梁祎迪，劉岐治，郝長順，盧德寶，郝 陽，姜 麗，趙娜娜，李勝君

（1.遼寧沿海精密裝備有限公司，遼寧營口 115009；2.新程（營口）精密設(shè)備有限公司，遼寧營口 115009；3.新泰（遼寧）航天精鑄有限公司，遼寧營口115009）

0 引言

鋁合金鑄件因其良好的綜合力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于鐵路、軍工、航空航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域，鋁合金鑄造后具有低密度、高強(qiáng)度系數(shù)和硬度的特性成為實(shí)現(xiàn)輕量型結(jié)構(gòu)薄壁件最適宜的材料之一。然而，薄壁鑄件在制造過程中會產(chǎn)生一系列問題，過快的冷卻速度會降低熔融金屬的流動性，這使得薄壁件的模具空腔完全填充之前金屬過早凝固，導(dǎo)致鑄件不完全填充或氣孔的產(chǎn)生[1]。本文選定一件應(yīng)用于磁懸浮列車的輕量型鋁合金薄壁件，分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及產(chǎn)品質(zhì)量性能要求，針對具體問題提出有效的解決措施，探究高效合理的鑄造工藝方案。

1 鑄造尺寸及性能要求

零件外輪廓尺寸1000mm×254mm×208mm，均勻壁厚6mm，如圖1 所示。鑄件內(nèi)部質(zhì)量根據(jù)ASTM E155 標(biāo)準(zhǔn)對針孔等鑄造缺陷進(jìn)行X 光射線檢查，內(nèi)部缺陷等級限度為≤1 級。鑄件表面不允許有冷隔、裂紋、縮孔和穿透性缺陷和嚴(yán)重的缺陷，表面粗糙度要求為Ra25；材質(zhì)為ZL101A，T6處理，機(jī)械性能要求為抗拉強(qiáng)度≥275MPa，屈服強(qiáng)度≥190MPa，延伸率≥2%，硬度HB≥80。

圖1 磁懸浮鋁合金薄壁件

2 鑄造工藝方案

2.1 鑄造方法的選擇

鑄件壁厚較薄，金屬液流動阻力大，充型困難，對于均勻壁厚的薄壁件，金屬液在型腔中上下溫差小，無法建立起有效的溫度梯度，不易實(shí)現(xiàn)順序凝固。低壓鑄造的特點(diǎn)是通過可控的充型壓力和充型時間實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)充型，鑄件成形性好，有利于形成輪廓清晰、表面光潔的鑄件，對于大型薄壁鑄件的成型更為有利[2]。考慮零件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為確保鋁液凝固前有足夠的補(bǔ)縮時間，因此，選擇砂型低壓鑄造。澆口設(shè)計(jì)為縫隙澆道，通過邊冒口補(bǔ)縮，使用冷鐵對有加工余量的較厚位置進(jìn)行激冷，實(shí)現(xiàn)局部的順序凝固從而實(shí)現(xiàn)整體的同時凝固。圖2 所示為鑄件工藝方案。

圖2 鑄造工藝

2.2 鑄造工藝方案數(shù)值模擬分析

最終模擬結(jié)果如圖3 所示。由充型模擬結(jié)果可見，金屬液經(jīng)縫隙澆道平穩(wěn)進(jìn)入型腔，未發(fā)現(xiàn)渦流卷氣現(xiàn)象。由凝固模擬結(jié)果可觀測到，鑄件的凝固次序比較理想，鑄件上遠(yuǎn)離縫隙澆道和冒口之間的部分最先凝固，并且鑄件上下部基本同時凝固；鑄件各縫隙澆道附近區(qū)域凝固遲于縫隙澆道中間部分，縫隙澆道遲于鑄件本體凝固，冒口和下部橫澆道凝固又遲于縫隙澆道。鑄件整體溫度分布和補(bǔ)縮次序基本合理，處于較好的整體同時凝固、局部順序凝固狀態(tài)。

圖3 充型模擬

2.3 生產(chǎn)驗(yàn)證

生產(chǎn)首件驗(yàn)證，X 射線探傷檢查發(fā)現(xiàn)鑄件出現(xiàn)夾渣和澆不足問題，分析其產(chǎn)生的主要影響因素并提出解決措施如下。

夾渣為均勻擴(kuò)散分布，分析其主要原因?yàn)殇X液質(zhì)量不合格，首先控制回爐料的使用量，一般標(biāo)準(zhǔn)不超過30%；其次是對鋁液進(jìn)行除氣除渣精煉處理，完成后及時進(jìn)行光譜分析和密度檢測，檢測合格后要在短時間內(nèi)使用鋁液，防止長時間放置后鋁液質(zhì)量下降，通常實(shí)際生產(chǎn)中要求不超過1h。澆不足缺陷由溫度低導(dǎo)致，保證鋁液質(zhì)量的情況下，盡量提高鋁液的澆注溫度，本文論述的薄壁鑄件澆注溫度范圍725～735℃。

圖4 凝固模擬

經(jīng)調(diào)整后，小批量驗(yàn)證，有鑄造缺陷位置已合格，如圖5 所示。

圖5 X 射線探傷檢測

3 結(jié)論

根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)和性能特性設(shè)計(jì)高效合理的工藝，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬證明工藝可行，針對生產(chǎn)試制產(chǎn)品出現(xiàn)的鑄造缺陷，分析其產(chǎn)生的原因并采取相應(yīng)控制措施，最終零件交付合格。采用低壓鑄造方法通過在凝固過程中增壓使得金屬液達(dá)到良好的補(bǔ)縮效果，有效避免薄壁鑄件出現(xiàn)縮孔、疏松、氣孔、縮松等缺陷，同時獲得更好的組織致密度，內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定性更高。圖6 為成品件，鑄件合格率達(dá)98%以上，幾乎無任何鑄造缺陷，滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

圖6 零件實(shí)物