低壓澆鑄鋁合金齒輪箱的匯流雙層膜缺陷研究

包國棟，陳 煒

（1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213000；2.中國鐵路上海局集團有限公司常州機車車輛監(jiān)造項目部，江蘇常州 213000）

0 引言

低壓鑄造是一種鋁合金齒輪箱常見的成形技術，是將金屬液在可控的氣壓下由下至上的填充鑄型，并在壓力下凝固獲得鑄件的一種方法[1]。其特點是金屬液流動充型平穩(wěn)；鑄件在壓力下凝固，依靠保壓壓力提供補縮壓力，從而有效減少和避免縮孔縮松缺陷[2]。可滿足軌道交通領域對高綜合性能、高可靠性、輕量化、形狀復雜產品的需求。

鋁合金齒輪箱是機車行走的關鍵零部件，其使用條件對氣密性和整體強度有明確要求。在齒輪箱低壓砂型鑄造過程中，某型號齒輪箱頂部位置出現(xiàn)因匯流雙層膜缺陷導致的失效行為，影響到了產品交付。

本文對齒輪箱頂部位置出現(xiàn)的匯流雙層膜缺陷進行了失效分析，利用MAGMA 軟件對鑄造過程中的流場進行了模擬計算，并進行了鑄造工藝的優(yōu)化。

1 失效分析

對送檢齒輪箱缺陷性質進行分析,在上箱體內腔發(fā)現(xiàn)存在線狀缺陷。

圖1 是失效位置宏觀形貌，缺陷呈V 字型。在缺陷附近取樣后將缺陷人工掰開，得到的斷面形貌如圖2 所示，下半部分平滑區(qū)域為缺陷原始斷面，斷面與箱體外壁基本垂直。將斷面經(jīng)乙醇超聲清洗后放入掃描電鏡觀察微觀形貌，見圖3。缺陷表面有明顯的褶皺形體，具有雙層膜缺陷特征。這是液體表面積收縮時，氧化膜并不能進行收縮，使得多余面積造成折疊而形成的褶皺形貌。

圖1 失效位置宏觀形貌

圖2 斷面宏觀形貌

圖3 微觀形貌

2 過程模擬及分析

依據(jù)現(xiàn)有工藝參數(shù)，利用MAGMASOFT 對齒輪箱充型和凝固過程進行模擬。通過軟件模擬發(fā)現(xiàn)：在現(xiàn)有工藝下，鋁液在到達箱體頂部處時局部溫度較低，低于鋁合金液相線溫度（619℃），溫度場模擬結果如圖4 所示。利用模擬軟件的充型速度模塊進行模擬計算，可以看到鋁液在上升至頂部時，流速較快，流速模擬結果如圖5 所示，在接近充滿時，流速約為（0.1～0.2)m/s。模擬軟件的充型過程顯示，匯流處與實物裂紋位置基本一致。

圖4 箱體充型過程溫度場模擬

圖5 箱體充型過程速度場模擬

根據(jù)Campbell 提出鑄造過程中的雙膜缺陷理論[2]：表面湍流是表面氧化膜卷入形成雙層膜缺陷的必要條件，鋁合金熔體產生表面湍流的臨界流動速度為0.5m/s[3]。鋁液在充型過程中流動速度較高形成表面湍流時，由于動蕩的液面上下起伏會導致舊的氧化膜不斷破裂進而新的氧化膜不斷生成。流動速度較低時，匯流前端的鋁液無法突破原有氧化膜，表面膜不再不斷破裂和重新再生，而是原有氧化膜在和空氣的接觸下會慢慢變厚，其強度得到強化。

當兩股鋁液接近匯流時，由于排氣不暢等原因，會造成匯流速度變慢，由于強化變厚的氧化膜與氧化膜之間的界面為固-固界面，在兩者之間流速低于0.5m/s 時，難以發(fā)生融合，所以中間會始終留有一定的間隙直到鋁液凝固后形成線狀缺陷。匯流時金屬液停止流動后雙層膜缺陷將擴展，完全穿過鑄件，形成一個大的平面缺陷。

此外，匯流在完成接觸融合之前，兩股匯流之間的氣體也會隨著氧化膜被卷入鋁液中，除此以外由于鋁液中氣體會析出，在鋁液中氣體形核要達到下面的壓力條件[4]：

式中，γ 是自由表面張力，對于鋁液而言為1N/m；r則在0.1nm 數(shù)量級。這就意味氣體在鋁液中形核要達到20GPa 的壓力，顯然在凝固條件下難以達到。而在雙膜缺陷附近就很容易形成，所以一部分氣體會形成小氣泡吸附在線狀缺陷上，這些氣泡會導致線狀缺陷的間隙變大，使得線狀缺陷更為明顯。

3 工藝改善建議

根據(jù)以上分析，本文進一步對低壓鑄造的工藝曲線進行調整，提高頂部鋁液充型時的流動速度，流動速度的最大值從更改之前的0.2m/s 提升到了0.5m/s，降低匯流部分表面氧化膜的擴展，從而降低線狀缺陷的發(fā)生率。

同時對箱體模具進行修改，在頂部處增加溢流槽，使溫度較低的前端鋁液進入溢流槽，溫度較高的鋁液形成鑄件。增加的溢流槽能夠將匯流前段轉移至溢流結構中，保持原匯流處金屬液前沿不斷流動，使得匯流流速接近靜止的部位離開鑄件本體。

4 結論

（1）匯流雙層膜融合縫缺陷是鋁合金箱體形成裂紋的主要原因。

（2）匯流雙層膜融合縫缺陷來源于頂部鋁液匯流時形成。

（3）為了進一步減少雙層膜缺陷，建議提高產品鑄造澆鑄速度，增加匯流處溢流。