液力變矩器不同鑄造工藝對產品質量的影響

馬永超，馬亮亮

（山推工程機械股份有限公司，山東濟寧 272073）

近年來，隨著工程機械輕量化、快速化的發展，高強度、高韌性優質鋁合金鑄件廣泛應用于鑄造行業[1]。目前使用較多的鑄造工藝為重力鑄造，該生產工藝簡單、對工人技能要求低。重力鑄造不足在于產品質量穩定性差，易受人為因素影響。本文以液力變矩器泵輪鑄件為研究對象，詳細分析重力與低壓鑄造工藝的優缺點，從而確定最佳生產工藝，為該鑄件的大批量生產提供工藝保證。

1 原材料成分和泵輪結構

1.1 鑄件材料

泵輪使用的ZL104 合金成分見表1。

1.2 鑄件結構

鑄件外形尺寸為：?340mm×170mm，最小壁厚6mm，最大壁厚15mm，零件單件重9.6kg，鑄件型腔內部均勻分布27 個葉片，同時葉片在空間呈三維扭曲狀分布，葉片厚度由3mm 逐漸過渡到1mm。工作過程中液流由葉片內部流向外部，從而形成動力流體，產品結構非常復雜。鑄件的技術要求很高，主要包括流道表面的鑄造粗糙度Ra 不大于6.4μm，葉片間距的鑄造尺寸偏差不大于±0.1 mm，鑄件無裂紋、縮孔和氣孔等鑄造缺陷。為確保鑄件的致密性，鑄件須通過0.6MPa 的氣壓試驗不滲漏，因此該產品的鑄造工藝難度很大。

表1 鑄件用ZL104 的化學成分 ωB/%

2 重力鑄造與低壓鑄造工藝比對

2.1 鑄造原理分析

2.2.1 重力鑄造

重力鑄造是指金屬液在地球重力作用下注入鑄型的工藝，澆注時可用人工或機械手取適量鋁水，并將其平穩注入鑄型內。隨著模具與外界熱量的交換，鋁水在型腔內順序凝固。

2.2.2 低壓鑄造

低壓鑄造的方法是把干燥的壓縮空氣通入到密閉爐膛內，在壓縮空氣的作用下，鋁液沿升液管上升，通過澆注系統進入鑄件型腔，以達到充型的目的。澆注過程中鋁液與模具不斷的進行熱交換，確保鑄件不存在熱節點，促進鑄件順序凝固。待升液管最上口以上金屬液完全凝固時[3]，將壓縮空氣從爐膛內排出，升液管處的鋁液在重力作用下回流到爐膛。其工作原理圖如圖1 所示。

2.2 鑄造工藝優缺點淺析

2.2.1 重力鑄造優缺點

圖1 低壓鑄造原理示意圖

重力鑄造優點如下：

（1）工藝設計簡單。重力鑄造生產自動化程度低，在設計工藝時不用考慮與設備的自動化的銜接。

（2）模具制作成本低。由于采用手工澆注和起模，自動化程度低，在模具制作時節省成本，該工藝適于新產品的驗證。

重力鑄造缺點如下：

（1）工藝出品率低。需冒口補縮，降低了金屬液的利用率，該產品利用率僅70%。

（2）鑄件組織疏松。鑄件在重力作用下自然凝固，造成鑄件組織致密性差。

（3）鋁水容易卷氣。鋁水自上而下澆注，容易造成渦流現象，使鑄件卷氣。

（4）鋁液吸氣嚴重。鋁水在空氣中吸氣且氧化嚴重，易造成鑄件針孔及夾渣。

（5）生產率低。從澆注、取模等過程需人工完成，人為影響較大，生產效率低。

2.2.2 低壓鑄造優缺點

低壓鑄造優點如下：

（1）工藝出品率高。由于在外加壓力下凝固，不需冒口補縮，提高了金屬液的有效利用率。通過分析，該產品工藝出品率可達93%以上。由于低壓產品表面光潔度高、鑄造尺寸公差等級介于CT3至CT4，鑄件外表面無需加工即可達到要求。

（2）組織致密。鑄件凝固過程受到外加壓力的影響，再輔以合理的冷卻系統，可確保鑄件順序凝固，提高了鑄件的致密度和機械性能。

（3）避免鋁液卷氣。由于充型速度可控，可實現金屬液充型平穩，可有效避免澆注過程卷入氣體。

（4）減少鋁液吸氣。由于鋁液處于封閉的爐膛中，能防止鋁液吸氣及氧化，避免夾渣鑄造缺陷。

（5）生產率高。由于設備自動化程度高，生產過程可實現自動下芯、充型、取件，一個員工可同時操作多臺設備。

低壓鑄造缺點如下：

（1）模具結構復雜。由于低壓鑄造可實現自動化生產，并配備冷卻系統，在模具設計時需充分考慮模具溫度場分布及模具與設備的協同操作。

（2）模具制作成本高。一套完整低壓模具制作成本在20 萬左右。

2.3 不同鑄造工藝對產品質量的影響

2.3.1 鑄件表面光潔度

泵輪產品要求表面光潔度小于3.2，采用不同鑄造工藝對產品表面光潔度有很大影響。澆注過程需將型腔內空氣及砂芯產生的氣體排出，根據不同工藝設計不同的排氣系統，這對鑄件表面光潔度有較大影響。

采用重力鑄造工藝，模具上方需預留透氣孔，使澆注過程中型腔氣體及砂芯產生的氣體順利排出。由于透氣塞孔與模具無法完全配合，使鑄件非加工面光潔度較低，需增加加工工序才可達到預定目標。低壓澆注采用底部澆注，模具透氣塞孔可預留在加工面上，從而確保非加工面的光潔度。

2.3.2 鑄件氣孔

重力鑄造采用手工自上而下澆注鋁水，澆注過程容易造成鋁液湍流，從而將氣體卷入鑄件中，造成鑄件嗆氣。重力澆注過程使鋁水長期置于空氣中，易造成鋁水吸氣，吸收的氣體在鑄件凝固過程均勻分布在鑄件表面，造成鑄件針孔缺陷。低壓鑄造鋁水置于封閉的環境，避免鋁水吸氣，同時采用自下而上澆注，避免將空氣卷入，造成氣孔缺陷。

2.3.3 鑄件夾渣

重力澆注采用手工撇渣及過濾網方式避免氧化渣進入鑄件。由于撇渣不徹底及過濾網孔隙問題，該方法不能完全避免氧化渣的卷入，容易造成鑄件夾渣缺陷。低壓澆注在壓縮氣體的作用下，金屬液沿升液管上升，避免氧化渣的卷入。

2.3.4 鑄件縮松

由于泵輪結構特殊，鑄件凝固時無法保證順序凝固。在重力鑄造過程中，由于模具及設備簡單，無法增加冷卻系統，易造成泵輪局部縮松。低壓鑄造模具配有冷卻系統，同時設備可實現自動化操作，可在鑄件澆注過程中增加冷卻，能避免鑄件縮松。

2.3.5 鑄件力學性能及微觀結構影響

重力鑄造利用鋁液自身重力澆注，低壓鑄造在外加壓力下澆注。在外加壓力下，鑄件組織更加致密，力學性能得到提升，表2 為不同鑄造工藝泵輪硬度值。

表2 不同鑄造工藝泵輪硬度值

低壓鑄造相比重力鑄造而言，泵輪外加壓力下凝固，組織均勻致密，微觀組織結構見圖2、圖3。

3 結論

（1）與重力鑄造相比，低壓鑄造泵輪顯微組織更加致密，出現顯微縮松傾向更小，可保證泵輪的性能穩定性。

圖2 重力鑄造（200×）

圖3 低壓鑄造（200×）

（2）采用低壓鑄造泵輪可有效避免氣孔、針孔、夾渣鑄造缺陷。

（3）相比重力鑄造，低壓鑄造泵輪生產自動化高，能有效減少人為因素對產品質量的影響；

（4）泵輪低壓鑄造工藝出品率為93%，且泵輪非加工面光潔度可直接達到要求。