低壓澆鑄鋁合金齒輪箱的匯流雙層膜缺陷研究

包國棟，陳 煒

（1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213000；2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司常州機(jī)車車輛監(jiān)造項(xiàng)目部，江蘇常州 213000）

0 引言

低壓鑄造是一種鋁合金齒輪箱常見的成形技術(shù)，是將金屬液在可控的氣壓下由下至上的填充鑄型，并在壓力下凝固獲得鑄件的一種方法[1]。其特點(diǎn)是金屬液流動(dòng)充型平穩(wěn)；鑄件在壓力下凝固，依靠保壓壓力提供補(bǔ)縮壓力，從而有效減少和避免縮孔縮松缺陷[2]。可滿足軌道交通領(lǐng)域?qū)Ω呔C合性能、高可靠性、輕量化、形狀復(fù)雜產(chǎn)品的需求。

鋁合金齒輪箱是機(jī)車行走的關(guān)鍵零部件，其使用條件對(duì)氣密性和整體強(qiáng)度有明確要求。在齒輪箱低壓砂型鑄造過程中，某型號(hào)齒輪箱頂部位置出現(xiàn)因匯流雙層膜缺陷導(dǎo)致的失效行為，影響到了產(chǎn)品交付。

本文對(duì)齒輪箱頂部位置出現(xiàn)的匯流雙層膜缺陷進(jìn)行了失效分析，利用MAGMA 軟件對(duì)鑄造過程中的流場進(jìn)行了模擬計(jì)算，并進(jìn)行了鑄造工藝的優(yōu)化。

1 失效分析

對(duì)送檢齒輪箱缺陷性質(zhì)進(jìn)行分析,在上箱體內(nèi)腔發(fā)現(xiàn)存在線狀缺陷。

圖1 是失效位置宏觀形貌，缺陷呈V 字型。在缺陷附近取樣后將缺陷人工掰開，得到的斷面形貌如圖2 所示，下半部分平滑區(qū)域?yàn)槿毕菰紨嗝妫瑪嗝媾c箱體外壁基本垂直。將斷面經(jīng)乙醇超聲清洗后放入掃描電鏡觀察微觀形貌，見圖3。缺陷表面有明顯的褶皺形體，具有雙層膜缺陷特征。這是液體表面積收縮時(shí)，氧化膜并不能進(jìn)行收縮，使得多余面積造成折疊而形成的褶皺形貌。

圖1 失效位置宏觀形貌

圖2 斷面宏觀形貌

圖3 微觀形貌

2 過程模擬及分析

依據(jù)現(xiàn)有工藝參數(shù)，利用MAGMASOFT 對(duì)齒輪箱充型和凝固過程進(jìn)行模擬。通過軟件模擬發(fā)現(xiàn)：在現(xiàn)有工藝下，鋁液在到達(dá)箱體頂部處時(shí)局部溫度較低，低于鋁合金液相線溫度（619℃），溫度場模擬結(jié)果如圖4 所示。利用模擬軟件的充型速度模塊進(jìn)行模擬計(jì)算，可以看到鋁液在上升至頂部時(shí)，流速較快，流速模擬結(jié)果如圖5 所示，在接近充滿時(shí)，流速約為（0.1～0.2)m/s。模擬軟件的充型過程顯示，匯流處與實(shí)物裂紋位置基本一致。

圖4 箱體充型過程溫度場模擬

圖5 箱體充型過程速度場模擬

根據(jù)Campbell 提出鑄造過程中的雙膜缺陷理論[2]：表面湍流是表面氧化膜卷入形成雙層膜缺陷的必要條件，鋁合金熔體產(chǎn)生表面湍流的臨界流動(dòng)速度為0.5m/s[3]。鋁液在充型過程中流動(dòng)速度較高形成表面湍流時(shí)，由于動(dòng)蕩的液面上下起伏會(huì)導(dǎo)致舊的氧化膜不斷破裂進(jìn)而新的氧化膜不斷生成。流動(dòng)速度較低時(shí)，匯流前端的鋁液無法突破原有氧化膜，表面膜不再不斷破裂和重新再生，而是原有氧化膜在和空氣的接觸下會(huì)慢慢變厚，其強(qiáng)度得到強(qiáng)化。

當(dāng)兩股鋁液接近匯流時(shí)，由于排氣不暢等原因，會(huì)造成匯流速度變慢，由于強(qiáng)化變厚的氧化膜與氧化膜之間的界面為固-固界面，在兩者之間流速低于0.5m/s 時(shí)，難以發(fā)生融合，所以中間會(huì)始終留有一定的間隙直到鋁液凝固后形成線狀缺陷。匯流時(shí)金屬液停止流動(dòng)后雙層膜缺陷將擴(kuò)展，完全穿過鑄件，形成一個(gè)大的平面缺陷。

此外，匯流在完成接觸融合之前，兩股匯流之間的氣體也會(huì)隨著氧化膜被卷入鋁液中，除此以外由于鋁液中氣體會(huì)析出，在鋁液中氣體形核要達(dá)到下面的壓力條件[4]：

式中，γ 是自由表面張力，對(duì)于鋁液而言為1N/m；r則在0.1nm 數(shù)量級(jí)。這就意味氣體在鋁液中形核要達(dá)到20GPa 的壓力，顯然在凝固條件下難以達(dá)到。而在雙膜缺陷附近就很容易形成，所以一部分氣體會(huì)形成小氣泡吸附在線狀缺陷上，這些氣泡會(huì)導(dǎo)致線狀缺陷的間隙變大，使得線狀缺陷更為明顯。

3 工藝改善建議

根據(jù)以上分析，本文進(jìn)一步對(duì)低壓鑄造的工藝曲線進(jìn)行調(diào)整，提高頂部鋁液充型時(shí)的流動(dòng)速度，流動(dòng)速度的最大值從更改之前的0.2m/s 提升到了0.5m/s，降低匯流部分表面氧化膜的擴(kuò)展，從而降低線狀缺陷的發(fā)生率。

同時(shí)對(duì)箱體模具進(jìn)行修改，在頂部處增加溢流槽，使溫度較低的前端鋁液進(jìn)入溢流槽，溫度較高的鋁液形成鑄件。增加的溢流槽能夠?qū)R流前段轉(zhuǎn)移至溢流結(jié)構(gòu)中，保持原匯流處金屬液前沿不斷流動(dòng)，使得匯流流速接近靜止的部位離開鑄件本體。

4 結(jié)論

（1）匯流雙層膜融合縫缺陷是鋁合金箱體形成裂紋的主要原因。

（2）匯流雙層膜融合縫缺陷來源于頂部鋁液匯流時(shí)形成。

（3）為了進(jìn)一步減少雙層膜缺陷，建議提高產(chǎn)品鑄造澆鑄速度，增加匯流處溢流。