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        鋁合金支座鑄件的壓差鑄造工藝研究

        2013-11-20 09:56:08郭李勝葉鳳柏郭全生山西平陽重工機械有限責(zé)任公司山西侯馬043003
        鑄造設(shè)備與工藝 2013年2期
        關(guān)鍵詞:熱節(jié)冷鐵馬蹄

        郭李勝,葉鳳柏,郭全生(山西平陽重工機械有限責(zé)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(fù)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(dǎo)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(fù)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(fù)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(fù)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.

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