鋁合金支座鑄件的壓差鑄造工藝研究

郭李勝，葉鳳柏，郭全生（山西平陽重工機械有限責任公司，山西侯馬 043003）

支座是定位儀上的一個重要零件，長期服役，要求尺寸穩(wěn)定性要好。鑄件要求不得有裂紋、疏松、針孔等任何鑄造缺陷，不能進行焊補，對3個馬蹄孔進行X射線探傷，探傷要求為一級疏松和一級針孔。該鑄件結(jié)構(gòu)復雜，熱節(jié)多而且分散，給鑄件的補縮帶來了較大的困難。該支座的材料為Z L 424，其鑄造性能差，裂紋、縮松傾向大，鑄造難度大。

在鑄造生產(chǎn)過程中常產(chǎn)生裂紋、縮松、氣孔等缺陷，特別是裂紋缺陷危害最大，在鑄造、熱處理甚至機加后都很少產(chǎn)生裂紋，大部分是在機加過程中和機加完成后甚至裝機運行后才產(chǎn)生裂紋，對產(chǎn)品的長期使用造成了較大的潛在威脅。同時由于鑄件的廢品率較高（廢品率在40%左右），造成了較大的經(jīng)濟損失。

1 鑄造缺陷的種類及鑄造缺陷的形成原因分析

1.1 鑄造缺陷的種類

生產(chǎn)中存在的主要缺陷是裂紋和縮松。經(jīng)統(tǒng)計原工藝生產(chǎn)的55件鑄件，報廢22件，廢品率為40%；其中裂紋13件，是主要缺陷，占廢品總數(shù)的59.1%，其次是澆口處的縮松7件，占廢品總數(shù)的31.8%，其它缺陷占廢品總數(shù)的9.1%。

1.2 縮松缺陷的形成原因分析

從支座的結(jié)構(gòu)特點來看，十字和T字交叉筋較多，熱節(jié)很分散，特別是馬蹄孔處的熱節(jié)較大（如圖1所示），且大多數(shù)分散的熱節(jié)都遠離澆口，無法實現(xiàn)澆口對遠端熱節(jié)的補縮作用，因此在分散的熱節(jié)處極易出現(xiàn)縮松缺陷。

1.3 裂紋缺陷的形成原因分析

Ⅰ類裂紋是在L型厚大臺階處，如圖1 b)所示，該處放置2塊冷鐵，在澆注時兩塊冷鐵之間易形成披縫。在冷卻凝固過程中，由于披縫薄凝固快，鑄件的L型臺階處厚大凝固慢，在繼續(xù)凝固收縮時先凝固的披縫受壓應(yīng)力，后凝固的鑄件厚大臺階處受拉應(yīng)力，披縫阻礙了鑄件的收縮，當應(yīng)力一定大時在L型厚大臺階處就形成了裂紋。

Ⅱ類裂紋是在馬蹄孔處的厚大部位，如圖1 b）所示，是由于該裂紋在鑄造和熱處理后很少產(chǎn)生，大部分是在機加過程中和機加完成后甚至在裝機運行后才產(chǎn)生裂紋，因此說明該處的鑄造內(nèi)應(yīng)力較大，而且在熱處理過程中應(yīng)力沒有完全消除。原工藝在厚大的馬蹄孔內(nèi)園設(shè)置了環(huán)形冷鐵。這樣一方面在凝固時內(nèi)圈冷鐵對鑄件的收縮形成了較大的阻力；另一方面由于冷鐵的激冷作用，快速形成的激冷層對外圍后續(xù)的凝固層形成了較大的收縮阻力，導致鑄件形成了較大的鑄造內(nèi)應(yīng)力，同時由于該材料Z L 424裂紋傾向大，因此該處就極易形成裂紋缺陷。

2 澆注溫度和澆注系統(tǒng)對裂紋和縮松缺陷的影響

2.1 澆注溫度對裂紋和縮松缺陷的影響

該支座結(jié)構(gòu)復雜十字和T字交叉筋較多（如圖1），熱節(jié)很分散，大部分是10 mm的均勻壁厚，局部較厚大。澆注溫度高（＞725℃）時，遠離澆口的馬蹄孔部位由于其壁厚厚大且得不到充分補縮易產(chǎn)生疏松缺陷；澆注溫度低（＜695℃）時，馬蹄孔部位在冷鐵的激冷作用下疏松缺陷可以消除，但是由于冷鐵的收縮量 L冷鐵收縮量＝（T收前溫度－T室度）×ε，T澆低時，T收前溫度就低，則 L冷鐵收縮收縮量就小，冷鐵的退讓性就差，收縮阻力就大，鑄件冷卻到室溫時內(nèi)部產(chǎn)生的殘余應(yīng)力就大。易產(chǎn)生裂紋缺陷。同時十字和T字交叉筋分散性熱節(jié)處由于得不到充分補縮易產(chǎn)生疏松缺陷；因此該鑄件對澆注溫度特別敏感，在生產(chǎn)實踐中選擇了不同的澆注溫度做了多次試驗，發(fā)現(xiàn)澆注溫度過高或過低都易形成裂紋和縮松缺陷。

2.2 澆注系統(tǒng)對裂紋和縮松缺陷的影響

內(nèi)澆口位置、數(shù)量和大小的設(shè)計對裂紋和縮松缺陷的有較大的影響，內(nèi)澆口位置應(yīng)開設(shè)在離熱節(jié)較近的位罝，最大程度地利用壓差鑄造的壓差補縮能力，消除疏松缺陷；根據(jù)該鑄件熱節(jié)多而分散的特點內(nèi)澆的數(shù)量應(yīng)多而分散，一方面減少澆注時的過熱，另一方面可縮短澆口對熱節(jié)的補縮距離，有利于消除裂紋和縮松缺陷；內(nèi)澆口總面積適當增大以減少鋁液澆注時的出口速度，減少飛濺，實現(xiàn)平穩(wěn)充型，有利于消除針孔和縮松缺陷。

3 工藝改進方案

3.1 澆注系統(tǒng)的改進

將垂直縫隙式澆注系統(tǒng)改進為底注水平縫隙式澆注系統(tǒng)（如圖1），實現(xiàn)了平穩(wěn)充型；同時增大內(nèi)澆口的截面積，并將內(nèi)澆口分散分布，實現(xiàn)了鑄件同時凝固，減少熱應(yīng)力，與此同時縮短了澆口與鑄件熱節(jié)之間的距離，增強了澆口對鑄件局部熱節(jié)的補縮作用。

3.2 冷鐵的改進

1）取消馬蹄孔處的內(nèi)圈冷鐵，在馬蹄孔的厚大部位上部設(shè)置冒口，以減少馬蹄孔的收縮應(yīng)力，增加補縮能力，消除馬蹄孔處的裂紋缺陷；

2）將L型厚大臺階處的兩塊冷鐵改為一塊L型的成型冷鐵，消除原來兩塊冷鐵間的披縫。

3.3 澆注溫度的確定

選擇不同的澆注溫度（695℃～725℃）進行試驗，確定最佳的澆注溫度。

3.4 壓差澆注工藝參數(shù)的改進

保壓壓力由0.0115 MPa提高到0.0155 MPa，通過提高保壓壓力，增加了壓差澆注的補縮能力，充分利用了壓差澆注的擠慮補縮作用，減少晶粒間的顯微疏松。

4 工藝改進后的效果及分析

1）將垂直縫隙式澆注系統(tǒng)改為底注水平縫隙式澆注系統(tǒng)，同時將內(nèi)澆口的總截面積由8400 mm2增加到16500 mm2.降低了鋁液澆注時的出口速度，實現(xiàn)平穩(wěn)充型，減少了金屬液進入內(nèi)澆口時產(chǎn)生的紊流，減少了鋁液的二次氧化，有利于消除縮松的氣孔缺陷。同時內(nèi)澆口截面積增大后，減輕了金屬液對鑄件的局部過熱作用，有利于實現(xiàn)同時凝固，減少內(nèi)應(yīng)力，有利于消除裂紋缺陷。

2）改變了內(nèi)澆口的位置，將內(nèi)澆口直接對準易產(chǎn)生疏松的熱節(jié)，加強了對局部熱節(jié)的補縮作用。實現(xiàn)了整體同時凝固，局部順序凝固的理想效果。既可加強補縮，又可減小內(nèi)應(yīng)力。

3）取消了馬蹄孔內(nèi)的冷鐵，在馬蹄孔的厚大部位上部設(shè)置了冒口，減少了馬蹄孔的收縮應(yīng)力，解決了馬蹄孔處的Ⅱ類裂紋缺陷。

4）將L型厚大臺階處的兩塊冷鐵改為一塊L型的成型冷鐵，消除原來兩塊冷鐵間的披縫，解決了Ⅰ類裂紋缺陷。

5）經(jīng)過工藝改進后生產(chǎn)了40件鑄件，合格35件，合格率達到了87.5%，取得了較滿意的效果。

5 結(jié) 論

1）對于支座類鑄件分散的底注水平縫隙式澆注系統(tǒng)優(yōu)于垂直縫隙式澆注系統(tǒng)，可實現(xiàn)平穩(wěn)充型；

2）支座鑄件通過工藝改進后，解決了鑄件的裂紋、疏松問題，使鑄件的合格率由60%提高到了87.5%；

圖1 支座鑄造工藝圖

3）結(jié)構(gòu)復雜的Z L 424鑄件對澆注溫度特別敏感，控制好澆注溫度是提高鑄件合格率的關(guān)鍵；

4）將內(nèi)澆口直接對準易產(chǎn)生縮松的熱節(jié)，可加強對局部熱節(jié)的補縮作用，消除縮松；將內(nèi)澆口分散分布，可實現(xiàn)鑄件同時凝固，減少收縮應(yīng)力，消除裂紋；加強補縮和減小收縮應(yīng)力是生產(chǎn)復雜結(jié)構(gòu)鑄件的一個重要原則。

［1］董秀琦主編.低壓及壓差鑄造理論與實踐［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1995.