百萬伏產品鋁合金機構室鑄件工藝研究

孫曉莉，王家文，李勝君，姜 麗，趙娜娜，劉 寧，于 程

（新程（營口）精密設備有限公司，遼寧營口 115000）

0 引言

我國輸變電設備制造行業已經走過了50 年的發展歷程。目前高壓、超高壓輸變電設備制造企業從無到有、從小到大。尤其是近十多年來，在產品設計、制造、試驗檢測技術等方面有了迅速發展，產品基本滿足了我國電力建設的需要[1]。作為高壓電氣廠商的配套企業，為了滿足特高壓電氣設備中對鋁合金鑄件的高質量要求，筆者就國內某知名高壓電氣廠商一種百萬伏特高壓產品上極其重要的鋁合金機構室鑄件為例，探究鑄件從砂型生產改為金屬型生產的工藝優化。

1 鑄件的結構分析

該機構室形狀尺寸如圖1 所示，鑄件材質：AlSi7Mg；重量:62kg；外輪廓尺寸:?430mm×545mm；該鑄件存在多個氣體密封面且粗糙度要求更是達到Ra0.8，因此對鑄件本身質量要求極高。

圖1 鑄件簡圖

該鑄件的工藝難點是鑄件不同位置壁厚相差較大，?229mm 端頭處最薄壁厚14.5mm，熱量散失太快，4 處筋板厚度為20mm，內壁壁厚25mm，兩處法蘭最厚大區域卻達到45mm，非常不利于鑄件實現順序凝固，極易產生縮松及針孔等鑄造缺陷。且鑄件內壁為滑動氣體密封面，不僅要滿足非常嚴苛的公差標準要求，還要保證鑄件的氣體密封性，粗糙度要求更是達到Ra0.8。因此，要保證鑄件沒有任何縮松、針孔缺陷，對筆者來說是一個相當嚴峻的考驗。

2 方案一：砂型低壓鑄造

2.1 低壓鑄造的工藝特點

（1）金屬液澆注速度可控，充型速度大小可根據工藝要求進行準確控制，可保證液體金屬充型平穩，減少或避免金屬液在充型時產生的翻騰、沖擊和飛濺現象，從而減少了氧化夾渣的形成，提高了鑄件質量。

（2）金屬液在壓力作用下充型，可提高金屬液的流動性，鑄件成形性好，有利于形成輪廓清晰、表面光潔的鑄件，對于大型薄壁鑄件的成形更為有利。

（3）鑄件在壓力下結晶凝固，可以得到充分的補縮，故鑄件組織致密、力學性能好[2]。

通過對鑄件結構深入分析并結合多年實際經驗及鑄件凝固理論，決定采用砂型低壓鑄造方式生產。

2.2 砂型低壓鑄造方案

該工藝方案是以垂直于四塊筋板的鑄件中心線作為鑄件的分型面，由于兩法蘭處屬最厚大區域，壁厚45mm，在厚大部分熱節處極易產生縮松與針孔缺陷。且此鑄件加工面較多，故筆者在所有加工區域采用了鑄件法蘭厚度1.2～1.5 倍[3]厚的鑄鋁冷鐵進行激冷，來調整鑄件的凝固順序，具體工藝如圖2 所示。

圖2 砂型低壓鑄造工藝方案及冷鐵分布圖

2.3 生產驗證

雖然生產出的鑄件經X 光實時成像無損檢測，沒有明顯缺陷。但是在機加工?200mm 內壁與密封槽時出現了縮松與針孔缺陷，如圖3 所示。由于縮孔、縮松的存在，將減少鑄件的有效承載截面積，甚至造成應力集中而大大降低鑄件的機械性能。而且由于鑄件的連續性被破壞，還會使鑄件的氣密性、抗蝕性等性能顯著降低。故去除內壁縮松、針孔缺陷已經迫在眉睫。

圖3 鑄件內壁缺陷及其放大圖

2.4 原因分析

由于此鑄件砂芯直徑較小，雖然放置冷鐵，但是冷鐵厚度薄，被高溫鋁液包裹后，長時間處于高溫狀態，熱量無法導出，降低了砂芯表面金屬的凝固速度，因此出現縮松缺陷；同時，高溫金屬液進入型腔后，在熱作用下，型腔四周表面的水分，樹脂固化劑、涂料等產氣物質，在蒸發、氧化燃燒過程中均產生氣體。其中一部分氣體通過透氣的砂型逸走，但是如果砂芯的發氣速度快，而使一部分氣體不能及時通過型砂逸走時，就會侵入到鋁液中，當鑄件凝固時，就會在接近鑄件表面形成針孔缺陷。

由于此鑄件在整個特高壓產品中尤為重要，且客戶對內外表面質量的要求日漸嚴苛，但以目前的砂型工藝不僅很難滿足鑄件內外表面質量，更無法保證正常生產裝配進度。所以筆者必須考慮重新調整工藝方案。

3 方案二:金屬型、芯傾轉鑄造方案

傾轉澆注時合金液流平穩，對模具型腔的沖刷力小，避免合金液流在澆道中或型腔內的紊流或飛濺，能實現合金液流在模具型腔內的層流充填，因此可得到組織致密、力學性能較高的鑄件[4，5]。故決定改用金屬型可傾轉式重力澆注工藝方式生產此鑄件。

3.1 金屬型、芯傾轉鑄造方案

此方案如圖4 所示，采用鐵模鐵芯方式生產，由于兩法蘭處最厚大，在此處設置了冒口，而內壁部分為氣體滑動密封面，粗糙度要求極高且不允許有任何縮松針孔缺陷，所以筆者利用鐵芯通風冷卻的方式，加快鑄件內壁的冷卻速度，使此處組織更加致密，避免此處出現針孔與縮松缺陷。

圖4 金屬型傾轉重力鑄造工藝方案

3.2 計算機模擬

采用鑄造凝固過程計算機數值模擬技術對此工藝方案進行模擬（圖5）。

圖5 計算機數值模擬

通過模擬結果反映出，鑄件沒有出現縮松、縮孔現象，達到了工藝預期效果。

3.3 生產驗證

生產出的鑄件經過X 光實時成像無損檢測，鑄件內部無缺陷。且通過機加工驗證，鑄件氣體滑動密封面沒有任何鑄造缺陷。截止目前已經生產230 余件，合格率高達98%，成品圖如圖6 所示。

圖6 機加后成品圖

4 結論

采用金屬型，鐵芯附加風冷裝置來生產該鑄件，不僅所有密封面沒有任何鑄造缺陷，且鑄件內外表面光滑平整；節省了樹脂砂成本，而且大大地縮短了鑄件清理打磨時間，減少了打磨費用；不僅鑄件質量滿足了客戶需求，還極大地提高了鑄件生產效率及工藝出品率（工藝出品率由69%提高到85%）。