zl205a大型整體殼體鑄件的鑄造工藝研究

zl205a大型整體殼體鑄件的鑄造工藝研究

1鑄造缺陷超差結(jié)構(gòu)的重量、速度和成本降低的需求促進了zl205a鋁合金大規(guī)模復雜的整體材料在不同行業(yè)的廣泛應(yīng)用。雖然ZL205A合金強度在國內(nèi)鑄造鋁合金中最高,但由于鑄造性能差,容易在鑄造過程中出現(xiàn)氣孔、針孔、疏松、偏析、裂紋等缺陷。在ZL205A合金整體鑄件研制初期,采用傳統(tǒng)重力鑄造工藝生產(chǎn),受人為因素影響最大的兩道工序熔煉和澆注均為手工操作,造成鑄件內(nèi)部質(zhì)量不夠穩(wěn)定,鑄件因氣孔、針孔、疏松、偏析、裂紋等缺陷超差而報廢的數(shù)量較多,不僅經(jīng)濟損失大,而且嚴重影響研制和生產(chǎn)周期,成為生產(chǎn)的瓶頸。鑒于ZL205A鋁合金整體結(jié)構(gòu)鑄件質(zhì)量的嚴峻形勢,我單位利用低壓鑄造工藝開展了殼體鑄件技術(shù)研究。2u2004鑄造ZL205A合金屬于Al-Cu系鑄造鋁合金,其力學性能與Al-Si系ZL101A、ZL104、ZL114A合金相比提高了許多,但由于ZL205A合金中Cu含量為:4.6%~5.3%,且含有Mn、Ti、Zr、V、Cd、B等多種組元,其結(jié)晶溫度間隔比Al-Si系合金寬,流動性僅是ZL104合金的68%,有嚴重疏松傾向。它從液態(tài)到固態(tài)的收縮率也比Al-Si系合金大,線收縮是ZL104合金的1.3倍,容易產(chǎn)生疏松、裂紋、偏析等鑄造缺陷。鑄件需進行100%X光透視,內(nèi)部不允許有裂紋,偏析按專用技術(shù)條件驗收,圓形針孔不允許超過4級,長形針孔不允許超過2級,海綿狀疏松和分散狀疏松均不允許超過2級。鑄件澆注重量達到2100kg。3主要研究內(nèi)容3.1確定最佳工藝參數(shù)鑄造工藝施工是鑄造生產(chǎn)中最早的一道工序,它的合理與否,直接關(guān)系到后續(xù)工序的成敗和操作難易程度。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)性能要求確定鑄件合適的分型面位置、澆注位置、澆冒口系統(tǒng)位置和尺寸、冷鐵位置和尺寸等,從而確保鑄件的順序凝固和合金液充型平穩(wěn)。同時通過采取鑄造CAE數(shù)值仿真技術(shù),對鑄造工藝方案進行模擬、預(yù)測和驗證,提高工藝方案的可靠性和合理性。3.1.1開放式裂隙澆注系統(tǒng)殼體鑄件結(jié)構(gòu)為圓錐形,為了保證熱量分布均勻,合金液充型平穩(wěn),鑄件各部分得到充分補縮,采用開放式縫隙式澆注系統(tǒng)。同時,在澆注系統(tǒng)各截面設(shè)計時采用順序凝固的方式。在澆注系統(tǒng)尺寸設(shè)計時,立筒的大小和縫隙的寬度對殼體的壁部縮松有很大影響,要求設(shè)計的立筒和縫隙應(yīng)慢冷于相對的殼體壁部,有利于壁部良好的補縮,縫隙的寬度還應(yīng)使合金液實現(xiàn)層次地、平穩(wěn)地充型。3.1.2偏析缺陷、偏析缺陷在凝固過程中,由于坭芯阻礙收縮,ZL205A合金極易出現(xiàn)裂紋、偏析缺陷。需要采用組芯造型的方法,適當增加坭芯間隙,提高內(nèi)腔坭芯在鑄件液態(tài)收縮和固態(tài)收縮的初期型(芯)的退讓性,有效減少鑄件裂紋、偏析等鑄造缺陷,降低鑄件因內(nèi)部質(zhì)量超差的報廢率。3.1.3鑄造工藝的改進針對鑄件輪廓尺寸較大、鑄件材料容易產(chǎn)生裂紋和偏析的特點,通過在鑄件頂部和底部設(shè)置工藝拉筋,增強鑄件整體剛度,提高鑄件抗應(yīng)力的能力,避免因鑄造應(yīng)力過大產(chǎn)生裂紋等缺陷。3.1.4鑄件及危險單元的分布用三維造型軟件Solidwork繪出三維工藝圖,生成STL文件,用鑄造CAE軟件進行網(wǎng)格剖分。圖1是殼體鑄件模擬后Niyama縮松分布圖,疏松危險單元基本上均分布在立筒中,鑄件中只有極個別部位存在疏松危險單元。說明鑄件工藝方案基本合理可行。3.2樹脂砂粘結(jié)劑的確定不同的型芯材料和涂料工藝對鑄件表面質(zhì)量、尺寸精度、內(nèi)部質(zhì)量和力學性能影響很大,針對殼體鑄件尺寸大,所用材料ZL205A合金容易產(chǎn)生裂紋傾向的情況,確定采用酚醛脲烷樹脂砂工藝。該樹脂砂粘結(jié)劑由派普樹脂(組份ICPI5140(苯甲基醚酚醛)+組分IICPII5235(聚異氰酸脂))構(gòu)成。通過研究樹脂粘結(jié)劑不同比例加入量對型(芯)強度、發(fā)氣量的影響,確定了每組份加入量為硅砂的1%。3.3旋轉(zhuǎn)噴吹除氣技術(shù)鑄造鋁合金的熔煉是鋁合金鑄件生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié),一件優(yōu)質(zhì)鋁合金鑄件的獲得,需要合理而先進的鑄造方法,更需要高質(zhì)量的合金液以及正確的熔煉工藝。為了保證氣泡在鋁熔池中均勻分布,滿足精煉的動力學條件,提高精煉效率,采用了旋轉(zhuǎn)噴吹除氣技術(shù)。旋轉(zhuǎn)噴吹除氣工藝參數(shù)見表1。3.4低壓澆注階段低壓鑄造給密封的坩堝(或密封罐)通入干燥的壓縮空氣,金屬液在氣體壓力的作用下,沿升液管上升,通過澆口平穩(wěn)地進入型腔,并保持坩堝內(nèi)液面上的氣體壓力,一直到鑄件完全凝固為止。然后解除液面上的氣體壓力,使升液管中未凝固的金屬液流向坩堝。低壓澆注見圖2,澆注過程分為升液、充型、增壓、保壓階段。優(yōu)質(zhì)鑄件的獲得,不僅需要先進的澆注方法,也必須設(shè)置合適的澆注工藝參數(shù)。根據(jù)鑄型高度、液面高度、鑄件材料、鑄件壁厚以及結(jié)構(gòu)特點初步確定低壓澆注升液、充型、結(jié)殼、增壓、保壓各階段的不同壓力、速度以及澆注溫度,根據(jù)澆注的鑄件質(zhì)量情況完善澆注參數(shù),確定出最佳低壓澆注工藝參數(shù),澆注出優(yōu)質(zhì)的鑄件。實際生產(chǎn)中由于鑄件的結(jié)構(gòu)與復雜性各不相同,需要不斷地調(diào)整各階段的壓力和速度。表2為通過研究確定的殼體鑄件低壓澆注工藝參數(shù)。4試驗性能通過利用上述研究成果進行工藝方案設(shè)計、數(shù)值仿真,酚醛樹脂砂造型(制芯),旋轉(zhuǎn)噴吹除氣,低壓澆注,共進行了7件殼體鑄件研制試驗。4.1縱向裂紋試驗經(jīng)X射線檢查,第1爐鑄件存在橫向裂紋2處;縱向裂紋2處;存在1處5級疏松,多處3級疏松,疏松位置以鑄件下部立筒附近偏多。同時,鑄件雜質(zhì)元素Si含量超標。4.1.1裂紋成因分析鑄件產(chǎn)生裂紋、偏析的原因:經(jīng)對鑄件X光照片影像分析,鑄件橫向裂紋主要是由于偏析產(chǎn)生的。通過進一步對穿透裂紋處進行能譜分析,發(fā)現(xiàn)銅含量分別為25%、26%、27%,說明裂紋處存在明顯的Cu元素聚集現(xiàn)象,即白裂紋,而縱向裂紋主要是由于過熱、補縮通道不暢和收縮受阻引起的熱裂紋。另外,鑄件雜質(zhì)元素Si偏高也是產(chǎn)生橫向裂紋和縱向裂紋的原因,雜質(zhì)Si元素的加入降低了Cu在α中的溶解度,而且組織中出現(xiàn)低熔點的三元共晶α+CuAl2+Si,同時,Si能形成不溶的Al10Mn2Si相而減少溶于α中的Mn量,粗大的Al10Mn2Si相分布在晶界上,削弱了基體,增加了熱裂傾向。疏松產(chǎn)生的原因:經(jīng)對鑄件X光照片影響進行研究,疏松主要分布于立筒附近,沿縱向分布。疏松的原因主要是由于立筒附近金屬液過熱,造成立筒和縫隙先凝固,而鑄件后凝固,從而使鑄件立筒附近出現(xiàn)孤立液相而形成疏松缺陷。4.1.2u3000立筒數(shù)量a.嚴格控制原材料,采用合金錠進行配料;b.加強合金液的攪拌,澆注前攪拌合金液30~60s;c.將立筒數(shù)量由原來20個增加為28個(均布);便于合金液分散充型,分散立筒縫隙附近的熱量,從而消除立筒附近過熱現(xiàn)象;d.將充型速度由38mm/s調(diào)整至50mm/s,加大結(jié)晶壓力5MPa,減少鑄型上、下溫差,增強合金液補縮效果。4.2復透鑄件質(zhì)量檢查采用第一次工藝改進后進行第2爐殼體的研制;從鑄件X透視情況可以看出,第2爐鑄件靠近小端兩法蘭之間側(cè)壁存在一條長30mm橫向偏析、13處夾雜缺陷。對鑄件進行半精加工后復透上面兩法蘭之間部位,發(fā)現(xiàn)仍存4處夾渣、1處27mm長偏析。其余部位均沒有發(fā)現(xiàn)超標缺陷。4.2.1冷鐵設(shè)計太厚由于兩法蘭之間冷鐵被鑄件三面包圍,該處熱容量大,該部位冷鐵過熱嚴重,且兩個法蘭之間距離較小,僅30mm,冷鐵不能設(shè)計太厚,否則,鑄鋁冷鐵靠近鑄件側(cè)壁根部處部分熔化,失去激冷效果,導致冷鐵與鑄件金屬液熔合在一起,形成夾雜。4.2.2工藝優(yōu)化措施在兩個法蘭之間和鑄件小端側(cè)壁選用鑄鐵冷鐵,代替鑄鋁冷鐵。4.3優(yōu)化后的效果通過采取兩次工藝改進措施后,連續(xù)研制了5件工藝試驗件,X光透視均合格,證明工藝優(yōu)化有效。5解決關(guān)鍵技術(shù)問題5.1澆注系統(tǒng)設(shè)計針對ZL205A合金結(jié)晶溫度間隔寬,流動性差的情況,在澆注工藝方面采用低壓澆注,加強了合金液的補縮效果。在澆注系統(tǒng)設(shè)計方面,采取增加縫隙式澆口,分散金屬液熱量,防止鑄型局部過熱,減少澆注系統(tǒng)的補縮距離。在生產(chǎn)首件工藝試驗件(第1爐)時,鑄件立筒附近存在多處疏松缺陷,通過增加立筒數(shù)量,使合金液分散充型,分散立筒縫隙附近的熱量,消除了立筒附近疏松缺陷。5.2側(cè)壁片號0.第二件試驗件(第2爐)粗加工后進行X光透視時,發(fā)現(xiàn)兩法蘭之間側(cè)壁23#、25~29#、211~214#、216#、218#、219#片號存在夾雜。通過將該處鑄鋁冷鐵(熔點670℃左右)改為鑄鐵冷鐵(熔點1200℃左右),消除了該處夾雜缺陷。5.3zl205a鑄造缺陷的工藝分析由于ZL205A合金屬于Al-Cu系合金,在結(jié)晶過程中先析出熔點較高α相,最后析出熔點低的共晶相(α+CuAl2),形成銅元素富集區(qū),產(chǎn)生枝晶偏析和晶間偏析,其中枝晶偏析是由于冷卻速度快時,形成不平衡結(jié)晶,先結(jié)晶的成分(含銅量低的組元)來不及充分擴散,使結(jié)晶的主干和與后結(jié)晶的枝干間成分產(chǎn)生差異。晶間偏析是枝晶偏析的進一步發(fā)展,是固液界面液相中某些元素富集(銅元素)并遷移到最后凝固的晶界上或孔隙間所致。而裂紋和線狀偏析缺陷是在鑄件凝固過程中,因型砂、芯砂、澆注系統(tǒng)阻礙而不能自由收縮時,在鑄件內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力或應(yīng)變超過金屬在該溫度下的斷裂強度或斷裂應(yīng)變,產(chǎn)生熱裂紋,當未凝固的低熔點金屬液(α+CuAl2)在補縮壓力的作用下填充入裂紋處而形成線狀偏析(白裂紋)。針對ZL205A合金容易產(chǎn)生裂紋、偏析缺陷的特點,在工藝設(shè)計和研制過程中采取了如下措施:a.采取組芯造型,增加鑄型的退讓性,防止裂紋和線性偏析的產(chǎn)生;b.適當提高合金澆注溫度,減少鑄件不同部位的溫差,增加鑄型(芯)退讓性;c.加強合金液的攪拌,除了用旋轉(zhuǎn)噴吹除氣對合金液進行攪拌外,澆注前手工攪拌;d.在鑄件上部和底部設(shè)置工藝筋,加強鑄件剛性。采取上述措施基本上消除了裂紋和偏析缺陷,但由于ZL205A合金的特殊性,且影響鑄造生產(chǎn)過程的因素很多,在生產(chǎn)過程