某類型鎂合金支架鑄造工藝設計改進研究

王玉鳳 王登峰 焦云雷 劉 丹 孫廣宇 張高龍 化宜文

某類型鎂合金支架鑄造工藝設計改進研究

王玉鳳 王登峰 焦云雷 劉 丹 孫廣宇 張高龍 化宜文

（天津航天機電設備研究所，天津 300458）

針對某類型鎂合金支架鑄件存在的疏松缺陷進行澆冒系統改進研究，結合生產實踐分析缺陷存在的原因，論述澆冒系統改進對去除缺陷的可行性，并通過生產試驗探索關鍵工藝參數。

鎂合金支架；疏松；工藝改進；參數

1 引言

某類型發動機鎂合金支架鑄件用于安裝衛星調姿發動機，廣泛應用于導航等衛星平臺。該類型鑄件整體高度為370～450mm，最小壁厚僅3.5mm（鑄造公差±1.2mm）。鑄件由不同多面體上下兩部分組成，同時兩部分空間存在一定角度差，且多面體自身也存在一定角度，導致鑄件尺寸難以保證；產品結構局部設計加強，上下兩部分的結構設計不利于鑄造工藝實施，鑄造工藝性差。

此發動機支架屬于異型復雜構件，鑄件存在尺寸超差、疏松、夾渣等鑄造缺陷。據統計，造成鑄件報廢的主要原因，除尺寸超差外即為由于澆注系統設計造成的過熱引起的疏松，導致該類產品往往反復試驗10件左右才可以有1件滿足使用要求，型號初期研制周期長約4個月以上，嚴重影響型號研制進度。

本文從鑄件澆冒系統設計角度論述改進后澆冒系統的可行性，并以此為出發點，針對型號復雜構件某類型發動機支架鎂合金鑄件，探索出適合該類鑄件研制生產的鑄造工藝方法。

2 原澆冒系統方案存在的問題及缺陷原因分析

2.1 原澆冒系統方案存在的問題

圖1 原鑄造工藝方案澆注系統示意圖

原工藝方案采用常規底注隙縫澆注系統，即1個直澆道、1個橫澆道、2個隙縫澆道，由鑄件底部引入鑄件型腔，鑄件頂部設4個方冒口、1個立筋補縮冒口，如圖1所示。該工藝方案金屬液都經由鑄件下部進入鑄型型腔，局部過熱嚴重，造成鑄件存在疏松、夾渣等缺陷，產品研制周期長、成品率低。

2.2 缺陷原因分析

疏松作為鎂合金鑄件中常見的內部質量缺陷，又稱為顯微縮松，是鑄件凝固緩慢的區域因微觀補縮通道堵塞而在枝晶間及枝晶的晶臂之間形成的細小空洞[1]。在某類型發動機鎂合金支架的生產過程中，疏松缺陷的形成主要有以下幾方面原因：

a. 鎂合金凝固溫度間隔較寬，具有糊狀凝固特性，補縮困難，易形成疏松[2]；

b. 批量手工澆注的鎂合金鑄件，在澆注后期由于鎂液溫度降低較多，無有效高溫、后凝固合金對鑄件進行補縮，造成鑄件疏松；

c. 鎂屬活潑金屬，鎂合金在熔煉、澆注過程易氧化形成氧化夾渣，過程中還需熔劑保護，熔劑處理不當易形成熔劑夾渣，合金中的雜質過多，在其凝固過程中雜質和析出的氣體被推向結晶前沿，阻塞補縮通道，使疏松加重；

d. 冒口數量、尺寸、形狀、設置部位以及冒口與鑄件連接不合理，也是造成鑄件疏松的一個方面；

e. 內澆道尺寸或位置設置不當，使鑄件不能順序凝固或在鑄件中形成局部熱節，是本類型鑄件存在疏松缺陷的主要原因。

3 澆冒系統方案的改進

針對傳統工藝金屬液流程長、變向多、局部過熱，容易造成疏松等缺陷，工藝設計的改進主要方向是結合鑄件形成疏松的原因重新設置澆道系統部位，對鑄件冒口、冷鐵進行相應重置。

3.1 新澆冒系統方案

新澆冒系統在原工藝常規底注隙縫澆注系統基礎上，鑄件上半部分加設1組隙縫澆注系統，并針對第2套澆注系統重新設計對應部位的冒口，即采用復合澆注系統。該澆冒系統使金屬液經由原澆注系統充滿下部型腔后，再由第2套澆注系統填充上部型腔，分流金屬液，避免局部過熱，同時縮短了金屬液流程，減少了金屬液變向，有利于形成良好的冒口補縮系統，以控制疏松、裂紋等鑄造缺陷，提升鑄件內部質量。改進后澆冒系統如圖2所示。

圖2 工藝改進后復合澆注系統示意圖

經過生產試驗，驗證工藝改進方案合理、可行，但仍然時有發生氧化夾渣、疏松缺陷，主要有以下幾方面的原因：

a. 新工藝第2套澆注系統開始澆注的時間不同，鑄件熱分布也不同，造成鑄件疏松缺陷；

b. 兩套澆注系統操作不當會造成金屬液渦流、氧化，形成氧化夾渣缺陷。

3.2 關鍵工藝參數確定

針對改進后復合澆注系統存在的問題，對第2套澆注系統開始澆注時間這個關鍵工藝參數進行生產試驗。根據生產中觀察金屬液上升至第2套澆注系統底部所需的時間約為5～6s，遂將第1套澆注系統與第2套澆注系統起始澆注時間間隔分為0s，2s，4s，6s，8s進行生產試驗，每組生產2件，觀察鑄件存在的質量問題。試驗方案見表1，每組鑄件主要缺陷情況匯總見表2。

表1 試驗方案

表2 鑄件主要缺陷匯總

根據鑄件主要缺陷情況可以看出，兩套澆注系統同時澆注，由于兩套澆注系統金屬液在鑄件澆注過程在鑄件中間位置發生會澆、紊流，雖然疏松缺陷數量不高，但該過程易造成卷氣、氧化夾渣缺陷的增加；兩套澆注系統相差2～4s澆注，第2套澆注系統進入型腔與第1套澆注系統金屬液交會時，第1套澆注系統中金屬液處于在鑄型下半腔平穩上升階段，兩套澆注系統金屬液會流較平穩，鑄件缺陷明顯減少；兩套澆注系統相差超過6s澆注時，金屬液大部分經由第1套澆注系統進入型腔，第2套澆注系統作用并不明顯，仍會造成鑄件底部側面過熱引起疏松。

4 結束語

a. 由生產試驗結果可知，針對某類型發動機支架鑄件進行的復合式澆冒系統工藝改進方案合理、可行。

b. 由分組試驗復合式澆冒系統工藝可知，第2套澆注系統與第1套澆注系統的合理起始澆注時間間隔為2～4s。

1 安閣英. 鑄件形成理論[M]. 北京：機械工業出版社，1990

2 王文清，李魁盛. 鑄造工藝學[M]. 北京：機械工業出版社，2002

Improvement of Casting Process Design of Magnesium Alloy Brachet

Wang Yufeng Wang Dengfeng Jiao Yunlei Liu Dan Sun Guangyu Zhang Gaolong Hua Yiwen

(Tianjin Institute of Aerospace Electromechanical Equipment, Tianjin 300458)

This paper has analyzed the causes of defects based on production practice，mainly focusing on the technological improvement of the loose defects existing in a certain type of magnesium alloy bracket casting. The possibility of improving the casting quality has been discussed and the critical process parameter has been searched by production test.

magnesium alloy bracket casting；loose defects；technological improvement；parameter

王玉鳳（1986），高級工程師，材料加工工程專業；研究方向：有色金屬材料制造及加工。

2018-07-24