低压铸造ZL201A铸件缺陷分析及工艺优化
2015-04-23张西生古良张锐
■ 张西生,古良,张锐
ZL201A合金是一种传统的高强韧铸造铝合金,具有非常好的强度、塑性、韧性,因此在航空航天领域应用广泛。但由于该合金为Al-Cu-Mn系合金,结晶温度范围宽,以粥状方式凝固,铸造性能差,流动性不好,收缩大,在结晶时易产生缩松、裂纹和偏析等铸造缺陷,其中裂纹、缩松是Zl201A合金铸件最常见的缺陷。其化学成分见表1。
1. 铸件结构及铸件缺陷
该铸件为某产品出弹圆盘体,铸件材料为ZL201A,最大轮廓尺寸为f912mm×90mm,结构如图1所示。铸件最大壁厚为46mm,最小壁厚为13mm,铸件重量为96kg。由于铸件尺寸较大,且壁厚不均匀,考虑到铸件使用要求较高,要求整体X射线无损检测后无裂纹、缩松等铸造缺陷,生产中采用低压铸造,以此减少铸件凝固时产生的热裂倾向,提高铸件内部质量。
该铸件实际生产中,经X射线检测发现,铸件的缩松和裂纹常出现在铸件的受力拉筋上(见图2、图3),而且多出现在铸件薄厚壁过渡区域。
缺陷的主要特征如下:
(1)缺陷区域宏观组织形貌为线状缩松和裂纹掺杂在一起,断口有氧化现象。
(2)缺陷位置主要位于铸件里面与平面交界的根部应力集中部位,且接近厚薄变化部位。
(3)裂纹组织形貌为鱼骨状,且主要分布在晶界上。
2. 铸件原工艺设计及改进
图1 铸件实物
图3 铸件裂纹X射线检测
图2 铸件缩松X射线检测
表1 ZL201A化学成分(质量分数) (%)
通过对该铸件缺陷的出现位置和断口形貌分析,出现上述缺陷的原因主要是合金补缩不到位,造成铸件凝固时没有足够的铝液补充,从而使铸件壁厚较大的热节部位比内浇口后凝固,从而造成铸件该部位缩松、裂纹,进而导致铸件上出现穿透性裂纹,严重影响了铸件质量。
铸件原浇注参数及浇注系统设计:该铸件采用树脂砂低压铸造方式浇注来保证铸件质量,铸件在压力下充型及凝固,使铸件的致密性得到提高,减少铸件内部缺陷。浇注过程分为升液→充型→增压Ⅰ→结壳→增压Ⅱ→保压,具体参数见表2。
浇注系统采用底注充型,浇注系统主要结构为直浇道、横浇道、内浇道。浇注系统内浇道分布如图4所示。
内浇道数量为20个,大端截面尺寸为50mm×20mm,小端截面尺寸为50mm×12mm,高为40mm;对于热节较大的铸件上部,采用铝冷铁激冷,使铸件形成从上到下的顺序凝固,最后凝固的为热节最大的横浇道。
3. 铸造工艺方案的优化
根据上述缺陷分析,造成铸件缩松和裂纹的主要原因:①铸件凝固过程中增压压力不足。②铸件浇注系统中内浇道较少,且分布不合理。③热节较大部位冷铁激冷效果不好。
针对上述原因分析,主要采取以下措施来改善铸造质量。
(1)提高结壳速率,减少结壳时间,加大增压Ⅱ过程增压速率,使铸件得到充分补缩,防止铸件在凝固时因补缩不足引起的缩松、裂纹等缺陷。优化参数见表3。
(2)改变铸件浇注系统内浇道分布,让内浇道位置处于铸件的热节部位和壁厚突变部位,同时增加内浇道数量和尺寸,使单位时间内铸件的进铝量增加,以起到更好的补缩作用。将内浇道数量增加为45个,其中内浇口A为37个,大端截面尺寸为60mm×20mm,小端截面尺寸为60mm×12mm。内浇道B为8个,大端截面尺寸为120mm×20mm,小端截面尺寸为120mm×12mm,高度均为40mm。如图5所示。
(3)原铸件热节较大部位和壁厚较厚部位的冷铁为厚度15mm的铝合金冷铁,换成厚度为15mm的钢质冷铁,激冷效果更好,使铸件远离浇口和不容易补缩的部位先凝固,从而使铸件整体的凝固符合顺序凝固原则。
4. 生产验证
图4 浇注系统内浇道示意
图5 改进后浇注系统内浇道示意
图6 工艺改进后铸件X射线检测
表2 低压铸造浇注工艺参数
表3 低压铸造浇注优化工艺参数
按照优化改进后的工艺方案生产出的铸件如图6所示,外观质量良好。经X射线检测,铸件本体未见缩松、裂纹等缺陷,铸件尺寸及内部质量要求均满足设计要求。
5. 结语
通过对该铸件产生缩松、裂纹等缺陷进行分析,在原工艺的基础上加大了铸件凝固时铸件型腔的压力,增加了单位时间内的铝液进入量,使铸件凝固时得到充分补缩,对铸件不易补缩部位采取更好的激冷措施,能够有效地解决铸件厚大部位和壁厚突变等区域缩松、裂纹等缺陷,从而可大幅提高铸件的产品质量。
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