铝合金支座铸件的压差铸造工艺研究

2013-11-20郭李胜叶凤柏郭全生山西平阳重工机械有限责任公司山西侯马043003

铸造设备与工艺 2013年2期

郭李胜，叶凤柏，郭全生（山西平阳重工机械有限责任公司，山西侯马 043003）

支座是定位仪上的一个重要零件，长期服役，要求尺寸稳定性要好。铸件要求不得有裂纹、疏松、针孔等任何铸造缺陷，不能进行焊补，对3个马蹄孔进行X射线探伤，探伤要求为一级疏松和一级针孔。该铸件结构复杂，热节多而且分散，给铸件的补缩带来了较大的困难。该支座的材料为Z L 424，其铸造性能差，裂纹、缩松倾向大，铸造难度大。

在铸造生产过程中常产生裂纹、缩松、气孔等缺陷，特别是裂纹缺陷危害最大，在铸造、热处理甚至机加后都很少产生裂纹，大部分是在机加过程中和机加完成后甚至装机运行后才产生裂纹，对产品的长期使用造成了较大的潜在威胁。同时由于铸件的废品率较高（废品率在40%左右），造成了较大的经济损失。

1 铸造缺陷的种类及铸造缺陷的形成原因分析

1.1 铸造缺陷的种类

生产中存在的主要缺陷是裂纹和缩松。经统计原工艺生产的55件铸件，报废22件，废品率为40%；其中裂纹13件，是主要缺陷，占废品总数的59.1%，其次是浇口处的缩松7件，占废品总数的31.8%，其它缺陷占废品总数的9.1%。

1.2 缩松缺陷的形成原因分析

从支座的结构特点来看，十字和T字交叉筋较多，热节很分散，特别是马蹄孔处的热节较大（如图1所示），且大多数分散的热节都远离浇口，无法实现浇口对远端热节的补缩作用，因此在分散的热节处极易出现缩松缺陷。

1.3 裂纹缺陷的形成原因分析

Ⅰ类裂纹是在L型厚大台阶处，如图1 b)所示，该处放置2块冷铁，在浇注时两块冷铁之间易形成披缝。在冷却凝固过程中，由于披缝薄凝固快，铸件的L型台阶处厚大凝固慢，在继续凝固收缩时先凝固的披缝受压应力，后凝固的铸件厚大台阶处受拉应力，披缝阻碍了铸件的收缩，当应力一定大时在L型厚大台阶处就形成了裂纹。

Ⅱ类裂纹是在马蹄孔处的厚大部位，如图1 b）所示，是由于该裂纹在铸造和热处理后很少产生，大部分是在机加过程中和机加完成后甚至在装机运行后才产生裂纹，因此说明该处的铸造内应力较大，而且在热处理过程中应力没有完全消除。原工艺在厚大的马蹄孔内园设置了环形冷铁。这样一方面在凝固时内圈冷铁对铸件的收缩形成了较大的阻力；另一方面由于冷铁的激冷作用，快速形成的激冷层对外围后续的凝固层形成了较大的收缩阻力，导致铸件形成了较大的铸造内应力，同时由于该材料Z L 424裂纹倾向大，因此该处就极易形成裂纹缺陷。

2 浇注温度和浇注系统对裂纹和缩松缺陷的影响

2.1 浇注温度对裂纹和缩松缺陷的影响

该支座结构复杂十字和T字交叉筋较多（如图1），热节很分散，大部分是10 mm的均匀壁厚，局部较厚大。浇注温度高（＞725℃）时，远离浇口的马蹄孔部位由于其壁厚厚大且得不到充分补缩易产生疏松缺陷；浇注温度低（＜695℃）时，马蹄孔部位在冷铁的激冷作用下疏松缺陷可以消除，但是由于冷铁的收缩量 L冷铁收缩量＝（T收前温度－T室度）×ε，T浇低时，T收前温度就低，则 L冷铁收缩收缩量就小，冷铁的退让性就差，收缩阻力就大，铸件冷却到室温时内部产生的残余应力就大。易产生裂纹缺陷。同时十字和T字交叉筋分散性热节处由于得不到充分补缩易产生疏松缺陷；因此该铸件对浇注温度特别敏感，在生产实践中选择了不同的浇注温度做了多次试验，发现浇注温度过高或过低都易形成裂纹和缩松缺陷。

2.2 浇注系统对裂纹和缩松缺陷的影响

内浇口位置、数量和大小的设计对裂纹和缩松缺陷的有较大的影响，内浇口位置应开设在离热节较近的位罝，最大程度地利用压差铸造的压差补缩能力，消除疏松缺陷；根据该铸件热节多而分散的特点内浇的数量应多而分散，一方面减少浇注时的过热，另一方面可缩短浇口对热节的补缩距离，有利于消除裂纹和缩松缺陷；内浇口总面积适当增大以减少铝液浇注时的出口速度，减少飞溅，实现平稳充型，有利于消除针孔和缩松缺陷。

3 工艺改进方案

3.1 浇注系统的改进

将垂直缝隙式浇注系统改进为底注水平缝隙式浇注系统（如图1），实现了平稳充型；同时增大内浇口的截面积，并将内浇口分散分布，实现了铸件同时凝固，减少热应力，与此同时缩短了浇口与铸件热节之间的距离，增强了浇口对铸件局部热节的补缩作用。

3.2 冷铁的改进

1）取消马蹄孔处的内圈冷铁，在马蹄孔的厚大部位上部设置冒口，以减少马蹄孔的收缩应力，增加补缩能力，消除马蹄孔处的裂纹缺陷；

2）将L型厚大台阶处的两块冷铁改为一块L型的成型冷铁，消除原来两块冷铁间的披缝。

3.3 浇注温度的确定

选择不同的浇注温度（695℃～725℃）进行试验，确定最佳的浇注温度。

3.4 压差浇注工艺参数的改进

保压压力由0.0115 MPa提高到0.0155 MPa，通过提高保压压力，增加了压差浇注的补缩能力，充分利用了压差浇注的挤虑补缩作用，减少晶粒间的显微疏松。

4 工艺改进后的效果及分析

1）将垂直缝隙式浇注系统改为底注水平缝隙式浇注系统，同时将内浇口的总截面积由8400 mm2增加到16500 mm2.降低了铝液浇注时的出口速度，实现平稳充型，减少了金属液进入内浇口时产生的紊流，减少了铝液的二次氧化，有利于消除缩松的气孔缺陷。同时内浇口截面积增大后，减轻了金属液对铸件的局部过热作用，有利于实现同时凝固，减少内应力，有利于消除裂纹缺陷。

2）改变了内浇口的位置，将内浇口直接对准易产生疏松的热节，加强了对局部热节的补缩作用。实现了整体同时凝固，局部顺序凝固的理想效果。既可加强补缩，又可减小内应力。

3）取消了马蹄孔内的冷铁，在马蹄孔的厚大部位上部设置了冒口，减少了马蹄孔的收缩应力，解决了马蹄孔处的Ⅱ类裂纹缺陷。

4）将L型厚大台阶处的两块冷铁改为一块L型的成型冷铁，消除原来两块冷铁间的披缝，解决了Ⅰ类裂纹缺陷。

5）经过工艺改进后生产了40件铸件，合格35件，合格率达到了87.5%，取得了较满意的效果。