船用鈦合金基座鑄造工藝研究

王 震

（中國船舶重工集團第七二三研究所，江蘇 揚州 225001）

金屬鈦是一種性能優(yōu)異的金屬材料，具有強度高、抗腐蝕性能好、無磁性、綜合性能優(yōu)良的特點，廣泛應用于航空、航天、航海、化工、體育等眾多領(lǐng)域。鈦及鈦合金鑄造用造型材料及造型方法，當前國內(nèi)外普遍采用機加工石墨型、石墨搗實型、金屬型和熔模鑄型。但是石墨搗實型、金屬型、熔模鑄型等工藝主要由于成本高、周期長、鑄件尺寸及質(zhì)量難于控制、影響因素比較多等缺點，不適于生產(chǎn)小批量大型復雜結(jié)構(gòu)的鑄件鑄造生產(chǎn)，而機加工石墨型具有分型面選擇不受限制、澆鑄的鑄件質(zhì)量相對穩(wěn)定。石墨材料表面光滑、密度小重量輕、強度較高、硬度低、易于切削加工成型等特點，使其廣泛用于大型復雜鈦合金結(jié)構(gòu)鑄件的鑄型模具的制作。本文以鈦合金基座鑄件為例，介紹大型船用薄壁鈦合金鑄件石墨加工型鑄造工藝的設計。

1 基座鑄件結(jié)構(gòu)特點及鑄造難點

（1）基座鑄件結(jié)構(gòu)特點。該基座鑄件屬于長方形全框架結(jié)構(gòu)零件，最大外型尺寸為980×736×275、最薄處壁厚只有6mm、鑄件重量約為71kg；此鑄件內(nèi)腔為空心多筋結(jié)構(gòu)設計，既減輕了鑄件的重量又可以滿足強度和剛度的要求。（如圖1所示）

圖1 鈦合金基座鑄件三維視圖

（2）鑄造工藝難點：①澆注不足、冷隔問題。該鑄件外形尺寸大、壁薄、結(jié)構(gòu)較復雜，再加上鈦液過熱度低及石墨激冷能力強等特點，鑄件容易產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷。②壁厚均勻性的控制及鑄型模具的分型、組合和固定方式。由于鑄件結(jié)構(gòu)復雜，鑄件外形尺寸大，為了組型及機加工方便，鑄型模具需采用“化整為零“的活動塊組合式結(jié)構(gòu)，鑄型模具分塊較多，如何分型、組合和固定鑄型模具是保證鑄件順利鑄造成型及鑄件壁厚均勻的鑄造工藝設計需關(guān)注和解決的問題。③鑄件的收縮率。此基座鑄件尺寸及形位公差精度要求高。工藝設計時合理選取收縮率是保證鑄件尺寸符合圖紙要求設計的重要因素。如何確定合理的收縮率，需根據(jù)工藝師的實踐經(jīng)驗、工件的空間尺寸比例及壁厚的分布狀態(tài)等因素綜合考慮。

2 工藝設計

（1）分型面的選擇。分型面的選擇原則是鑄件出型容易，鑄型模具制造方便，易實現(xiàn)機械化加工，而且要求鑄型模具結(jié)構(gòu)堅固耐用，重復使用性好。為此，經(jīng)過對鑄件圖紙的仔細消化，對鑄件的結(jié)構(gòu)及使用要求等方面的綜合考慮，確定采取平臥澆注方式，以基座的上下表面為水平分型面，以鑄件內(nèi)外側(cè)為垂直分型面。

（2）澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)的合理設計是鑄件能否澆注成功的關(guān)鍵步驟之一，根據(jù)鑄件的大小重量、結(jié)構(gòu)分布、鈦液過熱度及充型速度等因素考慮，經(jīng)過計算，工藝采用頂注式直澆道，直澆道的直徑尺寸為￠100mm，上下雙層橫澆道，上層四根為40×40方形橫澆道，通至鑄件上部凸臺處，，下層四根為直徑φ45的圓形橫澆道，通至鑄件四側(cè)四個圓筒處，每個圓筒處開設有內(nèi)澆道，以保證鑄件的充型能力。

（3）加工余量及收縮尺寸確定。機加工石墨型鑄型模具鑄造的鑄件尺寸準確度高、表面粗糙度較好，設置的加工余量可以較小，考慮到基座鑄件外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復雜的特點，選取加工余量值為3~4mm。鈦合金的線收縮率通常為1.5%，自由收縮率取1.2%~1.6%；石墨具有低的線膨脹系數(shù)及高的抗變形能力，考慮到基座鑄件的結(jié)構(gòu)特點、鑄型模具及澆注系統(tǒng)的設計，受阻收縮率確定為0.7%~1.0%。

（4）壁厚的控制。鑄型模具采用“化整為零“的活動塊組合式結(jié)構(gòu)，鑄型分塊較多，保證鑄件壁厚均勻是工藝設計的關(guān)鍵。在鑄型模具設計過程中，采取了以下措施：①鑄件中部芯子通過止口與底板組合，確保中部芯子定位準確。②在鑄型模具底板設計為60厚、外型尺寸和鑄型尺寸一致的石墨板，保證鑄型組型方便及組型時各分型面的配合精度。③鑒于外部芯子分型數(shù)量比較多，全部懸空放置，故在外部芯子四周設計采用鋼釘固定φ30×6的石墨墊塊，保證外部芯子的定位和鑄件的壁厚，同時也保證鑄件清芯方便。④鑄型模具設計時，在鑄型模具局部安裝活塊，以保證鑄型模具部分可以重復使用，降低重復生產(chǎn)的成本。

3 石墨鑄型模具制造及鑄件的澆鑄

（1）石墨鑄型模具的制造。采用表面粗糙度低、空隙度小、硬度高的石墨制作造型材料，制造過程主要分為以下步驟:①根據(jù)工藝圖進行材料分割；②拼料劃線；③機加工石墨型并根據(jù)需要手工修型；④鑄型模具表面處理；⑤鑄型模具零件檢驗；⑥組合各鑄型模具零件至鑄型模具組型；⑦鑄型模具組型檢驗。

（2）鑄型模具的真空除氣。鑄件澆鑄前，鑄型模具要在真空條件下，加熱至950~1000℃，保溫2h，去除石墨鑄型中的水分及揮發(fā)物。

（3）裝配組型?；T件組型圖，鑄型模具組裝完成后，并采用鋼板、螺栓及螺母固定鑄型模具。如圖2所示。

圖2 基座鑄件模具組型圖

（4）鑄件的澆鑄。鈦鑄件的成形必須在真空或惰性氣體保護下進行，為使基座鑄件用TA5鈦合金材料成分均勻，澆鑄時采用ZH-150真空自耗電弧爐二次熔煉的直徑φ220鑄錠，在ZN-150型真空自耗凝殼爐中澆鑄。根據(jù)類似鑄件的澆鑄數(shù)據(jù)，對熔煉參數(shù)進行了修正，然后依據(jù)修正后的熔煉參數(shù)進行澆注。如圖3所示。

圖3 鈦合金基座鑄件

澆鑄完成后，隨爐冷卻2h，待鑄件冷卻至400℃以下出爐，清理型芯后，鑄件進行打磨、探傷、真空退火、噴砂處理，經(jīng)噴砂處理后的鑄件（如圖3所示）表面光滑、無澆不滿、裂紋、冷隔現(xiàn)象，從最終鑄件產(chǎn)品來看，鑄件尺寸完全符合圖紙及技術(shù)要求，其化學成分和力學性能符合標準要求。選擇的工藝參數(shù)及采取的鑄造工藝措施是合理可行的。

3 結(jié)語

（1）鈦合金基座鑄件成功澆注，證明采用的造型方法和工藝措施是正確的。

（2）使用機加工石墨型鑄型模具生產(chǎn)鈦合金鑄件，在鑄型模具結(jié)構(gòu)設計和制造工藝上采取特殊措施，可以做到一幅外模型多次使用，降低生產(chǎn)成本。

（3）鈦合金機加工石墨型鑄造過程中，采用石墨墊片可以起到固定型芯、保證壁厚的作用，是解決結(jié)構(gòu)復雜的薄壁鑄件壁厚均勻性的有效措施，為以后鑄造復雜鈦合金鑄件提供了幫助和借鑒。

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