ZL114A支架鑄件鑄造工藝設計研究

李大奎 劉閃光 杜旭初 陳明偉 郝慧林

摘 要 針對某運載機用高性能ZL114A合金支架鑄件設計出縫隙式和底注式相結合的低壓澆注系統，采用對厚大部位增加激冷等方式實現局部部位順序凝固，同時通過對低壓澆注工藝參數進行優化，得到在最優工藝參數條件下得到冶金質量合格的鑄件。經Al-Ti-B中間合金細化處理后，鑄件本體剖切試樣（T6態）的平均抗拉強度、屈服強度、延伸率分別可達到345.75MPa、288.5MPa、5.84%，同時可發現細化后的平均晶粒尺寸更加細小，斷口組織更加致密，顯微疏松等缺陷數量明顯減少，同時韌窩斷裂傾向更加明顯。

關鍵詞 ZL114A合金;凝固工藝設計;晶粒細化;力學性能;微觀組織

隨著航空航天工業的迅猛發展。各種大型、復雜、整體、薄壁鋁合金鑄件的需求和使用越來越廣泛。采用優質鋁合金鑄件，在滿足使用要求的條件下，可有效減輕結構重量，提高制造效率，降低制造成本[1]。因此對鋁合金鑄件的整體成形、尺寸精度、內部質量和力學性能等要求隨之不斷提高，只有不斷突破鑄造關鍵技術才能滿足優質鋁合金鑄件的成形和內部質量要求。關鍵技術主要體現在對鑄件的澆注成形、內部質量控制與力學性能提升等方面。

另外，Al-Si系合金材料由于具有良好的工藝流動性，多應用于成形結構復雜的制件，其T6熱處理狀態下大量的初生與共晶Si相形貌由板片狀與短棒狀轉變為球狀，在晶界處析出大量的Mg2Si時效強化相，有效提高了合金材料的綜合力學性能與機械加工性能，在航天航空軍工裝備領域的應用需求日益廣泛[2]。本文以某運載機用高性能ZL114A合金支架鑄件為研究對象，通過對低壓鑄造工藝設計與參數優化、合金熔體處理等，獲得內部質量符合技術要求的鑄件，并結合OM、SEM與WDW-100KN力學性能試驗機等手段，對鑄件微觀組織、力學性能、斷口形貌進行分析和討論，為高性能鋁合金精密鑄件研制與批量化生產提供工藝指導與數據支撐。

1鑄件的結構特點與技術要求

ZL114A支架鑄件的結構如圖1所示，該鑄件結構特點與技術要求如下

鑄件輪廓尺寸750×485×346mm，最大壁厚40mm，最小壁厚6mm，且存在多處壁厚突變區域，屬于中大型復雜結構件;支架鑄件為運載機機載設備重要承力件，內部質量要求嚴格，要求達到HB963-2005中Ⅰ類鑄件水平;

指定區域的本體剖切性能σb≥320MPa，σ0.2≥260MPa，δ5≥4%。

考慮上述特點和性能要求，分析該鑄件主要研制難點為鑄件成形、冶金質量與力學性能控制。

2鑄造工藝設計

根據ZL114A支架鑄件結構特點、技術要求及經驗分析，重力澆注難以獲得內部組織致密、力學性能達標的鑄件，因此采用選用“精密樹脂砂型鑄造、低壓澆注成形”的鑄造方法進行研制。低壓澆注工藝是利用氣體壓力或者電磁力將金屬液壓入鑄型來實現充型的，在合金液面上施加氣體壓力，迫使合金液沿升液管上升最終充滿型腔。該工藝既能保證鑄件成形完整，又能控制氣泡、夾雜等缺陷的產生，同時也可加強對厚大部位的補縮，從而在保證鑄件成形完整的情況下實現組織致密[3]。

圖2所示為ZL114A支架鑄件低壓充型凝固成形工藝設計示意圖。從圖中可以看出，鑄件工藝采用縫隙式和底注式相結合的澆注系統。該組合澆注系統的優點是在合適的澆注位置下，鑄件主要部位的金屬液通過縫隙式內澆口進入型腔，而在凸臺等厚大部位處金屬液能夠由底注內澆口與分澆口進入[4]。這不僅縮短了金屬液的流程，改善了金屬液在型腔內的充填狀態，而且提高了澆注系統對鑄件的補縮能力。在支架鑄件厚大部位布置45#鋼材質冷鐵，厚壁區域冷鐵設計厚度一般為壁厚的0.8倍，因此頂部區域冷鐵厚度尺寸設計為32mm。

ZL114A鑄件橫澆道根據鑄件形狀采用“圭字形”結構設計，橫澆道總長度為724mm，總寬度為530mm，每根橫澆道寬度為90mm，高度為65mm。弧形內澆口厚度根據壁厚情況選擇12～25mm范圍內。澆注系統采用的縫隙式澆注系統，其橫截面如圖3所示。通常縫隙式澆注系統的參數可按以下經驗公式[5]計算：

式中，n為縫隙數量，S為鑄件外形的周長，δ為縫隙內澆道的厚度，δ鑄件為與縫隙內澆道相連處鑄件的壁厚，d為縫隙立筒的直徑。因此，縫隙澆注系統設計參數為：縫隙內澆道的厚度δ=15mm;縫隙立筒直徑d=60mm;縫隙數量n=9。根據經驗，縫隙內澆道的寬度b設為15～35mm。

根據已有澆注系統，試驗分別設計了4種不同的低壓澆注工藝參數，并對鑄件實物冶金質量進行檢測，測試結果見表2所示。由表2中的結果可知：選用試驗1#低壓澆注工藝參數時，由于升液壓力與升液速度較慢，且充型壓力與充型速度較慢，在凝固過程中補縮能力不足，尤其對于厚壁部位，無法實現順序凝固，因此出現疏松超標，甚至出現欠鑄現象。選用4#澆注工藝時，由于升液速度與充型速度過快，充型過程不平穩，進入型腔后極易出現“卷氣”、“紊流”等情況，造成夾雜、氣孔缺陷。同時由于充型壓力較大，樹脂砂鑄型受熱分解，干強度降低繼而發生潰散，在較高壓力下會出現機械粘砂。當升液與充型壓力為40kPa，升液速度與充型速度為60mm·s-1，澆注溫度為710℃時，凝固后期合金熔體在保壓壓力作用下對凝固區域進行良好的補縮填充，凝固組織較為致密。如圖4所示，對鑄件實物進行X光檢測，其冶金質量滿足要求。

3結束語

（1）選用“圭字形”結構底注式系統和縫隙式系統相結合的工藝設計方案，采用對厚大部位放置冷鐵等方式實現局部部位順序凝固。

（2）通過對工藝參數進行優化，得到在升液與充型壓力為40kPa、升液速度與充型速度為60mm·s-1、澆注溫度為710℃等工藝參數條件下可以研制出冶金質量合格的鑄件。

參考文獻

[1] 鄭來蘇.鑄造合金及其熔煉[M].西安：西北工業大學出版社， 1994：93.

[2] 周志敏，王娜，李勇，等. 過共晶Al-Si合金初晶Si相的細化機理 [J].特種鑄造及有色合金，2012，32（2）：99-102.

[3] 董秀琦，王冬，王承志，等.低壓及差壓鑄造理論與實踐[M].北京：機械工業出版社，2003：61.

[4] 杜旭初，洪潤洲，熊艷才，等.高鐵用大型復雜鋁合金枕梁鑄件低壓鑄造工藝研究[J].鑄造，2014，63（8）：769-774.

[5] 曲衛濤.鑄造工藝學[M].西安：西北工業大學出版社，1994：107.

作者簡介

李大奎（1987-），男，山東泰安人;學歷：碩士，現就職單位：北京航空材料研究院，研究方向：鑄造鋁合金。