■ 張西生,古良,張銳
ZL201A合金是一種傳統(tǒng)的高強(qiáng)韌鑄造鋁合金,具有非常好的強(qiáng)度、塑性、韌性,因此在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但由于該合金為Al-Cu-Mn系合金,結(jié)晶溫度范圍寬,以粥狀方式凝固,鑄造性能差,流動性不好,收縮大,在結(jié)晶時易產(chǎn)生縮松、裂紋和偏析等鑄造缺陷,其中裂紋、縮松是Zl201A合金鑄件最常見的缺陷。其化學(xué)成分見表1。
該鑄件為某產(chǎn)品出彈圓盤體,鑄件材料為ZL201A,最大輪廓尺寸為f912mm×90mm,結(jié)構(gòu)如圖1所示。鑄件最大壁厚為46mm,最小壁厚為13mm,鑄件重量為96kg。由于鑄件尺寸較大,且壁厚不均勻,考慮到鑄件使用要求較高,要求整體X射線無損檢測后無裂紋、縮松等鑄造缺陷,生產(chǎn)中采用低壓鑄造,以此減少鑄件凝固時產(chǎn)生的熱裂傾向,提高鑄件內(nèi)部質(zhì)量。
該鑄件實際生產(chǎn)中,經(jīng)X射線檢測發(fā)現(xiàn),鑄件的縮松和裂紋常出現(xiàn)在鑄件的受力拉筋上(見圖2、圖3),而且多出現(xiàn)在鑄件薄厚壁過渡區(qū)域。
缺陷的主要特征如下:
(1)缺陷區(qū)域宏觀組織形貌為線狀縮松和裂紋摻雜在一起,斷口有氧化現(xiàn)象。
(2)缺陷位置主要位于鑄件里面與平面交界的根部應(yīng)力集中部位,且接近厚薄變化部位。
(3)裂紋組織形貌為魚骨狀,且主要分布在晶界上。
圖1 鑄件實物
圖3 鑄件裂紋X射線檢測
圖2 鑄件縮松X射線檢測
表1 ZL201A化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
通過對該鑄件缺陷的出現(xiàn)位置和斷口形貌分析,出現(xiàn)上述缺陷的原因主要是合金補(bǔ)縮不到位,造成鑄件凝固時沒有足夠的鋁液補(bǔ)充,從而使鑄件壁厚較大的熱節(jié)部位比內(nèi)澆口后凝固,從而造成鑄件該部位縮松、裂紋,進(jìn)而導(dǎo)致鑄件上出現(xiàn)穿透性裂紋,嚴(yán)重影響了鑄件質(zhì)量。
鑄件原澆注參數(shù)及澆注系統(tǒng)設(shè)計:該鑄件采用樹脂砂低壓鑄造方式澆注來保證鑄件質(zhì)量,鑄件在壓力下充型及凝固,使鑄件的致密性得到提高,減少鑄件內(nèi)部缺陷。澆注過程分為升液→充型→增壓Ⅰ→結(jié)殼→增壓Ⅱ→保壓,具體參數(shù)見表2。
澆注系統(tǒng)采用底注充型,澆注系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)為直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道。澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道分布如圖4所示。
內(nèi)澆道數(shù)量為20個,大端截面尺寸為50mm×20mm,小端截面尺寸為50mm×12mm,高為40mm;對于熱節(jié)較大的鑄件上部,采用鋁冷鐵激冷,使鑄件形成從上到下的順序凝固,最后凝固的為熱節(jié)最大的橫澆道。
根據(jù)上述缺陷分析,造成鑄件縮松和裂紋的主要原因:①鑄件凝固過程中增壓壓力不足。②鑄件澆注系統(tǒng)中內(nèi)澆道較少,且分布不合理。③熱節(jié)較大部位冷鐵激冷效果不好。
針對上述原因分析,主要采取以下措施來改善鑄造質(zhì)量。
(1)提高結(jié)殼速率,減少結(jié)殼時間,加大增壓Ⅱ過程增壓速率,使鑄件得到充分補(bǔ)縮,防止鑄件在凝固時因補(bǔ)縮不足引起的縮松、裂紋等缺陷。優(yōu)化參數(shù)見表3。
(2)改變鑄件澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道分布,讓內(nèi)澆道位置處于鑄件的熱節(jié)部位和壁厚突變部位,同時增加內(nèi)澆道數(shù)量和尺寸,使單位時間內(nèi)鑄件的進(jìn)鋁量增加,以起到更好的補(bǔ)縮作用。將內(nèi)澆道數(shù)量增加為45個,其中內(nèi)澆口A為37個,大端截面尺寸為60mm×20mm,小端截面尺寸為60mm×12mm。內(nèi)澆道B為8個,大端截面尺寸為120mm×20mm,小端截面尺寸為120mm×12mm,高度均為40mm。如圖5所示。
(3)原鑄件熱節(jié)較大部位和壁厚較厚部位的冷鐵為厚度15mm的鋁合金冷鐵,換成厚度為15mm的鋼質(zhì)冷鐵,激冷效果更好,使鑄件遠(yuǎn)離澆口和不容易補(bǔ)縮的部位先凝固,從而使鑄件整體的凝固符合順序凝固原則。
圖4 澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道示意
圖5 改進(jìn)后澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道示意
圖6 工藝改進(jìn)后鑄件X射線檢測
表2 低壓鑄造澆注工藝參數(shù)
表3 低壓鑄造澆注優(yōu)化工藝參數(shù)
按照優(yōu)化改進(jìn)后的工藝方案生產(chǎn)出的鑄件如圖6所示,外觀質(zhì)量良好。經(jīng)X射線檢測,鑄件本體未見縮松、裂紋等缺陷,鑄件尺寸及內(nèi)部質(zhì)量要求均滿足設(shè)計要求。
通過對該鑄件產(chǎn)生縮松、裂紋等缺陷進(jìn)行分析,在原工藝的基礎(chǔ)上加大了鑄件凝固時鑄件型腔的壓力,增加了單位時間內(nèi)的鋁液進(jìn)入量,使鑄件凝固時得到充分補(bǔ)縮,對鑄件不易補(bǔ)縮部位采取更好的激冷措施,能夠有效地解決鑄件厚大部位和壁厚突變等區(qū)域縮松、裂紋等缺陷,從而可大幅提高鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量。
[1] 李宏英,趙志成. 鑄造工藝設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.
[2] 董秀琦.低壓及差壓鑄造理論與實踐 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.
[3] 郭忠民,陳大勝. 薄壁復(fù)雜鋁合金鑄件低壓鑄造工藝實踐[J].壓鑄,2007,28(7):62-64.
[4] 范金龍,低壓鑄造液面加壓控制[D].長春:吉林大學(xué),20011.
[5] 毛衛(wèi)民,趙新兵. 金屬的再結(jié)晶與晶粒長大[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1994.