摘 要：ZM5鎂合金澆注的甩油盤鑄件按初步設(shè)計的方案產(chǎn)生大量疏松缺陷，為解決這一缺陷，對澆注系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并利用Pro-cast軟件對改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)進(jìn)行澆注、沖型及冷卻過程進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果對鑄件缺陷的預(yù)防及澆注系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)提供了依據(jù)。改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)澆注的鑄件合格率達(dá)70%。

關(guān)鍵詞：澆注系統(tǒng)；疏松；缺陷；數(shù)值模擬

ZM5鑄造鎂合金是一種鎂-鋁-鋅系合金，該合金具有良好的流動性、可焊性，熱裂傾向性低，但固-液相線溫度間隔比較大，合金凝固區(qū)間寬度很大，趨于糊狀凝固，故補縮能力差，疏松傾向也比較大，因此在鑄造時必須采取相應(yīng)的措施[1]。某型航空發(fā)動機(jī)零件甩油盤材料為ZM-5，采用砂型鑄造，輪廓尺寸為200×150×200mm鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有尺寸較小的油路孔，直徑最小處為8mm，有厚大法蘭邊，最厚處達(dá)15mm，且壁厚相差較大，存在較大熱節(jié)，鑄造過程中極易產(chǎn)生疏松缺陷，導(dǎo)致鑄件報廢，所以如何解決疏松缺陷已成為鑄件研制的關(guān)鍵。

1 澆注系統(tǒng)及參數(shù)的設(shè)計

1.1 鑄造材料

鑄件材料選用ZM5，其化學(xué)成分見表1。

1.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

澆注系統(tǒng)設(shè)計得正確與否對鑄件品質(zhì)影響很大，鑄件廢品中約有30%是因澆注系統(tǒng)不當(dāng)引起的[2]。對于輕合金，尤其是鎂合金，化學(xué)性質(zhì)極為活潑，極易與空氣中的氧氣、水分及氮氣發(fā)生反應(yīng)甚至燃燒。所以在澆注過程中應(yīng)盡量平穩(wěn)，減少飛濺，一般選擇開放式澆注系統(tǒng)，主要優(yōu)點是：進(jìn)入型腔時金屬液流速度小，充型平穩(wěn)，沖刷力小，金屬氧化輕。甩油盤的澆注系統(tǒng)如圖1所示。

2 結(jié)果與改進(jìn)

2.1 澆注試驗及結(jié)果

按澆注溫度（700～720）℃，澆注速度（5～8）s，共澆注了一批10件鑄件，當(dāng)進(jìn)行到熒光工序時，發(fā)現(xiàn)其中7件鑄件因存在多處疏松而報廢。疏松位置位于圓筒上部、圓筒與油路孔的過渡處及法蘭盤底部位置。

2.2 缺陷原因分析及對策

鎂合金鑄件產(chǎn)生疏松和縮孔的原因有以下幾點：

（1）凝固過程中補縮不良；（2）澆注系統(tǒng)和冒口設(shè)置不當(dāng)；（3）冷鐵位置和厚度不當(dāng)；（4）鑄件形成毛刺、飛邊等；（5）引入合金液的位置不當(dāng)；（6）鑄件局部過熱和金屬型溫度過高；（7）澆注的溫度過高，鑄件的局部過熱或溫度不均勻等。

根據(jù)以上幾點，經(jīng)分析可得出該鑄件產(chǎn)生疏松的原因：

（1）圓筒上部出現(xiàn)疏松，可能原因是冒口過小，補縮不良所致；圓筒內(nèi)壁雖然沿圓筒軸向有冷鐵，但由于該處補縮來源不足，也產(chǎn)生了疏松缺陷；（2）圓筒與油路孔過渡處的疏松產(chǎn)生的可能原因是該處存在熱節(jié)、補縮不良所致；（3）法蘭底部的疏松產(chǎn)生原因可能是內(nèi)澆口過熱所致，頂部冒口對其難于補縮，另外法蘭邊厚度較厚，而集渣包相對較小，對其補縮效果不佳所致。

根據(jù)以上分析，制定了如下的改進(jìn)措施：

（1）針對圓筒頂部的疏松，將頂部冒口的尺寸增大拔模斜度不變，增加補縮效果；（2）針對圓筒與油路孔過渡處的疏松，將圓筒內(nèi)部將原來的冷鐵去掉，在原來冷鐵位置沿圓筒整個深度方向增設(shè)暗冒口，拔模斜度5°，并在澆注時在冒口的周圍加保溫氈，此外在油路端面增加冷鐵，與圓筒下端面的冷鐵相接；（3）針對法蘭底部處的疏松，在下砂箱砂胎的相應(yīng)位置增加5塊冷鐵，增加集渣包的補縮效果。

改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)如圖2所示。

2.3 數(shù)值模擬

用數(shù)值模擬軟件Pro-cast對修改后的澆注過程的流場、溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行仿真分析，預(yù)測鑄件的質(zhì)量、優(yōu)化澆注系統(tǒng)。

結(jié)果如圖3所示，從（a）、（b）可以看出，因頂部的冒口增大、補縮作用增強，圓筒頂部的疏松已明顯得到改善，然而圓筒與油路過渡處的疏松缺陷改善不明顯，另外從（c）可以看出與內(nèi)澆口相接的法蘭邊位置溫度還是高于其它位置，說明該位置冷卻較慢，冷鐵的激冷能力不強，因此還需對澆注系統(tǒng)進(jìn)行完善。

根據(jù)以上模擬結(jié)果，又對鑄件的澆注系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步完善：

（1）為解決（a）圖中熱節(jié)部位的疏松，在圓筒內(nèi)部對應(yīng)部位沿圓筒軸向方向增加了一處冷鐵；（2）為解決（b）圖中沿油路的疏松，在該位置沿整個油路放置冷鐵，與暗冒口配合使用，加強鑄件的順序凝固，增大暗冒口的補縮距離和范圍；（3）為進(jìn)一步加大集渣包的補縮效果，進(jìn)一步改善內(nèi)澆口過熱問題，把法蘭邊內(nèi)側(cè)的冷鐵厚度增加，并增大集渣包的尺寸，增強集渣包的補縮效果。

4 改進(jìn)效果

采取上述改進(jìn)措施后，又按原來的鑄造參數(shù)澆注4批共40件鑄件，鑄件的具體缺陷情況見表2?？梢娛杷珊涂s孔缺陷已經(jīng)基本克服，說明改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)可完全滿足要求。

5 結(jié)束語

（1）設(shè)計鑄造工藝方案時，應(yīng)充分考慮鑄件的結(jié)構(gòu)是否存在熱節(jié)以及無法實現(xiàn)順序凝固的部位，并提前制定相應(yīng)的解決預(yù)案，對提高研制鑄件的質(zhì)量和縮短研制周期有至關(guān)重要的作用。

（2）Pro-cast鑄造模擬軟件的應(yīng)用能夠提前預(yù)測鑄件在澆注過程中產(chǎn)生的缺陷種類及部位，對于改進(jìn)鑄件質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期有較大幫助。

（3）鑄件的疏松易產(chǎn)生在內(nèi)澆道附近、冒口根部、壁厚部位及厚薄接轉(zhuǎn)處，因此應(yīng)將冷鐵與冒口配合使用，對解決鑄件的疏松與縮孔缺陷有著良好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]陳國楨，肖柯則，姜不居.鑄件缺陷和對策[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2]李魁盛.鑄造工藝設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

作者簡介：孟凡奇（1983-），本科學(xué)歷，研究方向：鑄造專業(yè)。