熔模鑄造鈦鑄件氣縮孔解決方法

薛!，王興亞

容易產生氣體是鈦合金熔模鑄造的特點之一。鈦屬于活性金屬，對氣體的親和力很強，在熔注過程中，鈦金屬液吸收氣體的來源很多。澆注時液鈦與鑄型接觸會突然產生出大量氣體，在金屬液流極不平穩的情況下，攪合在液體金屬中，在鈦鑄件凝固比較快的條件下，很容易生成尺寸不等的氣孔或氣縮孔。

下面舉例介紹一種熔模鑄造鈦鑄件氣縮孔的解決方法。

1.產品及鑄造工藝介紹

圖1是機封壓蓋鑄件，鑄件材質為ZTA2。機封壓蓋是離心泵用于機械密封的重要零件，其鑄造質量出現問題將很大程度上影響到泵產品的質量。鑄造的難點是存在氣縮孔，且不易解決。鑄件缺陷位置如圖2所示。

我公司應用的是氧化物陶瓷型殼工藝，面層耐火材料為難熔金屬氧化物，粘結劑用金屬有機化合物。鈦及鈦合金熔模精密鑄造工藝過程如圖3所示。除了鑄型材料、真空凝殼爐和化學腐蝕以外，基本上同鐵基和鎳基合金等精鑄一樣，采用熔模精密鑄造法，即把蠟浸到由陶瓷粉末和粘結劑配成的漿液中進行掛漿，接著在其上撒陶瓷粒，經過反復的涂掛達到一定的鑄型厚度為止，然后使蠟熔化并從型殼中流出，經焙燒、冷卻后得到精鑄型殼。

2.初試方案及出現的問題

機封壓蓋鑄件原先用直澆道-內澆道側注式澆注系統，有兩個內澆道在垂直方向連接在直澆道上，組樹工藝如圖4所示。

用此組樹工藝生產的鈦鑄件存在大量的氣縮孔缺陷，調整各項工藝參數澆注后仍存在縮孔。通過鑄造模擬軟件對此組樹工藝進行鑄造模擬（見圖5），發現存在以下三個問題：

（1）金屬液堵塞排氣孔 凝殼爐鑄造鈦鑄件，澆注時坩堝在很短的時間進行翻轉，所有的金屬液即刻全部沖入型腔。在這個過程中，連接在澆口杯上的排氣孔也很快被金屬液填充，且比鑄件其他部位凝固要早，根本起不了預先設計的排氣作用。

圖1 機封壓蓋

圖2 鑄件氣縮孔位置

圖3 鈦及鈦合金精密鑄造工藝過程

（2）金屬液充型不平穩 在不能排氣的情況下澆注，氣體在型腔內形成一定的壓力，使金屬液不能平穩充型。從模擬過程可以看出，在直澆道內金屬液不是沿鑄型壁流下，而是直接跌落到底部。

（3）氣體不能排出鑄件型腔 機封壓蓋有上下兩個內澆道，澆注時由于澆注速度快，使上下兩個內澆道同時充型，最終使氣體不能排出鑄件外，而憋在鑄件的中間位置。

鑄造模擬分析的結果和生產的實際情況十分相似，可以得出結論：機封壓蓋鑄件的氣孔缺陷是由于型腔內氣體不能排出，最終憋在鑄件內所致。

3.工藝改進及解決方法

直澆道-內澆道澆注系統的缺點是直澆道太長，金屬在充型過程中易產生流動不平穩，卷入氣體。若縮短直澆道長度，則會大大降低鑄件出品率。真空凝殼爐澆注鈦鑄件，由于其澆注速度太快，連接在直澆道上的排氣孔根本起不了排氣作用，因此必須采用開放式的排氣系統。

根據以上分析的情況，對機封壓蓋的熔模組樹工藝進行了改進。改進后的工藝用橫澆道-內澆道式頂注澆注系統，其各組元的比例為：ΣF內：ΣF橫：ΣF直=1:1.4:1.1。內澆道用圓柱形狀，設在鑄件頂部。在底部連接了一段橫向的集氣槽，其與鑄件之間用φ20mm的通道連接。集氣槽既可以存集氣體，又可以保證模組的強度。

用鑄造模擬軟件對這種組樹工藝進行了模擬澆注，結果顯示：金屬液先充入橫澆道和中間的鑄件，然后充滿其他鑄件，最后將氣體全部排入了底部的集氣槽內和橫澆道的頂部。集氣位置如圖6所示。

根據模擬結果，型殼制作完成后，在圖6所示的集氣位置，打φ4mm的排氣孔，這些孔在澆注時可以使鑄件內的氣體及時順利排出至型腔外。由于真空凝殼爐熔煉鈦合金低的過熱度，以及鑄型的加熱溫度不是很高，鈦液在通過φ4mm的出氣孔時會迅速凝固，所以金屬液不會通過排氣孔流出鑄型外。

經過以上的工藝改進后，機封壓蓋鈦鑄件的氣縮孔缺陷大大減少，鑄件質量明顯提高。

4.結語

（1）鈦合金鑄造由于其本身易產生氣體的特點，使得在鑄造過程中必須考慮型腔內氣體的順利排出。

（2）熔模精密鑄造過程，在型殼上打開放的排氣孔，有利于氣體順利排出，是防止鈦鑄件氣縮孔缺陷的有效方法。

（3）經過多次試驗和生產驗證，在精鑄型殼集氣部位打排氣孔的方法能夠有效解決熔模鑄造鈦鑄件氣縮孔問題。

圖4 側注式組樹方案

圖5 模擬澆注過程

圖6 鑄件集氣位置