鋁合金渦殼金屬型重力鑄造工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

范桂山，尤偉華

（保定立中東安輕合金部件制造有限公司，河北 保定 071000）

1 鋁合金渦殼鑄造生產(chǎn)工藝

鋁渦殼的材質(zhì)是ZL101A(質(zhì)量分?jǐn)?shù))數(shù)據(jù)是：Si6.5%～7.5%，Mg0.25%～0.45%，Ti0.08%～0.20%，F(xiàn)e0%～0.200%，A1余量。合金的凝固穩(wěn)定范圍550℃～615℃，體收縮約為6.0%，是因?yàn)殍T件的收縮率較大，所以在鑄造師鑄造的時(shí)候需要進(jìn)行冒口補(bǔ)充縮減，鑄造前我們需要對(duì)合金行熱處理，熱處理的方式大都是：固體融化和失效項(xiàng)目的工藝參數(shù)是（525上下5）攝氏度，保溫在6h（175℃上下5℃）。鑄造完成后對(duì)鑄件進(jìn)行抽查，要求符合數(shù)值HB在70到100。之后的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比之前的鑄件，鑄件制造的過程中，我們控制鑄造涂層的厚度，并且又加入了冷鐵等工藝的措施，結(jié)果表明，鋁合金渦殼鑄造的工藝方法改進(jìn)解決了生產(chǎn)過程中曾經(jīng)出現(xiàn)的渦殼的冷隔，縮松，有氣泡等鑄造缺陷[1]。

在對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究之后我們發(fā)現(xiàn)了核心所在。之后我們重新設(shè)計(jì)了鑄件的工藝方案并且將一定的配比數(shù)值進(jìn)行了修改。

鑄造工藝分析，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）鑄件壁厚度在5mm上下，鑄件機(jī)器設(shè)備要在4+0.5MPA的氣壓密封條件下來進(jìn)行試驗(yàn)，并且強(qiáng)調(diào)的是要求鑄件組織致密，內(nèi)部質(zhì)量要求很高，鑄件的內(nèi)部組織嚴(yán)密。

（2）是我們要求鑄件粗糙度在表面不能高于Ra6.8，所以我們搜尋了大量的鑄件之后我們選擇了金屬型的鑄造是最好的鑄造方法

（3）因?yàn)槲覀兊臏u殼流道是由殼芯成形，在以往的試驗(yàn)之中在澆筑的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很多的氣體侵入液體，這樣往往對(duì)于產(chǎn)品不好，所以我們需要完整的排氣系統(tǒng)來排掉氣體。

（4）因?yàn)闇u殼的壁厚是不均勻的，尤其是拐彎處的支架和渦殼的道路接頭處及渦道上下法蘭盤產(chǎn)生大量的熱量并且不利于我們的散熱，這樣會(huì)造成鑄件縮松，使得縮孔處缺陷加大。

（5）在我們的渦殼法蘭盤出口有一管接頭，這樣會(huì)讓模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很困難，并且會(huì)出現(xiàn)大量的熱節(jié)，會(huì)對(duì)整個(gè)澆筑過程產(chǎn)生危險(xiǎn)，從而會(huì)影響了鑄件凝固的順序，所以我們?cè)诮酉聛淼蔫T造工藝設(shè)計(jì)的方案中對(duì)這些方面進(jìn)行了專門的改進(jìn)，使用冷鐵將會(huì)很好的散熱并且讓鑄件的凝固順序順利通暢，鑄造的成品率就會(huì)提升，這一個(gè)條件之下，產(chǎn)品的鑄造成本將會(huì)降低。

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)方案

該鋁渦殼鑄件內(nèi)部質(zhì)量要求高、表面粗糙度低，是將蝸殼的制造方法采用的是金屬型重力鑄造，模具導(dǎo)熱性高，冷卻速率快，所以澆筑完成之后就可以得到組織精密，表面質(zhì)量高的鑄件；模具的設(shè)計(jì)，沿渦殼最大截面處分型，鑄件設(shè)計(jì)的一個(gè)是有三個(gè)殼芯的渦道殼芯[2]。

在道口支架處看到殼芯1和殼芯2以及殼芯3，是固定、底板之上的，殼芯II及殼芯III插在側(cè)模上，合型后可以準(zhǔn)確定位。開始鑄造后將鑄件放在底模上，之后將頂桿拿出來進(jìn)行零件的澆筑。

工式中：澆道最小斷面積，80cm，60kg鑄件帶澆的重量，從我們的航空工業(yè)裝備設(shè)計(jì)的手冊(cè)來看他的判定應(yīng)該是在我們的冒口尺寸的位置來判定他的熱節(jié)圓圈致敬可以判定。

3 鑄造工藝的改進(jìn)

3.1 工藝試驗(yàn)

我們首次的實(shí)驗(yàn)過程中，一共生產(chǎn)了19件產(chǎn)品，我們用了X射線進(jìn)行檢查之后，僅僅發(fā)現(xiàn)只有7件合格。

3.2 質(zhì)量問題

首批試制入庫(kù)前鋁渦殼鑄件的主要缺陷有冷隔、縮松及氣孔等。冷隔等缺陷一般渦道出口上表面，氣孔缺陷出現(xiàn)在渦殼小法蘭盤厚大凸臺(tái)處，縮松缺陷出現(xiàn)在渦道缺陷原因分析在渦道口處，鑄件測(cè)試之后，發(fā)現(xiàn)縮松缺陷位置一致。

①鑄件出現(xiàn)缺陷的主要原因是因?yàn)殍T件的厚度壁較薄，并且澆筑時(shí)候充型壓頭比較小，當(dāng)我們的磨具預(yù)熱溫度不夠時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)這種問題。②在我們的渦道口出發(fā)現(xiàn)由渦道殼芯I和渦道口殼芯II形成，因?yàn)闅ば緜鳠彷^為，慢，對(duì)應(yīng)的這處的溫度較高，所以凝固的速度較慢，這處的熱節(jié)比較大，補(bǔ)縮通道比較窄不能實(shí)順序凝固，所以這種情況下出現(xiàn)了縮孔缺陷。③鑄件氣孔有分散性氣孔和集中性氣孔，主要集中在鑄件幾個(gè)凸耳及渦道上。流道上氣孔為分散性氣孔，主要是由于鑄件渦道由殼芯形成，澆注后殼芯

3.3 改進(jìn)措施

①因?yàn)槌霈F(xiàn)了冷隔，較熱不足的問題，重新設(shè)計(jì)了鑄造的工藝方法，在溫度，冷卻的溫度等幾個(gè)方面做了改進(jìn)，鋁液澆注溫度控制在715°到750°之間。金屬型的腔涂料噴洗完成之后，我們?cè)趯⒛ゾ哌M(jìn)行加熱到溫度不低于250℃，并且這時(shí)候再將冒口加高2cm這樣很大程度上改進(jìn)了鑄件的塑形工作。②通過缺陷分析發(fā)現(xiàn)縮松的位置較為集中，我們將缺陷進(jìn)行了改進(jìn)，方法就是在縮松的位置上裝配了隨型冷鐵，這樣就可以對(duì)這些熱節(jié)處進(jìn)行了散熱，可以提前冷卻，這樣就會(huì)減少縮松。③鑄件的凝固順序是根據(jù)我們的涂料厚度來做跟進(jìn)，鑄件的厚度是可以控制鑄件的凝固順序，噴涂的時(shí)候，底模的圖層較薄，我們的左右半模上下依次增加厚度，冒口上面需要刷涂保溫涂料。④殼芯生產(chǎn)組芯之后，對(duì)組芯打出氣孔，在芯頭部位打氣孔安裝排氣裝置，然后在180℃條件下，烘烤3h，盡量減少其發(fā)氣量。⑤金屬型磨具修理時(shí)候，磨具上面可以加上渦殼小法蘭零件，將他引致冒口之上面，同時(shí)對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)位置我們?cè)O(shè)置銅質(zhì)通氣塞，這樣可以排氣很好，會(huì)加強(qiáng)凸臺(tái)處冷卻速度。起到排氣作用，并加強(qiáng)凸臺(tái)處冷卻速度。

3.4 改進(jìn)后效果

完成上述措施后，我們進(jìn)行了小批量的試驗(yàn)，一共生產(chǎn)了7件，對(duì)生產(chǎn)的蝸殼檢驗(yàn)之后，鑄件冷隔缺陷完全消除，氣孔及縮松缺陷得到改善，并且對(duì)其中的5件進(jìn)行了氣密性的試驗(yàn)，產(chǎn)品均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品的合格率很大的提高[3]。

保證了磨具產(chǎn)品的合格率，將這種生產(chǎn)方法推進(jìn)到以后的試驗(yàn)之中。

3.5 有色合金薄壁鑄件的發(fā)展特點(diǎn)

未來的需求越來越大，21世紀(jì)的有色合金技術(shù)復(fù)雜鑄件的特點(diǎn)呈現(xiàn)以下的特點(diǎn)。

復(fù)雜薄壁鑄件的發(fā)展更應(yīng)該逐漸將目光向國(guó)際潮流走向近凈形化技術(shù)無余量技術(shù)年代。提高產(chǎn)品鑄件的核心在與產(chǎn)品的品質(zhì)特別是我們產(chǎn)品的外觀品質(zhì)為中心的生產(chǎn)工藝。

鑄件要設(shè)計(jì)的讓金屬材料形成的多種工藝方法特別是鑄件利用液態(tài)來進(jìn)行成型。所以事先鑄件的近凈態(tài)是利用液態(tài)金屬，這種鑄造的方法是有獨(dú)特的優(yōu)越性。

鑄件的這種叫近凈形的技術(shù)含義是從形狀的結(jié)構(gòu)上面來構(gòu)成鑄件的內(nèi)墻和外形使用。鑄造方法從而一次成型。使得零件接近理念或者零件的最終形狀。這樣就可以提升鑄件的大型化還有鑄件的復(fù)雜化，從而將加工和組裝的工序減少到最少，這樣從尺寸來將組裝，裝配，運(yùn)輸?shù)墓ば驕p少是最大程度上的。我們還會(huì)從尺寸上面的工作上來做到。在我們的產(chǎn)品品質(zhì)大幅度提升的時(shí)候，做到無余量或少余量特別近形化生產(chǎn)。

性能好油耗低無污染,這是未來靠有色合金金屬的一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，所以我們將會(huì)很大程度上代替合金鋼鐵原有的零件，這樣bm汽車的代替將會(huì)大程度出現(xiàn)在一些發(fā)達(dá)國(guó)家中。

4 有色合金復(fù)雜鑄件成最終形的要求

因?yàn)楸”阼T件的基本概念和特征很復(fù)雜，所以我們針對(duì)其成型的特點(diǎn)將規(guī)定具體的操作方法，對(duì)于金屬液體在其中的速度總體上要求不能低于30m，重性速度要比一般的鑄件更快，并且在使紊流加劇的過程中能夠進(jìn)行有效的合理疏通。不至于引起金屬液的飛外流導(dǎo)致金屬物體造成損壞，否則就會(huì)產(chǎn)生澆不足，冷凝沒有做好，因?yàn)槔涓舻热毕荻貌坏酵旰玫蔫T件。

5 新結(jié)構(gòu)鋁鐵渦輪模具

5.1 背景技術(shù)

新型造出來的渦殼材質(zhì)在作用到剎車片上時(shí)候，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的研究如下文，汽車的剎車現(xiàn)在大都是使用的鑄鐵材質(zhì)，主要是灰鑄鐵HT250為代表，生產(chǎn)線大多是HT250的技術(shù)生產(chǎn)線。優(yōu)秀的渦輪器應(yīng)該是要具備輕質(zhì)，具有足夠的強(qiáng)度、優(yōu)異的耐磨性、足夠的高溫性能、優(yōu)異的散熱性能和耐疲勞性能。但是由于受材質(zhì)和鑄造工藝的局限，渦輪是可以用在其他材質(zhì)上的比較重，并且位置是在簧下，這樣汽車的油耗就被增加了，汽車的油耗攀升影響加速性能。且鑄鐵材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)較低，只有約58W/(m?k)，在高速制動(dòng)或連續(xù)制動(dòng)中，短時(shí)間摩擦產(chǎn)生大量熱，較低的熱導(dǎo)率導(dǎo)致熱量無法及時(shí)散發(fā)，會(huì)引發(fā)制動(dòng)盤熱衰退，影響剎車效果及使用壽命。新結(jié)構(gòu)鋁鐵復(fù)合制動(dòng)盤單個(gè)重量相比于鑄鐵制動(dòng)盤最大減重25%，輕量化效果顯著。

5.2 渦殼材質(zhì)使用的新型內(nèi)容以及經(jīng)驗(yàn)探索

（1）新結(jié)構(gòu)鋁鐵復(fù)合制動(dòng)盤單個(gè)重量相比于鑄鐵制動(dòng)盤最大減重25%，尾氣排放CO下降4.5%，HC下降2.5%，Nox下降8.8%；燃油率提升3.85%，加速性能提升8%，制動(dòng)距離下降5%，底盤耐久性提升1.7倍，轉(zhuǎn)向性能提升6%。

（2）鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到121-151W/(m?k)，導(dǎo)熱能力是鑄鐵制動(dòng)盤的2～3倍，可將剎車熱量及時(shí)散發(fā)，保證了制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

5.3 具體實(shí)施方式

（1）首先用灰鑄鐵鑄造剎車盤摩擦環(huán)。

（2）為保障灰鑄鐵摩擦環(huán)和鋁合金剎車鍋更好的結(jié)合，將橋接部位殘留的切削液、異物、毛刺去除。

（3）將灰鑄鐵摩擦環(huán)放入400度以上的預(yù)熱爐，隨著緩慢的轉(zhuǎn)動(dòng)后按順序下轉(zhuǎn)。

（4）將預(yù)熱完成的灰鑄鐵摩擦環(huán)安放到模具中，進(jìn)行鑄造生產(chǎn)。

（5）剎車鍋部位由鋁合金鑄造完成，并與灰鑄鐵摩擦環(huán)的橋接部位相結(jié)合。（鋁合金的熱膨脹系數(shù)為灰鑄鐵的約2倍，溫度變化約1.7倍，這樣由于兩種材質(zhì)的收縮量差異，在結(jié)合部位產(chǎn)生強(qiáng)大的結(jié)合力。）

6 結(jié)束語

在如今世界有色金屬競(jìng)爭(zhēng)壓力越來越大的情況之下，我們對(duì)有色金屬進(jìn)行了鑄造工藝改進(jìn)，還有進(jìn)行全面的摸索之后，我們認(rèn)為有色金屬技術(shù)改進(jìn)工作仍舊有很大進(jìn)步空間。