液力变矩器不同铸造工艺对产品质量的影响

马永超，马亮亮

（山推工程机械股份有限公司，山东济宁 272073）

近年来，随着工程机械轻量化、快速化的发展，高强度、高韧性优质铝合金铸件广泛应用于铸造行业[1]。目前使用较多的铸造工艺为重力铸造，该生产工艺简单、对工人技能要求低。重力铸造不足在于产品质量稳定性差，易受人为因素影响。本文以液力变矩器泵轮铸件为研究对象，详细分析重力与低压铸造工艺的优缺点，从而确定最佳生产工艺，为该铸件的大批量生产提供工艺保证。

1 原材料成分和泵轮结构

1.1 铸件材料

泵轮使用的ZL104 合金成分见表1。

1.2 铸件结构

铸件外形尺寸为：ø340mm×170mm，最小壁厚6mm，最大壁厚15mm，零件单件重9.6kg，铸件型腔内部均匀分布27 个叶片，同时叶片在空间呈三维扭曲状分布，叶片厚度由3mm 逐渐过渡到1mm。工作过程中液流由叶片内部流向外部，从而形成动力流体，产品结构非常复杂。铸件的技术要求很高，主要包括流道表面的铸造粗糙度Ra 不大于6.4μm，叶片间距的铸造尺寸偏差不大于±0.1 mm，铸件无裂纹、缩孔和气孔等铸造缺陷。为确保铸件的致密性，铸件须通过0.6MPa 的气压试验不渗漏，因此该产品的铸造工艺难度很大。

表1 铸件用ZL104 的化学成分 ωB/%

2 重力铸造与低压铸造工艺比对

2.1 铸造原理分析

2.2.1 重力铸造

重力铸造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的工艺，浇注时可用人工或机械手取适量铝水，并将其平稳注入铸型内。随着模具与外界热量的交换，铝水在型腔内顺序凝固。

2.2.2 低压铸造

低压铸造的方法是把干燥的压缩空气通入到密闭炉膛内，在压缩空气的作用下，铝液沿升液管上升，通过浇注系统进入铸件型腔，以达到充型的目的。浇注过程中铝液与模具不断的进行热交换，确保铸件不存在热节点，促进铸件顺序凝固。待升液管最上口以上金属液完全凝固时[3]，将压缩空气从炉膛内排出，升液管处的铝液在重力作用下回流到炉膛。其工作原理图如图1 所示。

2.2 铸造工艺优缺点浅析

2.2.1 重力铸造优缺点

图1 低压铸造原理示意图

重力铸造优点如下：

（1）工艺设计简单。重力铸造生产自动化程度低，在设计工艺时不用考虑与设备的自动化的衔接。

（2）模具制作成本低。由于采用手工浇注和起模，自动化程度低，在模具制作时节省成本，该工艺适于新产品的验证。

重力铸造缺点如下：

（1）工艺出品率低。需冒口补缩，降低了金属液的利用率，该产品利用率仅70%。

（2）铸件组织疏松。铸件在重力作用下自然凝固，造成铸件组织致密性差。

（3）铝水容易卷气。铝水自上而下浇注，容易造成涡流现象，使铸件卷气。

（4）铝液吸气严重。铝水在空气中吸气且氧化严重，易造成铸件针孔及夹渣。

（5）生产率低。从浇注、取模等过程需人工完成，人为影响较大，生产效率低。

2.2.2 低压铸造优缺点

低压铸造优点如下：

（1）工艺出品率高。由于在外加压力下凝固，不需冒口补缩，提高了金属液的有效利用率。通过分析，该产品工艺出品率可达93%以上。由于低压产品表面光洁度高、铸造尺寸公差等级介于CT3至CT4，铸件外表面无需加工即可达到要求。

（2）组织致密。铸件凝固过程受到外加压力的影响，再辅以合理的冷却系统，可确保铸件顺序凝固，提高了铸件的致密度和机械性能。

（3）避免铝液卷气。由于充型速度可控，可实现金属液充型平稳，可有效避免浇注过程卷入气体。

（4）减少铝液吸气。由于铝液处于封闭的炉膛中，能防止铝液吸气及氧化，避免夹渣铸造缺陷。

（5）生产率高。由于设备自动化程度高，生产过程可实现自动下芯、充型、取件，一个员工可同时操作多台设备。

低压铸造缺点如下：

（1）模具结构复杂。由于低压铸造可实现自动化生产，并配备冷却系统，在模具设计时需充分考虑模具温度场分布及模具与设备的协同操作。

（2）模具制作成本高。一套完整低压模具制作成本在20 万左右。

2.3 不同铸造工艺对产品质量的影响

2.3.1 铸件表面光洁度

泵轮产品要求表面光洁度小于3.2，采用不同铸造工艺对产品表面光洁度有很大影响。浇注过程需将型腔内空气及砂芯产生的气体排出，根据不同工艺设计不同的排气系统，这对铸件表面光洁度有较大影响。

采用重力铸造工艺，模具上方需预留透气孔，使浇注过程中型腔气体及砂芯产生的气体顺利排出。由于透气塞孔与模具无法完全配合，使铸件非加工面光洁度较低，需增加加工工序才可达到预定目标。低压浇注采用底部浇注，模具透气塞孔可预留在加工面上，从而确保非加工面的光洁度。

2.3.2 铸件气孔

重力铸造采用手工自上而下浇注铝水，浇注过程容易造成铝液湍流，从而将气体卷入铸件中，造成铸件呛气。重力浇注过程使铝水长期置于空气中，易造成铝水吸气，吸收的气体在铸件凝固过程均匀分布在铸件表面，造成铸件针孔缺陷。低压铸造铝水置于封闭的环境，避免铝水吸气，同时采用自下而上浇注，避免将空气卷入，造成气孔缺陷。

2.3.3 铸件夹渣

重力浇注采用手工撇渣及过滤网方式避免氧化渣进入铸件。由于撇渣不彻底及过滤网孔隙问题，该方法不能完全避免氧化渣的卷入，容易造成铸件夹渣缺陷。低压浇注在压缩气体的作用下，金属液沿升液管上升，避免氧化渣的卷入。

2.3.4 铸件缩松

由于泵轮结构特殊，铸件凝固时无法保证顺序凝固。在重力铸造过程中，由于模具及设备简单，无法增加冷却系统，易造成泵轮局部缩松。低压铸造模具配有冷却系统，同时设备可实现自动化操作，可在铸件浇注过程中增加冷却，能避免铸件缩松。

2.3.5 铸件力学性能及微观结构影响

重力铸造利用铝液自身重力浇注，低压铸造在外加压力下浇注。在外加压力下，铸件组织更加致密，力学性能得到提升，表2 为不同铸造工艺泵轮硬度值。

表2 不同铸造工艺泵轮硬度值

低压铸造相比重力铸造而言，泵轮外加压力下凝固，组织均匀致密，微观组织结构见图2、图3。

3 结论

（1）与重力铸造相比，低压铸造泵轮显微组织更加致密，出现显微缩松倾向更小，可保证泵轮的性能稳定性。

图2 重力铸造（200×）

图3 低压铸造（200×）

（2）采用低压铸造泵轮可有效避免气孔、针孔、夹渣铸造缺陷。

（3）相比重力铸造，低压铸造泵轮生产自动化高，能有效减少人为因素对产品质量的影响；

（4）泵轮低压铸造工艺出品率为93%，且泵轮非加工面光洁度可直接达到要求。