ZL205A支架鑄造工藝研究

遲秀梅，張 娜，何 凱，崔恩強，汪奇峰

（上海航天精密機械研究所，上海201600）

·鑄造工藝·

ZL205A支架鑄造工藝研究

遲秀梅，張 娜，何 凱，崔恩強，汪奇峰

（上海航天精密機械研究所，上海201600）

ZL205A合金具有良好的綜合力學性能，已逐漸廣泛應用在航天、航空、核工業(yè)等重要領域。但ZL205A合金鑄造性能較差，易產(chǎn)生偏析、縮松和裂紋等鑄造缺陷。支架屬薄壁框架結(jié)構(gòu)，金屬液充型時易產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷，鑄件內(nèi)在質(zhì)量要求高，鑄造難度大。通過選擇合適的鑄造方法，設計合理的澆注系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)和澆注溫度，采取合理的熔煉和熱處理工藝，使鑄造生產(chǎn)的鑄件完全滿足設計要求，合格率100%.

ZL205A；鑄造；熔煉；熱處理

某型號戰(zhàn)斗機導彈支架結(jié)構(gòu)見圖1，由于使用的特殊性，對材料性能和內(nèi)在質(zhì)量都有較高的要求。鑄件材料為ZL205A，T5處理，II類鑄件，X-光檢測部位多達10處，幾乎全部檢查。

ZL205A屬于Al-Cu系鑄造鋁合金，其力學性能與Al-Si系ZL101A、ZL114A合金相比提高了許多，是國內(nèi)目前現(xiàn)存的鑄造鋁合金中抗拉強度最高的，已逐漸廣泛應用在航天、航空、核工業(yè)等重要領域[1]。由于ZL205A合金中Cu質(zhì)量分數(shù)為4.6%～5.3%，且含有Mn、Ti、Zr、V、B等多種元素，屬于固溶體合金。合金凝固時，結(jié)晶溫度間隔比Al-Si系合金寬，有嚴重的縮松傾向，從液態(tài)到固態(tài)的收縮率也比Al-Si系合金大，鑄件容易產(chǎn)生縮松、偏析和裂紋等鑄造缺陷[2]。

支架屬于框架結(jié)構(gòu)，金屬液充型時易產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷，鑄件內(nèi)在質(zhì)量要求高，鑄造難度大。ZL205A合金中合金元素種類多，各種合金元素含量要求嚴格，在熔煉過程中難以控制，合金中雜質(zhì)元素控制要求嚴格，稍不注意就可能雜質(zhì)元素超標，導致性能下降，合金在熔煉過程中易出現(xiàn)合金元素偏析；ZL205A合金的熱處理工藝區(qū)間小，溫度控制在±5℃，熱處理工藝參數(shù)控制嚴格。

圖1 支架鑄件

1 鑄造工藝

支架造型方法采用砂型鑄造，重力澆注。分型面選擇如圖2，重要安裝面置于側(cè)面，上下型對開，便于造型操作。

圖2 支架鑄造工藝簡圖

1.1 芯砂及型砂

盡管樹脂砂泥芯濕強度較高，便于操作，鑄件尺寸精度、表面光潔度高，但由于支架屬于薄壁框架結(jié)構(gòu)鑄件，鑄件冷卻凝固快，在凝固過程中受到樹脂砂芯膨脹的阻礙，將產(chǎn)生較大的應力，從而產(chǎn)生較高的熱裂傾向；又由于ZL205A合金屬于固溶體合金，鑄件易產(chǎn)生裂紋缺陷。為了防止產(chǎn)生熱裂缺陷，泥芯砂采用黏土砂；為防止鑄件澆注時產(chǎn)生氣孔、夾砂以及砂眼等缺陷，采用200℃以上溫度烘干泥芯。

型砂采用濕型砂。

1.2 澆注系統(tǒng)

1.2.1 立筒

采用帶立筒的縫隙式澆注系統(tǒng)，使鑄件自下而上地順序凝固，平穩(wěn)充填鑄型。設計合理縫隙厚度和立筒，防止在縫隙或其對面產(chǎn)生縮松和裂紋。兩安裝面澆注落差較大，為了保證鑄件內(nèi)在質(zhì)量，安裝面一側(cè)采用雙立筒，通過設計不同的縫隙厚度，保證合金液先充滿第二道立筒，再同時充入型腔，防止?jié)沧⑦^程中發(fā)生紊流而產(chǎn)生夾雜、氣孔及疏松等鑄造缺陷。另一側(cè)澆注落差較低，設置一層立筒。

圖3 縫隙寬度示意圖（單位：mm）

1.2.2 縫隙厚度

縫隙厚度計算方法[3]，如式（1）和式（2）：

設縫隙澆口處鑄件厚度為δ，縫隙厚度為a，

根據(jù)式（1）和式（2）澆口處鑄件厚度，縫隙厚度取圖3所示尺寸。

1.2.3 過濾方式

采用雙層過濾方式，即在橫澆道設置陶瓷過濾網(wǎng)，在縫隙澆口前設置鐵皮過濾網(wǎng)，可有效防止夾雜、氣孔等鑄造缺陷，為保證雙立筒中縫隙澆道起補縮作用，鐵皮過濾網(wǎng)應放置在第一層立筒前。

1.2.4 橫澆道

橫澆道中設置陶瓷過濾網(wǎng)，阻礙了合金液的流動，為此需放大此處的澆道面積；同時為了減小金屬液由橫澆道流入立筒的落差，將橫澆道設計如圖4所示。

圖4 橫澆道示意圖

安放過濾網(wǎng)處橫澆道面積計算公式[4]，如式（3）：

式中：S過——過濾網(wǎng)的面積，m2；

S澆——放置過濾網(wǎng)處澆道的截面積，m2；

f——過濾網(wǎng)的孔隙率，%；

η——過濾效率，%.

1.2.5 冒口

對于ZL205A這類固溶體合金，由于合金凝固時，凝固溫度區(qū)間較寬，當采取順序凝固方式時，宜采用寬大肥厚的冒口補縮，冒口設置見圖2.為保證安裝面質(zhì)量，1號冒口設計為貼邊冒口，下箱放置冷鐵減小熱節(jié)；為了增加補縮效果，將冒口與縫隙澆口連通，并加厚冒口處縫隙寬度；冒口與縫隙連通還有利于浮渣。

2 合金熔煉

2.1 原材料選擇

鋁錠采用重熔用精鋁錠Al99.95作為原材料，中間合金采用高純度中間合金，嚴格控制Fe等有害雜質(zhì)；鎘采用金屬純鎘，滿足國標YS/T72-2005，質(zhì)量分數(shù)不小于99.99%，其中w（Fe）＜0.002%，雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)總和小于0.01%.

2.2 防護涂料

Fe作為合金中的最為有害的元素在熔煉過程中應當極力控制，為了減少熔煉過程中的增鐵現(xiàn)象，對熔煉工具和坩堝（鐵質(zhì)）進行兩次表面防護。第一層刷HGS-1涂料，第二層刷T-1涂料。

2.3 合金熔煉工藝

1）將按要求配制預熱的回爐料、預制合金錠、鋁錠、鋁錳、鋁釩和鋁鈦中間合金依次加入坩堝中；

2）待上述爐料全部熔化后，于690℃～710℃加入鋁銅、鋁鋯中間合金及金屬鎘，輕微攪拌3 min～5 min，不允許破壞合金液面的氧化膜；

3）將合金液升溫至730℃～750℃，攪拌3 min～5 min，再將合金液升溫至740℃～760℃，加入鋁鈦硼中間合金，攪拌8 min～10 min；

4）然后采用氬氣進行精煉30 min；

5）精煉完成后，溫度升至760℃后打渣靜置。待溫度降至735℃～740℃澆注；

6）澆注時間不得超過30 min，否則應重新攪拌2 min～3 min并除渣后方可繼續(xù)澆注。

3 澆注溫度

對于固溶體合金類鑄件，在保證充型的條件下，澆注溫度應盡量低，這樣有利于防止產(chǎn)生疏松缺陷。但鑄件屬于薄壁框架型鑄件，金屬液充型時不夠通暢，橫澆道內(nèi)設置過濾網(wǎng)，阻礙合金液流動，高溫澆注又可增加冒口補縮效果和浮渣效果，因此澆注溫度不能太低。澆注溫度選為：720℃～730℃.

4 熱處理

鑄件熱處理狀態(tài)為T5，即固溶處理加不完全時效。固溶處理決定性因素為固溶溫度，由于合金成分復雜，形成了許多復雜的共晶化合物，如果采用普通的單級熱處理方式是不可行的。要么共晶化合物過燒，要么不能溶解。因此，合金的固溶處理應采用分級加熱制度。為了加速固溶，在保證不過燒的前提下，應盡可能使固溶溫度接近共晶溫度。一般固溶溫度低于共晶溫度5℃～10℃.由于ZL205A合金的相組成復雜，不可能在較高的溫度下固溶，因此，需要較長的保溫時間。

鑄件屬于薄壁框架結(jié)果，易產(chǎn)生裂紋，冷卻選擇80℃水淬，既可保證力學性能又能有效減少冷卻變形和裂紋傾向。

經(jīng)過實驗研究確定了合適的T5熱處理工藝。固溶工藝為：435℃×5 h→542℃×16 h→80℃水淬。時效工藝為：155℃×9 h→空冷。

6 鑄件質(zhì)量

按上述工藝生產(chǎn)了兩件產(chǎn)品，經(jīng)X-光檢測，均滿足II類鑄件要求，合格率100%；化學成分、機械性能滿足HB962-2001規(guī)定，見表1和表2.

表1 ZL205A合金的機械性能

表2 ZL205A合金的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

7 結(jié)束語

1）選擇合適的鑄造方法，設計合理的澆注系統(tǒng)和澆注溫度，可有效防止或減少裂紋、夾雜、氣孔和疏松等鑄造缺陷。

2）采取雙層過濾系統(tǒng)可有效地防止氣孔和氧化夾雜缺陷。

3）控制合金中有害雜質(zhì)，加強熔煉控制，選擇合理的熱處理工藝，不僅可以保證合金的成分和機械性能，而且有利于提高鑄件的內(nèi)在質(zhì)量。

［1］中國機械工程學會鑄造專業(yè)學會.鑄造手冊:第四卷：造型材料［M］.第二版.北京：機械工業(yè)出版社，2003：164.

［2］王繼昌.ZL205A合金大型整體艙段低壓鑄造及典型缺陷研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

［3］中國機械工程學會鑄造專業(yè)學會.鑄造手冊：第三卷：鑄造非鐵合金［M］.第二版.北京：機械工業(yè)出版社，2003：249.

［4］李晨希.鑄造工藝及工裝設計［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2014：132.

Casting Process of ZL205A Bracket

CHI Xiu-mei,ZHANG Na,HE Kai,CUI En-qiang,WANG Qi-feng
（Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute,Shanghai 201600，China）

ZL205Aalloyhas been widely used in aerospace,aviation,nuclear industry and other fields for its good comprehensive mechanical properties.However,its casting performance is poor,which is easy to produce segregation,porosity and crack and other casting defects.Casting frame,with thin wall frame structure,is easy to generate pores,inclusions and other defects in the metal filling process.By choosing suitable casting methods,reasonable design of gating system,filtering system and pouring temperature and taking reasonable melting and heat treatment process,the foundry casting production fully meets the design requirements.The qualified rate reaches 100%.

ZL205A,casting,melting,heat treatment

TG245

A

1674-6694（2017）01-0013-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.01.005

2016-10-20

張娜（1987-），女，山西運城人，學士，主要研究方向：鋁、鎂合金鑄造工藝。