ZL114A支架铸件铸造工艺设计研究

李大奎 刘闪光 杜旭初 陈明伟 郝慧林

摘 要 针对某运载机用高性能ZL114A合金支架铸件设计出缝隙式和底注式相结合的低压浇注系统，采用对厚大部位增加激冷等方式实现局部部位顺序凝固，同时通过对低压浇注工艺参数进行优化，得到在最优工艺参数条件下得到冶金质量合格的铸件。经Al-Ti-B中间合金细化处理后，铸件本体剖切试样（T6态）的平均抗拉强度、屈服强度、延伸率分别可达到345.75MPa、288.5MPa、5.84%，同时可发现细化后的平均晶粒尺寸更加细小，断口组织更加致密，显微疏松等缺陷数量明显减少，同时韧窝断裂倾向更加明显。

关键词 ZL114A合金;凝固工艺设计;晶粒细化;力学性能;微观组织

隨着航空航天工业的迅猛发展。各种大型、复杂、整体、薄壁铝合金铸件的需求和使用越来越广泛。采用优质铝合金铸件，在满足使用要求的条件下，可有效减轻结构重量，提高制造效率，降低制造成本[1]。因此对铝合金铸件的整体成形、尺寸精度、内部质量和力学性能等要求随之不断提高，只有不断突破铸造关键技术才能满足优质铝合金铸件的成形和内部质量要求。关键技术主要体现在对铸件的浇注成形、内部质量控制与力学性能提升等方面。

另外，Al-Si系合金材料由于具有良好的工艺流动性，多应用于成形结构复杂的制件，其T6热处理状态下大量的初生与共晶Si相形貌由板片状与短棒状转变为球状，在晶界处析出大量的Mg2Si时效强化相，有效提高了合金材料的综合力学性能与机械加工性能，在航天航空军工装备领域的应用需求日益广泛[2]。本文以某运载机用高性能ZL114A合金支架铸件为研究对象，通过对低压铸造工艺设计与参数优化、合金熔体处理等，获得内部质量符合技术要求的铸件，并结合OM、SEM与WDW-100KN力学性能试验机等手段，对铸件微观组织、力学性能、断口形貌进行分析和讨论，为高性能铝合金精密铸件研制与批量化生产提供工艺指导与数据支撑。

1铸件的结构特点与技术要求

ZL114A支架铸件的结构如图1所示，该铸件结构特点与技术要求如下

铸件轮廓尺寸750×485×346mm，最大壁厚40mm，最小壁厚6mm，且存在多处壁厚突变区域，属于中大型复杂结构件;支架铸件为运载机机载设备重要承力件，内部质量要求严格，要求达到HB963-2005中Ⅰ类铸件水平;

指定区域的本体剖切性能σb≥320MPa，σ0.2≥260MPa，δ5≥4%。

考虑上述特点和性能要求，分析该铸件主要研制难点为铸件成形、冶金质量与力学性能控制。

2铸造工艺设计

根据ZL114A支架铸件结构特点、技术要求及经验分析，重力浇注难以获得内部组织致密、力学性能达标的铸件，因此采用选用“精密树脂砂型铸造、低压浇注成形”的铸造方法进行研制。低压浇注工艺是利用气体压力或者电磁力将金属液压入铸型来实现充型的，在合金液面上施加气体压力，迫使合金液沿升液管上升最终充满型腔。该工艺既能保证铸件成形完整，又能控制气泡、夹杂等缺陷的产生，同时也可加强对厚大部位的补缩，从而在保证铸件成形完整的情况下实现组织致密[3]。

图2所示为ZL114A支架铸件低压充型凝固成形工艺设计示意图。从图中可以看出，铸件工艺采用缝隙式和底注式相结合的浇注系统。该组合浇注系统的优点是在合适的浇注位置下，铸件主要部位的金属液通过缝隙式内浇口进入型腔，而在凸台等厚大部位处金属液能够由底注内浇口与分浇口进入[4]。这不仅缩短了金属液的流程，改善了金属液在型腔内的充填状态，而且提高了浇注系统对铸件的补缩能力。在支架铸件厚大部位布置45#钢材质冷铁，厚壁区域冷铁设计厚度一般为壁厚的0.8倍，因此顶部区域冷铁厚度尺寸设计为32mm。

ZL114A铸件横浇道根据铸件形状采用“圭字形”结构设计，横浇道总长度为724mm，总宽度为530mm，每根横浇道宽度为90mm，高度为65mm。弧形内浇口厚度根据壁厚情况选择12～25mm范围内。浇注系统采用的缝隙式浇注系统，其横截面如图3所示。通常缝隙式浇注系统的参数可按以下经验公式[5]计算：

式中，n为缝隙数量，S为铸件外形的周长，δ为缝隙内浇道的厚度，δ铸件为与缝隙内浇道相连处铸件的壁厚，d为缝隙立筒的直径。因此，缝隙浇注系统设计参数为：缝隙内浇道的厚度δ=15mm;缝隙立筒直径d=60mm;缝隙数量n=9。根据经验，缝隙内浇道的宽度b设为15～35mm。

根据已有浇注系统，试验分别设计了4种不同的低压浇注工艺参数，并对铸件实物冶金质量进行检测，测试结果见表2所示。由表2中的结果可知：选用试验1#低压浇注工艺参数时，由于升液压力与升液速度较慢，且充型压力与充型速度较慢，在凝固过程中补缩能力不足，尤其对于厚壁部位，无法实现顺序凝固，因此出现疏松超标，甚至出现欠铸现象。选用4#浇注工艺时，由于升液速度与充型速度过快，充型过程不平稳，进入型腔后极易出现“卷气”、“紊流”等情况，造成夹杂、气孔缺陷。同时由于充型压力较大，树脂砂铸型受热分解，干强度降低继而发生溃散，在较高压力下会出现机械粘砂。当升液与充型压力为40kPa，升液速度与充型速度为60mm·s-1，浇注温度为710℃时，凝固后期合金熔体在保压压力作用下对凝固区域进行良好的补缩填充，凝固组织较为致密。如图4所示，对铸件实物进行X光检测，其冶金质量满足要求。

3结束语

（1）选用“圭字形”结构底注式系统和缝隙式系统相结合的工艺设计方案，采用对厚大部位放置冷铁等方式实现局部部位顺序凝固。

（2）通过对工艺参数进行优化，得到在升液与充型压力为40kPa、升液速度与充型速度为60mm·s-1、浇注温度为710℃等工艺参数条件下可以研制出冶金质量合格的铸件。

参考文献

[1] 郑来苏.铸造合金及其熔炼[M].西安：西北工业大学出版社， 1994：93.

[2] 周志敏，王娜，李勇，等. 过共晶Al-Si合金初晶Si相的细化机理 [J].特种铸造及有色合金，2012，32（2）：99-102.

[3] 董秀琦，王冬，王承志，等.低压及差压铸造理论与实践[M].北京：机械工业出版社，2003：61.

[4] 杜旭初，洪润洲，熊艳才，等.高铁用大型复杂铝合金枕梁铸件低压铸造工艺研究[J].铸造，2014，63（8）：769-774.

[5] 曲卫涛.铸造工艺学[M].西安：西北工业大学出版社，1994：107.

作者简介

李大奎（1987-），男，山东泰安人;学历：硕士，现就职单位：北京航空材料研究院，研究方向：铸造铝合金。