紡機(jī)張力架壓鑄合金與壓鑄工藝研究

武志剛，武振華，李旭貞

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西太谷030800）

針對紡機(jī)張力架壓鑄工藝特點(diǎn)分析了零件結(jié)構(gòu)、材料存在的問題，并通過不同合金材料的配制試驗(yàn)、工藝性的驗(yàn)證，以及張力架產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、壓鑄工藝、模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)等措施，確定了一種適合張力架使用性能要求與壓鑄工藝性能要求的合金替代材料，大批量生產(chǎn)出了完全滿足紡機(jī)功能要求的產(chǎn)品，最終達(dá)到使綜合制造成本大幅降低目的。

張力架；結(jié)構(gòu)；材料；改進(jìn)

張力架是細(xì)紗機(jī)上一個零件，該零件材料為鋅合金ZZnAl4-1，零件單重0.105 kg，短車單臺480件，屬于大批量生產(chǎn)零件，工藝方法是采用壓力鑄造，產(chǎn)品具體尺寸如圖1所示。由于有色金屬合金錠二次配制因素及工藝方法的影響，鋅合金張力架零件成本一直較高，產(chǎn)品優(yōu)勢不明顯，企業(yè)面臨巨大的市場競爭壓力。因此，改進(jìn)產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)，研究替代新型合金材料，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1試驗(yàn)研究方法及步驟

1.1合金化學(xué)成分的選擇

根據(jù)國內(nèi)外的研究狀況，結(jié)合企業(yè)自身工藝條件選擇試驗(yàn)合金材料的化學(xué)成分，如表1所示。

1.2試驗(yàn)用的材料及儀器設(shè)備

1.2.1試驗(yàn)材料

包括純鋅、純鋁、純鎂、電解銅、YL112合金錠、精煉劑、坩堝涂料。1.2.2試驗(yàn)設(shè)備及裝置

圖1張力架原零件簡圖

表1試驗(yàn)合金材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

包括燃?xì)馊刍癄t，保溫爐、光譜分析儀，XMX-1310型數(shù)字溫度計(jì)，冷室J1116型壓鑄機(jī)，沖床。

1.2.3試驗(yàn)工具與注意事項(xiàng)

工具包括耐熱鑄鐵坩堝，撇渣勺，取樣勺，鐘罩，舀鋁水包，舀鋁勺，清爐渣鏟，抬包，夾料鉗，攪拌棒，回爐錠鐵模，要求如下：

1）所用鑄鐵坩堝應(yīng)當(dāng)質(zhì)量良好，不得有裂紋、冷隔、縮松和渣孔等缺陷。

2）新的坩堝在使用前經(jīng)噴砂處理干凈，仔細(xì)檢查有無穿透性缺陷，在熔化爐中預(yù)熱至200℃～300℃，噴刷坩堝涂料1 mm～1.5 mm，然后加熱到暗紅色才可投料。

3）所有與合金液接觸的工具必須進(jìn)行清理，去除表面的鐵銹殘余熔劑，并預(yù)熱到150℃～200℃，噴刷涂料厚0.5 mm～1 mm，然后在300℃～500℃下充分干燥方可使用。

4）回爐錠鐵模在使用前預(yù)熱到150℃，然后刷上坩堝涂料，烘干備用。

5）有色金屬爐料均需經(jīng)過檢測，化學(xué)成分必須準(zhǔn)確無誤，在熔化裝爐前所有爐料都必須根據(jù)表面狀況進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜ビ偷葍艋幚怼?/p>

1.3試驗(yàn)合金的準(zhǔn)備

1.3.1Al-Cu-Mg中間合金的準(zhǔn)備

首先配制Al-Cu-Mg中間合金。坩堝預(yù)熱至300℃左右，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的稱量好的鋁錠熔化過熱到800℃～850℃，分批加入預(yù)熱后的電解銅，每加一批都要充分?jǐn)嚢?，熔化后再加入余下的鋁錠，然后加入塊狀純鎂，充分?jǐn)嚢杈鶆?。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的氯化鋅，用鐘罩壓入合金液中，并做緩慢水平移動5 min～7 min，扒渣澆錠。同時(shí)送樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，合格后備用。

1.3.2ZZnAl4-1試驗(yàn)合金的準(zhǔn)備

將準(zhǔn)備好的新坩堝加熱至暗紅色后，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%的純鋅錠，熔化至600℃，按照表1中Al和Cu元素的比例成分要求加入計(jì)算好的Al-Cu-Mg中間合金，充分?jǐn)嚢杈鶆?，把剩余的爐料分批加入，并適當(dāng)控制不要使合金過熱。用鐘罩壓入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%的干燥氯化鋅，除氣精煉，這時(shí)合金液溫度不超過450℃，充分?jǐn)嚢韬?，使合金靜置5 min～7 min，扒除渣物。澆樣送驗(yàn)進(jìn)行化學(xué)成分的測試分析，合格以后澆注成合金錠備用。

1.3.3ZA14試驗(yàn)合金的準(zhǔn)備

將準(zhǔn)備好的新坩堝加熱至暗紅色后，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%的純鋅錠，熔化至600℃，按照表1中ZA14合金Al和Cu元素的比例成分要求加入計(jì)算好的Al-Cu-Mg中間合金，充分?jǐn)嚢杈鶆?，把剩余的爐料分批加入，并適當(dāng)控制不要使合金過熱。用鐘罩壓入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%的干燥氯化鋅，除氣精煉，這時(shí)合金液溫度不超過450℃，充分?jǐn)嚢韬?，使合金靜置5min～7 min，扒除渣物。澆樣送驗(yàn)進(jìn)行化學(xué)成分的測試分析，合格以后澆注成合金錠備用。

圖2試樣模具

1.3.4ZA30試驗(yàn)合金的準(zhǔn)備

將準(zhǔn)備好的新坩堝加熱至暗紅色后，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的純鋅錠，熔化至600℃，按照表1中ZA30合金Al和Cu元素的比例成分要求加入計(jì)算好的Al-Cu-Mg中間合金，充分?jǐn)嚢杈鶆颍咽Ｓ嗟臓t料分批加入，并適當(dāng)控制不要使合金過熱。用鐘罩壓入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%的干燥氯化鋅，除氣精煉，這時(shí)合金液溫度不超過450℃，充分?jǐn)嚢韬螅购辖痨o置5 min～7 min，扒除渣物。澆樣送驗(yàn)進(jìn)行化學(xué)成分的測試分析，合格以后澆注成合金錠備用。

1.3.5 YL112壓鑄鋁合金的準(zhǔn)備

選擇云海金屬公司的YL112牌號鋁合金錠。

1.3.6試樣模具的準(zhǔn)備

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13822-92《壓鑄有色合金試樣》試樣制造了專用壓鑄試樣模具，如圖2所示。

2合金機(jī)械性能研究

2.1機(jī)械性能測試

對ZZnAl4-1、ZA14、ZA30、Y112合金壓鑄A型拉力試樣、B型拉力試樣和沖擊韌性試樣各3個，進(jìn)行機(jī)械性能測試。分別用液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)、硬度儀測定抗拉強(qiáng)度、伸長率及硬度。具體力學(xué)性能平均數(shù)據(jù)見表2.

表2試樣合金的力學(xué)性能

由表2中試驗(yàn)合金的力學(xué)性能看到：隨著Al含量的增加，合金的硬度、抗拉強(qiáng)度逐漸增加，而延伸率總體呈現(xiàn)下降趨勢。從力學(xué)性能看，ZA14、ZA30、Y112優(yōu)于ZZnAl4-1.

2.2結(jié)果分析

以往人們認(rèn)為，鋅合金的Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在3.5%～4.5%范圍內(nèi)，隨著含鋁量的增加，合金的強(qiáng)度及沖擊韌性均顯著提高。但是當(dāng)Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%時(shí)，合金會變脆，力學(xué)性能下降，而且容易發(fā)生晶間腐蝕。

根據(jù)本試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)Al含量進(jìn)一步提高時(shí)，合金的強(qiáng)度仍然可以提高，但是塑性和沖擊韌性將會下降。Al主要以鋁基固溶體的形式形成枝晶和共晶體，冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)楣参鲶w；少量的Al會固溶于鋅中。而Cu固溶于合金液體中，主要會形成富銅ε相（CuZn4）。雖然Zn-Al合金易發(fā)生晶間腐蝕，但因?yàn)橛蠧u的存在，抗晶間腐蝕的能力明顯增強(qiáng)，同時(shí)Cu具有細(xì)化晶粒，提高合金強(qiáng)度的作用。另外，由于含Cu的Zn合金中也加入了少量的Mg，主要固溶于Zn中，有時(shí)形成金屬間化合物，Mg的存在可以減少合金的晶間腐蝕，并能細(xì)化晶粒，提高合金的強(qiáng)度、硬度，顯著降低塑性、韌性。

綜上所述，Al、Cu、Mg元素在鋅合金中只要有合理的配比，元素之間將互相影響、互相作用，可達(dá)到或滿足鑄件產(chǎn)品的性能和用途。

3各類合金張力架零件壓鑄工藝及性能的研究

3.1壓鑄工藝參數(shù)

ZZnAl4-1合金工藝澆注溫度400℃～430℃，壓鑄比壓≥10 MPa，模具預(yù)熱溫度150℃左右，開模時(shí)間5 s～8 s，壓室直徑φ40 mm，使用J1116型壓鑄機(jī)，使用水基脫模劑噴涂。

ZA14合金工藝澆注溫度460℃～530℃，壓鑄比壓≥10 MPa，模具預(yù)熱溫度150℃左右，開模時(shí)間5 s～8 s，壓室直徑φ40 mm，使用J1116型壓鑄機(jī)，使用水基脫模劑噴涂。

ZA30合金工藝澆注溫度520℃～580℃，壓鑄比壓≥10 MPa，模具預(yù)熱溫度150℃左右，開模時(shí)間5 s～8 s，壓室直徑φ40 mm，使用J1116型壓鑄機(jī)，使用水基脫模劑噴涂。

Y112合金工藝澆注溫度660℃～690℃，壓鑄比壓≥10 MPa，模具預(yù)熱溫度150℃左右，開模時(shí)間5 s～10 s，壓室直徑φ40 mm，使用J1116型壓鑄機(jī)，使用水基脫模劑噴涂。

3.2張力架零件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

公司原來的張力架零件，整體壁厚不均勻，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。根據(jù)張力架零件用功能要求，在分析工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，在局部厚大處增加27 mm×10 mm漏空，保證使毛坯壓鑄件的結(jié)構(gòu)厚度更加均勻，同時(shí)減小了熱節(jié)，生產(chǎn)工藝性更合理。產(chǎn)品改進(jìn)后實(shí)物如圖3所示。

3.3張力架壓鑄模具的工藝設(shè)計(jì)及改進(jìn)

原來張力架模具的工藝設(shè)計(jì)橫澆道截面積和內(nèi)澆道截面積較小，而且由于ZA14合金和ZA30合金及Y112合金的澆注溫度高于ZZnAl4-1合金的溫度，金屬液的流動性受到局限，加之工廠壓鑄設(shè)備的工藝參數(shù)調(diào)整有一定的范圍，將造成張力架零件的充型困難，排氣條件和效果較差。同時(shí)，產(chǎn)生冷隔、氣泡等缺陷。

圖3產(chǎn)品改進(jìn)后實(shí)物

根據(jù)先前的張力架零件壓鑄工藝，對張力架模具設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，橫澆道由12 mm×4 mm改大為13 mm×5 mm，內(nèi)澆道由12 mm×1 mm改進(jìn)為20 mm ×1.2 mm，排氣道深度由0.12 mm加大至0.15 mm，寬度由10 mm加大至12 mm.為了保證壓射壓室的同心度，設(shè)計(jì)了整體澆口套，可以保證壓鑄工藝的穩(wěn)定和鑄件的合格率。壓鑄模裝配圖如圖4所示。3.4ZZnAl4-1合金張力架零件的生產(chǎn)試驗(yàn)

按照該合金的壓鑄工藝要求，安裝壓鑄模，進(jìn)行調(diào)試。烘烤模具對模具進(jìn)行預(yù)熱，組織批量生產(chǎn)。因?yàn)樵摵辖饓鸿T工藝是原來的成熟工藝，產(chǎn)品零件的外觀和內(nèi)在質(zhì)量較好，能夠滿足紡機(jī)細(xì)紗機(jī)的性能要求。由于ZZnAl4-1屬于傳統(tǒng)的鋅合金，具有良好的鑄造性能，在壓鑄生產(chǎn)中被廣泛的應(yīng)用。其熔點(diǎn)比較低（380℃～410℃），合金熔化和保溫方便，模具的使用壽命長。和鐵的親和力小，不易粘附模具。鑄造的工藝性好，可以壓鑄生產(chǎn)比較復(fù)雜的薄壁鑄件。但也存在一些弱點(diǎn)，如比重較大，抗蝕性差，容易產(chǎn)生晶間腐蝕，進(jìn)而發(fā)生老化，而且鋅對有害雜質(zhì)的作用極為敏感，為了確保鑄件質(zhì)量，必須采用純度高的原材料進(jìn)行熔制，并對合金嚴(yán)格進(jìn)行管理。

3.5ZA14、ZA30、Y112合金張力架零件的批量生產(chǎn)試驗(yàn)

圖4張力架壓鑄模裝配圖

組織不同壓鑄操作人員按照壓鑄工藝要求進(jìn)行試驗(yàn)生產(chǎn)，安裝使用同一套壓鑄模，進(jìn)行調(diào)試。烘烤模具對模具進(jìn)行預(yù)熱，組織批量生產(chǎn)。從操作現(xiàn)場的零件看，ZA30張力架零件壓鑄成型困難，比較ZZnAl4-1合金工藝，廢品率非常高，有熱裂，氣孔等缺陷。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，廢品率在50%左右。因此ZA30合金對于該工藝條件（類似于ZZnAl4-1合金工藝）來說，鑄造工藝性能比較差，不適合該工藝條件的壓鑄批量生產(chǎn)。

隨著Al含量的逐漸增加，在鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%以上時(shí)，ZA30合金偏析嚴(yán)重，壓鑄工藝性能降低，而且，該合金的偏析傾向隨著凝固溫度范圍的增大而增大。ZA30合金液的流動性比較ZZnAl4-1也有所降低。該合金試驗(yàn)沒有達(dá)到預(yù)期的效果。

按照ZA14合金的壓鑄工藝要求進(jìn)行調(diào)試，組織安排三班批量生產(chǎn)，張力架零件壓鑄成型良好，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，成品率在93%左右，完全能夠滿足生產(chǎn)的需要。

按照Y112合金的壓鑄工藝要求進(jìn)行調(diào)試，組織批量生產(chǎn)，張力架零件壓鑄成型良好，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，成品率在95%左右，完全能夠滿足生產(chǎn)的需要。因此Y112、ZA14合金鑄造工藝性能優(yōu)良，非常適合該工藝條件的壓鑄批量生產(chǎn)。

隨著Al含量的逐漸增加，在含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到14%左右時(shí)，ZA14合金壓鑄工藝性能比較優(yōu)良，而且，該ZA14合金的凝固溫度范圍比較ZZnAl4-1合金雖然有所增大，流動性有所下降，但是不影響壓鑄工藝性能。Zn-Al合金的流動性和凝固溫度范圍與含鋁量的關(guān)系見圖5.而Y112合金屬于Al-Si系合金，流動性比較優(yōu)良，在同樣壓鑄機(jī)、同樣的工藝試驗(yàn)條件下，壓射速度雖然是一定的，張力架零件的直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道的參數(shù)、內(nèi)澆口的速度，完全滿足并適合于壓鑄成型。該合金試驗(yàn)取得初步的預(yù)期效果。

3.6小結(jié)

三種合金在同樣的工藝試驗(yàn)條件下，壓鑄工藝性能不同，Y112、ZA14合金（Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)在14%時(shí)）鑄造工藝性能較好，ZA30合金（Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%時(shí)）鑄造工藝性能比較差。

4張力架部件組裝、上機(jī)成臺驗(yàn)證及經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1張力架部件的組裝

根據(jù)圖紙的要求，對張力架部件進(jìn)行了組裝，組裝上彈簧和銷軸，做好上機(jī)試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作。Y112合金材料的張力架與原來合金裝配要求一樣，滿足上機(jī)前的性能要求。

圖5Zn-Al合金的流動性和凝固溫度范圍與含鋁量的關(guān)系

4.2部件上機(jī)成臺批量紡紗性能的驗(yàn)證

根據(jù)上述試驗(yàn)的情況，由于Y112合金材料性能價(jià)格比優(yōu)于ZA14合金材料。為了便于整機(jī)上機(jī)的試驗(yàn)要求，按照張力架工藝試驗(yàn)研究項(xiàng)目要求，工廠組織生產(chǎn)了Y112合金張力架零件8 000件，相當(dāng)于15臺細(xì)紗機(jī)的需求量（每臺細(xì)紗機(jī)張力架零件480件）。經(jīng)過壓鑄生產(chǎn)、沖床清理、拋光、機(jī)械加工、震動光飾、部件組裝等工序。然后組織整機(jī)上機(jī)的安裝調(diào)試，做好上機(jī)試驗(yàn)以及紡紗廠用戶使用的記錄，同時(shí)，跟蹤了解調(diào)查組裝張力架部件在細(xì)紗機(jī)整機(jī)上的使用情況，用戶紡紗廠沒有任何關(guān)于該部件不良反饋記錄，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4.3結(jié)構(gòu)、材料改進(jìn)的效果

通過對張力架產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，壓鑄工藝、模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)等措施，確定了一種適合張力架零件的合金替代材料。經(jīng)過工藝驗(yàn)證后投入大批量生產(chǎn)制造，零件完全滿足細(xì)紗機(jī)產(chǎn)品功能和用戶需要，綜合制造成本大幅降低。

1）直接選用配制合金錠材料，減少合金配比和二次熔化，材料批次的化學(xué)成分穩(wěn)定，節(jié)約了燃料成本和坩堝費(fèi)用；

2）替代合金的澆注溫度提高，模具的抗疲勞壽命有所降低，工裝復(fù)制費(fèi)用有所增加；

3）原來鋅合金2.5元/件，改進(jìn)后的張力架零件單重0.04 kg，每件成本降低至1.6元；

4）初步核算：剔除不利因素，公司單臺成本平均可節(jié)約800余元，提高了公司細(xì)紗機(jī)的市場競爭力。

5結(jié)論

試驗(yàn)了一種可替代ZZnAl4-1生產(chǎn)產(chǎn)紡機(jī)張力架的壓鑄合金Y112，滿足了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能要求，為企業(yè)節(jié)約了制造成本。

因Y112的重量比ZZnAl4-1的重量輕，在現(xiàn)階段，應(yīng)用該合金后，為進(jìn)一步研究紡機(jī)其他部件輕質(zhì)化提供了現(xiàn)實(shí)可行性，有利于提高公司的紡機(jī)競爭能力。

［1］熊儀.壓鑄有色合金的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.特種鑄造及有色合金，2000（2）：14-15.

［2］凱A也，斯特里特A.壓鑄冶金學(xué)［M］.黃杏蓉、梁梅芬、唐慶恒合，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［3］潘憲曾主編.壓鑄模設(shè)計(jì)手冊［M］.第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.10.

［4］宋才飛.中國壓鑄業(yè)發(fā)展的特征與規(guī)律［J］.鑄造技術(shù)，2006（6）：6-8.

［5］李桂玲，夏蘭廷，藺虹賓.鋁含量對高鋁鋅基合金性能的影響［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2009（1）：47-48.

［6］劉伯操［M］.鑄造非鐵合金：鑄造鋅合金A［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，460-461.

［7］顧春雷，張偉強(qiáng)，金花子．鋅及鋅合金研究及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］．有色金屬，2003（4）：45-47．

［8］謝敬佩，祝要民，王曉穎．高耐磨、高阻尼鋅鋁合金的研究［J］．特種鑄造及有色合金，1999（2）：10-13．

Study on Die Casting Alloy and Process of Tension Frame Part

WU Zhi-gang，WU Zhen-hua，LI Xu-zhen
（College of Information，Shanxi Agricultural University，Taigu Shanxi 030800，China）

Aimed at the problems of the structure and material existing in the tension frame of textile machinery，a suitable alloy was determined through the preparation test and the manufacturability of several alloy materials，the product structure optimization and the modification of the die casting technology and mould structure.The products satisfied to the requirement of textile machinery were highly produced and the integrated manufacturing cost was greatly reduced.

tension frame，structure，material，improvement

TG249.2

A

1674-6694（2017）02-0010-05

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.02.004

2017-01-29

武志剛（1973-），男，漢族，山西榆次人，工程碩士，高級工程師。