周凱 烏南 劉昭楨
摘 ?要:本文針對(duì)于壁厚不均勻、鑄造難度大的桶體鑄造工藝進(jìn)行研究,主要介紹了桶體鑄件的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求,通過(guò)對(duì)桶體類(lèi)產(chǎn)品的偏析現(xiàn)象及鑄造裂紋進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并利用模擬軟件分析研究出相應(yīng)的優(yōu)化措施,使得桶體鑄造工藝得到了優(yōu)化。
關(guān)鍵詞:鋁銅合金;鑄造;工藝優(yōu)化
鑄造工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是保證材質(zhì)的致密性,保證鑄件整體無(wú)偏析和裂紋。該件最初工藝方案是利用三層聯(lián)合注入式澆注系統(tǒng),但鑄件的偏析現(xiàn)象和鑄造裂紋現(xiàn)象一直困擾著鑄件人員。由于鋁銅合金密度大,鑄造性能差,其中只有少量的共晶體,有熱裂和疏松傾向,耐蝕性較差。合金準(zhǔn)固相區(qū)比較寬,而準(zhǔn)固相區(qū)寬的合金補(bǔ)充能力小,枝晶發(fā)達(dá),合金液停止流動(dòng)的早,流動(dòng)性較差,收縮應(yīng)力大,容易產(chǎn)生鑄造裂紋,因此,本文立足于桶體的工藝,提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。
一、產(chǎn)品信息
鑄件材質(zhì):ZL208(ZAlCu5Ni2CoZr),按照HB962-2001執(zhí)行(見(jiàn)表一);雜質(zhì)允許含量見(jiàn)表二;
鑄件類(lèi)別:HB963-2005-Ⅱ。
鑄件尺寸、形狀:按照鑄件圖規(guī)定,未注尺寸公差按照HB6103-2004 CT6級(jí)執(zhí)行,未注鑄造圓角R1~R5;
鑄件力學(xué)性能:屈服強(qiáng)度≥210MPa;硬度HB85-110;
鑄件輪廓:φ350(外徑)*250mm,蒙皮壁厚6mm。端環(huán)厚度17mm;
鑄件重量:6.8kg;
該產(chǎn)品屬于典型的不均勻壁桶體類(lèi)鑄件,鑄件要求使用熒光、X光檢測(cè),并且要求在0.6MPa下進(jìn)行滲漏試驗(yàn),保壓15分鐘,不得有滲漏。
二、原鑄造工藝缺陷
(一)原工藝方案
原方案采用聯(lián)合注入式澆注系統(tǒng),如圖1所示,設(shè)計(jì)專(zhuān)用冒口頸、內(nèi)澆口,內(nèi)澆口置于外缸壁與連接壁熱節(jié)處及厚大部位,沿周均勻放置6個(gè)保溫冒口。采用100-120目鋯英砂、30-60目莫來(lái)砂、16-30目莫來(lái)砂為型殼材料,硅溶膠為粘接劑,模殼厚度約6mm。采用熔模鑄造聯(lián)合注入式澆注系統(tǒng),澆注溫度約730度,模殼預(yù)熱溫度650度。并在直澆道底部使用陶瓷過(guò)濾網(wǎng)凈化鋁液。澆注前、后對(duì)內(nèi)腔及散熱困難部位進(jìn)行風(fēng)冷調(diào)溫。
澆注后經(jīng)X光檢測(cè),發(fā)現(xiàn)鑄件整體有比較嚴(yán)重的偏析現(xiàn)象(嚴(yán)重部位可出現(xiàn)白裂紋狀)見(jiàn)圖2(1)及鑄造裂紋(多集中在外部凸臺(tái)與桶身交界位置)見(jiàn)圖3。致使鑄件報(bào)廢。
(二)缺陷分析
2.2.1 偏析現(xiàn)象
合金中各組成元素在結(jié)晶時(shí)分布不均勻的現(xiàn)象稱(chēng)為偏析。合金元素會(huì)在熱處理過(guò)程中, 影響形核與長(zhǎng)大,因此合金元素的偏析會(huì)造成局部晶粒的不均勻,在隨后的冷卻過(guò)程中,會(huì)使材料發(fā)生局部變化,最終使材料性能不均[1]。X光顯像下的偏析現(xiàn)象如圖二所示。
2.2.2 鑄造裂紋
形成鑄造裂紋的因素眾多,但從根本上來(lái)說(shuō)都是由于鑄件的凝固方式和凝固時(shí)鑄件的熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力所引起的。當(dāng)鑄件在凝固后期時(shí),實(shí)際上已經(jīng)形成了較為完整的骨架結(jié)構(gòu),并逐漸開(kāi)始收縮,而如果在收縮過(guò)程中有阻礙,就會(huì)導(dǎo)致逐漸形成裂紋。由于這種裂紋是基于高溫下形成的,因此也被稱(chēng)為“熱裂紋”[2]。熱裂紋是當(dāng)前鑄剛件、可鍛造鐵件以及一些輕合金鑄件中最為常見(jiàn)的一種缺陷之一。
當(dāng)把金屬液體倒進(jìn)鑄型模具后,熱量通過(guò)型壁散失掉,所以,鑄件表面是最先開(kāi)始凝固的。而當(dāng)處于凝固后期時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量的枝晶,并且這些枝晶會(huì)進(jìn)行搭接形成一個(gè)完整的骨架,于是開(kāi)始出現(xiàn)固態(tài)收縮。但在這個(gè)時(shí)間段中,枝晶間還存在一種未完全凝固的液體金屬薄膜,而如果此時(shí)逐漸收縮沒(méi)有受到其他因素的阻礙,則枝晶之間可以實(shí)現(xiàn)自由收縮,不受其他力的影響。而如果在枝晶骨架收縮過(guò)程中受到了某些因素的影響,不能實(shí)現(xiàn)自由收縮時(shí),當(dāng)此時(shí)的拉力應(yīng)力超過(guò)了其他材料的強(qiáng)度極限時(shí),枝晶就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂情況。而如果此時(shí)枝晶骨架拉開(kāi)時(shí)的速度較慢,則被拉開(kāi)的部門(mén)就會(huì)被周?chē)囊后w及時(shí)補(bǔ)充上,那么鑄件就不會(huì)產(chǎn)生裂紋;而相反,如果裂紋處無(wú)法得到金屬液體的補(bǔ)充,則鑄件上就會(huì)產(chǎn)生熱裂紋[3]。鑄造裂紋如圖3所示。
三、工藝優(yōu)化
(一)采用縫隙澆道[4]
經(jīng)過(guò)優(yōu)化的鑄造方式采用縫隙澆道,如圖4所示??p隙澆道類(lèi)似于階梯式澆注系統(tǒng),充型平穩(wěn),利于排氣,利于渣、氣和夾雜物上浮,符合順序凝固,利于補(bǔ)縮。通過(guò)對(duì)外側(cè)的吹風(fēng)及降低模殼預(yù)熱溫度,可加快順序凝固的趨勢(shì)。過(guò)濾網(wǎng)不僅可以將金屬液中的雜質(zhì)擋在主澆道內(nèi),還能使金屬液進(jìn)入型腔時(shí)充型平穩(wěn),避免紊流。詳細(xì)數(shù)據(jù)如下:
澆注系統(tǒng)各參數(shù)確定:
縫隙寬度a:根據(jù)公式a=(1~1.5)δ,δ為縫隙澆道對(duì)應(yīng)的鑄件厚度,綜合考慮a定為7;
縫隙澆道內(nèi)澆道截面(集渣筒):根據(jù)公式b=(4~6)a,綜合考慮b定為30×35mm;
縫隙數(shù)量:根據(jù)公式n≈0.024P/a,P為鑄件外圓周長(zhǎng),得n≈3.8,但考慮到ZL208流動(dòng)性差,補(bǔ)縮距離短,綜合考慮n定為6。
澆注工藝參數(shù):澆注溫度:730度;模殼預(yù)熱溫度:550度;模殼厚度約:6mm。
通過(guò)鑄造模擬軟件對(duì)桶體縫隙澆道鑄造工藝進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果表明,鑄造缺陷均集中在冒口及澆注系統(tǒng)內(nèi),鑄件本身無(wú)缺陷。具體模擬結(jié)果見(jiàn)圖5所示。澆注完成后,通過(guò)X光檢測(cè),發(fā)現(xiàn)鑄件整體上的偏析在X光底片上已經(jīng)幾乎不可見(jiàn)見(jiàn)圖2(2),整體無(wú)裂紋。
四、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)
使用改進(jìn)后的鑄造方案,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)論證后的桶體質(zhì)量,質(zhì)量得到了明顯的改進(jìn),偏析現(xiàn)象和鑄造裂紋現(xiàn)象都得到了較好的解決。首批生產(chǎn)的20件桶體,經(jīng)過(guò)客戶(hù)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了NDT以及性能檢驗(yàn)的結(jié)果都均合格,滿(mǎn)足了客戶(hù)使用要求,提升了企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。
總結(jié):本文立足于桶體鑄造工藝的優(yōu)化,針對(duì)于ZL208(ZAlCu5Ni2CoZr)在鑄造過(guò)程中底注式澆注系統(tǒng)中出現(xiàn)的偏析現(xiàn)象和鑄造裂紋現(xiàn)象的原因,有針對(duì)性的提出了優(yōu)化措施,提出了新鑄造工藝:縫隙澆道方式,有效解決了原鑄造工藝中出現(xiàn)的問(wèn)題。
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