薄壁復(fù)雜鋁合金殼體鑄件近凈成型工藝研究

薄壁復(fù)雜鋁合金殼體鑄件近凈成型工藝研究

21世紀(jì)，鑄造件發(fā)展到“精細(xì)”、“輕量化”和“復(fù)合化”。精細(xì)化是指創(chuàng)建“短而不足的量”和“零缺陷”鑄造件。鑄造工作者對“近凈成形技術(shù)”越來越重視，而“近凈成形技術(shù)”是鑄件生產(chǎn)制造由粗放向精細(xì)化轉(zhuǎn)變的方向，它要求更精細(xì)化的外部質(zhì)量，內(nèi)部質(zhì)量則要求更加完善，使得鑄件產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)且低成本1試驗(yàn)內(nèi)容1.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)材料為ZL101A鋁合金，按其鑄造標(biāo)準(zhǔn)GB/T11773-2013要求，成分組成與要求一致，具體見表1。1.2鑄件力學(xué)性能及組織本次鑄件熔煉選取300kg電阻爐，采用硅溶膠熔模鑄造成形，鑄件采用X射線探傷檢測以及熒光檢查，并測試其力學(xué)性能，通過金相顯微鏡檢查其組織形貌。1.3積冷卻筋設(shè)計試驗(yàn)用薄壁鑄件見圖1，鑄件整體的壁厚差較大，兩側(cè)分布大面積散熱筋（厚度為2mm），中間為薄隔板（壁厚2～4mm），兩端面形狀厚大(壁厚30mm)，在鑄件內(nèi)部局部有細(xì)長形深槽，且外形尺寸為300mm×200mm×200mm。2鑄造工藝方案2.1陶瓷過濾器設(shè)計鑄件結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，中間有隔板連接，因而鑄件凝固過程中收縮率屬于線性收縮，但是鑄件的隔板壁厚以及外側(cè)面全部為散熱筋，壁厚僅僅為2mm，不利于鑄件的完整成型。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鑄件頂注式工藝的合金流程短，有利于鑄件成型，并采用“真空-壓力-熔模”復(fù)合工藝。由于此鑄件為薄壁件，存在較大的壁厚差，因此，設(shè)計主澆口時，需要把鑄件最薄的隔板位置直接放置在主澆口下部，頂部部位放置四處冒口，在澆注過程中兼顧散熱筋的成型，澆注完成后同構(gòu)上面的大冒口保證厚大部位的補(bǔ)縮。如圖2所示，將陶瓷過濾器設(shè)置在主澆道下部，能夠減少鑄件雜質(zhì)；針對另一端厚大部位，在澆注過程中該位置放置于鋼板上，可迅速降低溫度，提高合金凝固速度，從工藝方案角度考慮，可避免或者減少鑄件縮松縮孔的產(chǎn)生。2.2試驗(yàn)材料及工藝參數(shù)的確定該鑄件采用中溫模料，蠟?zāi)１砻婀鉂嵍容^好，面層涂料原材料為325目的白剛玉，面層砂的篩號為80(1）型殼材料及硅溶膠制作工藝參數(shù)。型殼材料配制方法及硅溶膠制作工藝參數(shù)見表2。(2）硅溶膠型殼脫蠟工藝和焙燒工藝。硅溶膠型殼脫蠟工藝和焙燒工藝見表3和圖3。(3）試驗(yàn)合金的熔煉及鑄件澆注工藝。本次試驗(yàn)合金的熔煉及鑄件澆注工藝見表4。2.3凝固過程分析在確定澆注工藝后，需要對工藝進(jìn)行模擬，選擇Flow3D模擬軟件，合金液體充型和凝固結(jié)果見圖4。先對鑄件的充型過程進(jìn)行分析，澆注溫度比較高，因而澆注時間較短，當(dāng)鑄件溫度位于合金液相線之上時，型腔已經(jīng)全部充滿。從圖4(a）可以看出，當(dāng)澆注開始時，金屬液體平穩(wěn)地從澆口流入澆道，然后流入型腔當(dāng)中；從圖4(b）可以看出，合金液體由鑄件底部平穩(wěn)地上升到頂部，整個過程由下到上依次充型；從圖4(c）可以看出，合金液體充型結(jié)束，鑄件內(nèi)部溫度保持均勻，氣體含量較少。對凝固過程進(jìn)行分析，整個凝固過程按時間順序進(jìn)行凝固，確保遠(yuǎn)離冒口的位置先凝固，離冒口近的位置后凝固。從圖4(d）可以看出，由于底部有鋼板接觸，底部部分先凝固，無冷隔現(xiàn)象；從圖4(e）可以看出，整體凝固基本實(shí)現(xiàn)了順序凝固，平穩(wěn)進(jìn)行，鑄件中間的薄板位置，無明顯缺陷；從圖4(f）可以看出，鑄件上端的厚大部位凝固時，無單獨(dú)的液相區(qū)，鑄造缺陷全部位于明冒口上端部位，整個工藝方案合理。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1鑄造件的結(jié)果使用硅溶膠工藝鑄造的鑄件見圖5。從鑄件結(jié)果可以看出：鑄件成形完好，棱角分明，表面光滑，表面無鑄造缺陷。3.2內(nèi)部質(zhì)量對制造好的硅溶膠鑄件進(jìn)行X光和熒光檢查，鑄件內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)GB/T9438-2013的Ⅱ類要求，能夠滿足顧客對該產(chǎn)品的要求。3.3硅溶膠鋁合金顯微組織鑄件經(jīng)過T6處理后，對同爐試棒進(jìn)行力學(xué)性能和金相檢測，結(jié)果見表5。硅溶膠試樣抗拉強(qiáng)度和伸長率均比普通重力澆注的高。經(jīng)金相觀察（圖6）可見，硅溶膠鋁合金顯微組織合格。真空澆注、增壓凝固工藝使得晶粒細(xì)小均勻，普通重力澆注工藝的晶粒較大。3.4補(bǔ)縮通道與壓力真空鑄造可以降低鋁合金熔體粘度，提高鋁合金熔液的充型能力。如圖7所示，粘度關(guān)于壓力的指數(shù)依賴關(guān)系可用式（1）描述：式中：η在壓力下結(jié)晶凝固是指壓力場一直貫穿在結(jié)晶凝固的全過程。具體凝固及補(bǔ)縮原理見圖8。在壓力下鑄件的補(bǔ)縮速度式中：v為合金液的補(bǔ)縮速度；μ為合金液體的動力黏度；D為晶粒的平均直徑；φ為系數(shù)；η為補(bǔ)縮通道的實(shí)際長度與固相骨架的厚度之比，一般η>1；δ為補(bǔ)縮通道大??；ΔT為合金結(jié)晶溫度范圍；G為液固共存區(qū)的溫度梯度；σ為液態(tài)金屬的表面張力；P從式（2）可以看出，晶間x處的補(bǔ)縮速度和補(bǔ)縮通道大小δ、合金結(jié)晶溫度范圍ΔT、液固共存區(qū)的溫度梯度G、液態(tài)金屬的表面張力σ、結(jié)晶凝固時的保壓壓力P因而可以得出結(jié)論，針對ZL101A結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過真空澆注，可以降低氫原子的溶解度，有效防止氣體夾雜，減少氣孔的生成；通過在壓力下結(jié)晶凝固，一方面可以有效地提高合金溶液的過冷度，從而使組織細(xì)小致密，另一方面壓力補(bǔ)縮可以在很大程度上消除氣孔、縮松等缺陷。通過這一系列措施，充分保證了鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。4有利于提高鑄件內(nèi)部質(zhì)量(1）鑄件在真空澆注狀態(tài)下有利于鑄件成型，能夠有效降低澆注溫度和型殼溫度。(2）在真空澆注、增壓凝固工