聶小武

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412000; 2.中南大學(xué)粉末冶金研究院，湖南長(zhǎng)沙 410083）

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薄壁ZL114A鋁合金錐件的鑄造工藝改進(jìn)

聶小武1,2

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412000; 2.中南大學(xué)粉末冶金研究院，湖南長(zhǎng)沙 410083）

摘要：ZL114A鋁合金材質(zhì)的錐件屬于細(xì)長(zhǎng)型薄壁鑄件，采用熔模鑄造工藝生產(chǎn)。針對(duì)原鑄造工藝方案容易出現(xiàn)縮松和夾渣問(wèn)題，進(jìn)行了工藝改進(jìn)，通過(guò)澆注系統(tǒng)凝固順序模擬及采用真空澆注等措施，找到了一種可行的鑄造工藝方案。生產(chǎn)結(jié)果表明，該工藝方案解決了鑄造中出現(xiàn)的縮松、夾渣缺陷，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的薄壁ZL114A鋁合金錐件。

關(guān)鍵詞：熔模鑄造；縮松；夾渣；解決措施

稿件編號(hào):1508W001

近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)鋁合金精鑄件的需求日益增多，對(duì)鋁合金鑄造性能研究也隨之深入。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金鑄造技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)鑄造技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域。某ZL114A材質(zhì)的錐件采用熔模鑄造工藝生產(chǎn)，該零件屬于細(xì)長(zhǎng)型鑄件。由于該零件的最小壁厚僅1.5 mm，在熔模鑄造時(shí)常出現(xiàn)縮松、夾渣等缺陷，該鑄件因相對(duì)厚大部位的表面縮孔造成的報(bào)廢常常達(dá)到50%以上，由于該零件的尺寸精度及內(nèi)部質(zhì)量要求高，因此出優(yōu)質(zhì)鑄件有一定的難度。結(jié)合多年的鑄造生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及金屬液凝固模擬計(jì)算，對(duì)該零件的鑄造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，最終有效解決了原鑄造工藝的缺陷問(wèn)題，提高了鑄件的合格率。

1 零件的結(jié)構(gòu)及鑄造要求

該錐件零件的三維效果圖如圖1所示，其輪廓尺寸為160 mm×φ40 mm，圓錐角度為15°，鑄造尺寸公差按HB6103-86的CT7級(jí)驗(yàn)收，內(nèi)部缺陷采用X射線100%檢查，按HB5430-89Ⅱ類(lèi)驗(yàn)收。

圖1 錐件零件三維效果圖

2 原鑄造工藝方案及技術(shù)難點(diǎn)

2.1 原鑄造工藝方案

圖2為接頭原鑄造工藝方案，采用熔模鑄造，冒口位于頂部，澆注時(shí)立澆。該方案的優(yōu)點(diǎn)是能確切地保證接頭圓柱凸臺(tái)的內(nèi)部質(zhì)量。但是，多年生產(chǎn)實(shí)踐表明，在圓柱凸臺(tái)部位的上表面容易出現(xiàn)夾渣缺陷而錐件中部則出現(xiàn)縮松問(wèn)題，由此而導(dǎo)致的零件報(bào)廢在30%左右。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)及分析

圓柱凸臺(tái)直徑較大，根據(jù)冒口補(bǔ)縮距離與鑄件壁厚的關(guān)系，冒口的補(bǔ)縮距離明顯不夠，以致造成縮孔縮松缺陷。另外，從原工藝方案和鑄件結(jié)構(gòu)上看，澆注過(guò)程中，金屬液流到圓柱凸臺(tái)上表面時(shí)碰到型殼，攜帶的夾渣由于沒(méi)有通道而無(wú)法上浮到冒口中去，只能附著在表面造成夾渣缺陷。

ZL114A鋁合金材料名稱(chēng)：ZAlSi7Mg1A，可熱處理強(qiáng)化。該合金是在ZL101A的基礎(chǔ)上增加合金元素鎂的含量而發(fā)展的品種，其強(qiáng)度比ZL101A更高，而且具有優(yōu)良的鑄造性能，其耐蝕性和其他工藝性能均與ZL101A相近?；瘜W(xué)成份為（質(zhì)量百分比）：Si 在6.5%～7.5%之間， Mg在0.45%～0.60%之間，Ti在0.10%～0.20%之間，Be含量為0.04%～0.07%(保證力學(xué)時(shí),可不加)，Mn含量≤0.1%(雜質(zhì))。ZL114A的抗拉強(qiáng)度≥290 MPa，伸長(zhǎng)率≥2，硬度≥85 HBS。

圖2 原鑄造工藝方案

圖3 澆注系統(tǒng)凝固的模擬

3 工藝方案改進(jìn)

為提高ZL114A錐件鑄件的品質(zhì)，我們從源頭開(kāi)始對(duì)整套生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改進(jìn)。實(shí)現(xiàn)順序凝固對(duì)高質(zhì)量的鑄件成形有重要的意義[1-3]。首先采用Procast軟件進(jìn)行了金屬液充型模擬。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，錐件下方出現(xiàn)裹氣現(xiàn)象，且鑄件縮頸下方最后凝固必然出現(xiàn)縮松缺陷，如圖3所示。為增強(qiáng)澆注系統(tǒng)的補(bǔ)縮能力，在每一錐件中部設(shè)置了一條截面為4×1（mm）的補(bǔ)縮通道，如圖4所示。充型模擬后發(fā)現(xiàn)凝固順序合理。

圖4 改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)的三維圖

圖5 改進(jìn)后澆注系統(tǒng)凝固的模擬

3.1 熔煉工藝

ZL114合金的熔煉按照工藝規(guī)范進(jìn)行，在普通電阻坩堝爐內(nèi)進(jìn)行，采用六氯乙烷精煉，變質(zhì)后用澆包轉(zhuǎn)移至真空感應(yīng)爐坩堝。

所用設(shè)備為ZGJL0.025-2.5A真空感應(yīng)熔煉爐,其基本參數(shù)如下：額定容量 0.025 t；額定功率100 kW；額定電壓750 V；額定頻率 2 500 Hz；極限真空度 6.67×10-2Pa。這是一種立式非連續(xù)生產(chǎn)類(lèi)型的真空中頻感應(yīng)電爐，每熔鑄一爐必須破真空，處理鋁合金時(shí)，使用石墨坩堝，最大容量約為8 kg。電阻爐內(nèi)熔煉溫度控制在750 ℃以下，避免合金液中產(chǎn)生更多的氫和氧化夾雜。

3.2 模殼準(zhǔn)備

為了防止在真空爐內(nèi)澆注時(shí)跑火，用于真空爐澆注的模殼在普通模殼的基礎(chǔ)上再涂掛一層料漿。由于真空下模殼內(nèi)空氣阻力大為減小，合金充型能力強(qiáng)，故一般情況下澆注前模殼預(yù)熱150～200 ℃即可，以便操作工人在真空罐內(nèi)調(diào)整澆注位置。

3.3 真空除氣

鋁合金液轉(zhuǎn)移至真空爐坩堝內(nèi)后關(guān)閉真空罐罐蓋，開(kāi)啟旋片式真空泵抽真空。由于ZGJL0.025-2.5A真空爐坩堝容量小，每次澆注一組模殼所需鋁合金總質(zhì)量也少（約需4 kg），加之電阻爐距真空爐較遠(yuǎn)，合金液用澆包轉(zhuǎn)移至真空爐坩堝后降溫幅度大，來(lái)不及真空處理溫度已降至澆注溫度以下，故需重新在真空爐內(nèi)加熱。當(dāng)真空表指針接近-0.1 MPa時(shí)開(kāi)始給坩堝送電加熱合金液，使合金液溫度高于澆注溫度，然后停電，將合金液在真空下靜置一段時(shí)間降至澆注溫度進(jìn)行澆注。真空處理過(guò)程中對(duì)除氣起決定性作用的階段是靜置階段，靜置降溫過(guò)程中，鋁液中的氫因溫度下降引起溶解度下降，在真空下從鋁液中呈氣泡排出從而使鑄件針孔度降低。

如果沒(méi)有靜置過(guò)程，將鋁液加熱后即可澆注、破真空，由于溫度升高使氫的溶解度增加對(duì)真空處理起相反的作用，而真空下去氣反應(yīng)只限于表面層，鋁液深部的溶解氫要向表面擴(kuò)散，時(shí)間需要很長(zhǎng)，因此在有限的加熱時(shí)間內(nèi)真空處理作用不明顯?；蛘咧皇窃跐沧⑼戤吅罄^續(xù)保持一段時(shí)間真空也不會(huì)起到除氣作用，因?yàn)檫@時(shí)鋁液已開(kāi)始凝固了。

3.4 真空澆注

真空下澆注能有效消除因澆注不當(dāng)?shù)仍阼T件表面和內(nèi)部產(chǎn)生的氣孔。對(duì)錐件進(jìn)行了真空澆注的生產(chǎn)，結(jié)果完全消除了表面氣孔缺陷。在真空下澆注可以采取比大氣下更低的澆注溫度，有利于減輕因澆注溫度過(guò)高而引起的縮孔（松）等缺陷。澆注完后應(yīng)立即破真空，使合金在大氣下結(jié)晶，盡量使鑄件組織致密。

4 結(jié)論

（1）ZL114A鑄件易出現(xiàn)縮孔、夾渣等缺陷，通過(guò)熔煉工藝、澆注工藝、澆注系統(tǒng)等的改進(jìn)，可以解決這些缺陷問(wèn)題。

（2）采用改進(jìn)后的工藝方案生產(chǎn)薄壁錐件零件后，消除了鑄件內(nèi)部的縮孔缺陷以及表面的夾渣缺陷，最終零件質(zhì)量穩(wěn)定。

（3）借助鑄造工藝模擬軟件能有效模擬金屬液凝固的順序，從而為改進(jìn)澆注系統(tǒng)提供思路。

參考文獻(xiàn)

[1] 聶小武，魯世強(qiáng)，王克魯. 運(yùn)用均衡凝固理論設(shè)計(jì)連桿的鑄造工藝方案[J].鑄造，2007，56（10）：1121- 1122.

[2] 聶小武，高英勇. 沉淀硬化不銹鋼接頭的鑄造工藝改進(jìn)[J]. 鑄造，2014，63（12）：1302- 1304.

[3] 聶小武.真空處理在ZL101精鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù) , 2011(3).

Casting technology improvement for thin-wall ZL114A cone

NIE XiaoWu
(1.Hunan Vocational College of Railway Technology, Zhuzhou 412000, Hunan,China; 2. Central South University, Changsha 410083, Hunan,China )

Abstract:The ZL114A cone casting is a long and slim casting product by investment casting. For the original casting process is prone to shrinkage and slag problems, it fi nds a feasible solution casting technology to make the technological improvements, such as by solidifi cation simulation of the gate system and pouring under vacuum and so on. Production results show that the solution to the casting process occurring without shrinkage, slag defects, is effective to obtain high-quality thin-wall ZL114A castings.

Keywords:investment casting; shrinkage; slag; solutions

中圖分類(lèi)號(hào)：TG249.5；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

文章編號(hào):1006-9658（2016）02-0017-03

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.02.005

基金項(xiàng)目：湖南省高?？蒲许?xiàng)目(12C1142);國(guó)家自然科學(xué)基金(51304247)

收稿日期:2015- 08- 02

作者簡(jiǎn)介：聶小武（1979—），男，博士研究生，主要從事鑄造工藝研究.