（遼寧）航天精鑄有限公司，遼寧營口115009）

0 引言

鋁合金鑄件因其良好的綜合力學性能被廣泛應用于鐵路、軍工、航空航天、汽車、醫療等領域，鋁合金鑄造后具有低密度、高強度系數和硬度的特性成為實現輕量型結構薄壁件最適宜的材料之一。然而，薄壁鑄件在制造過程中會產生一系列問題，過快的冷卻速度會降低熔融金屬的流動性，這使得薄壁件的模具空腔完全填充之前金屬過早凝固，導致鑄件不完全填充或氣孔的產生[1]。本文選定一件應用于磁懸浮列車的輕量型鋁合金薄壁件，分析其結構特點以及產品質量性能要求，針對具體問題提出有效的解決措施，探究高效合理的鑄造工藝方案。

1 鑄造尺寸及性能要求

零件外輪廓尺寸1000mm×254mm×208mm，均勻壁厚6mm，如圖1 所示。鑄件內部質量根據ASTM E155 標準對針孔等鑄造缺陷進行X 光射線檢查，內部缺陷等級限度為≤1 級。鑄件表面不允許有冷隔、裂紋、縮孔和穿透性缺陷和嚴重的缺陷，表面粗糙度要求為Ra25；材質為ZL101A，T6處理，機械性能要求為抗拉強度≥275MPa，屈服強度≥190MPa，延伸率≥2%，硬度HB≥80。

圖1 磁懸浮鋁合金薄壁件

2 鑄造工藝方案

2.1 鑄造方法的選擇

鑄件壁厚較薄，金屬液流動阻力大，充型困難，對于均勻壁厚的薄壁件，金屬液在型腔中上下溫差小，無法建立起有效的溫度梯度，不易實現順序凝固。低壓鑄造的特點是通過可控的充型壓力和充型時間實現平穩充型，鑄件成形性好，有利于形成輪廓清晰、表面光潔的鑄件，對于大型薄壁鑄件的成型更為有利[2]。考慮零件內腔結構復雜，為確保鋁液凝固前有足夠的補縮時間，因此，選擇砂型低壓鑄造。澆口設計為縫隙澆道，通過邊冒口補縮，使用冷鐵對有加工余量的較厚位置進行激冷，實現局部的順序凝固從而實現整體的同時凝固。圖2 所示為鑄件工藝方案。

圖2 鑄造工藝

2.2 鑄造工藝方案數值模擬分析

最終模擬結果如圖3 所示。由充型模擬結果可見，金屬液經縫隙澆道平穩進入型腔，未發現渦流卷氣現象。由凝固模擬結果可觀測到，鑄件的凝固次序比較理想，鑄件上遠離縫隙澆道和冒口之間的部分最先凝固，并且鑄件上下部基本同時凝固；鑄件各縫隙澆道附近區域凝固遲于縫隙澆道中間部分，縫隙澆道遲于鑄件本體凝固，冒口和下部橫澆道凝固又遲于縫隙澆道。鑄件整體溫度分布和補縮次序基本合理，處于較好的整體同時凝固、局部順序凝固狀態。

圖3 充型模擬

2.3 生產驗證

生產首件驗證，X 射線探傷檢查發現鑄件出現夾渣和澆不足問題，分析其產生的主要影響因素并提出解決措施如下。

夾渣為均勻擴散分布，分析其主要原因為鋁液質量不合格，首先控制回爐料的使用量，一般標準不超過30%；其次是對鋁液進行除氣除渣精煉處理，完成后及時進行光譜分析和密度檢測，檢測合格后要在短時間內使用鋁液，防止長時間放置后鋁液質量下降，通常實際生產中要求不超過1h。澆不足缺陷由溫度低導致，保證鋁液質量的情況下，盡量提高鋁液的澆注溫度，本文論述的薄壁鑄件澆注溫度范圍725～735℃。

圖4 凝固模擬

經調整后，小批量驗證，有鑄造缺陷位置已合格，如圖5 所示。

圖5 X 射線探傷檢測

3 結論

根據鑄件結構和性能特性設計高效合理的工藝，通過計算機數值模擬證明工藝可行，針對生產試制產品出現的鑄造缺陷，分析其產生的原因并采取相應控制措施，最終零件交付合格。采用低壓鑄造方法通過在凝固過程中增壓使得金屬液達到良好的補縮效果，有效避免薄壁鑄件出現縮孔、疏松、氣孔、縮松等缺陷，同時獲得更好的組織致密度，內部質量穩定性更高。圖6 為成品件，鑄件合格率達98%以上，幾乎無任何鑄造缺陷，滿足產品技術要求。

圖6 零件實物