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，通過對(duì)桶體類產(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（見表一）;雜質(zhì)允許含量見表二;

鑄件類別：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目莫來砂、16-30目莫來砂為型殼材料，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)象稱為偏析。合金元素會(huì)在熱處理過程中， 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，但從根本上來說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)，并逐漸開始收縮，而如果在收縮過程中有阻礙，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，熱量通過型壁散失掉，所以，鑄件表面是最先開始凝固的。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)力超過了其他材料的強(qiáng)度極限時(shí)，枝晶就會(huì)出現(xiàn)開裂情況。而如果此時(shí)枝晶骨架拉開時(shí)的速度較慢，則被拉開的部門就會(huì)被周圍的液體及時(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)過優(yōu)化的鑄造方式采用縫隙澆道，如圖4所示。縫隙澆道類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)，鑄件本身無缺陷。具體模擬結(jié)果見圖5所示。澆注完成后，通過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)幾乎不可見見圖2（2），整體無裂紋。

四、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)

使用改進(jìn)后的鑄造方案，經(jīng)過現(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)過客戶的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了NDT以及性能檢驗(yàn)的結(jié)果都均合格，滿足了客戶使用要求，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)的問題。

參考文獻(xiàn)：

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[3]范金輝，魏兵，汪鋒.鑄件熱節(jié)系統(tǒng)性研究[J].鑄造技術(shù)，2000（3）：433-439.

[4]趙成志，張賀新.鑄造工藝設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017，5.