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(jìn)了zl205a鋁合金大規(guī)模復(fù)雜的整體材料在不同行業(yè)的廣泛應(yīng)用。雖然ZL205A合金強(qiáng)度在國(guó)內(nèi)鑄造鋁合金中最高,但由于鑄造性能差,容易在鑄造過(guò)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(bào)廢的數(shù)量較多,不僅經(jīng)濟(jì)損失大,而且嚴(yán)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(yán)峻形勢(shì),我單位利用低壓鑄造工藝開(kāi)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(xué)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(dòng)性僅是ZL104合金的68%,有嚴(yán)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(jìn)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(yàn)收,圓形針孔不允許超過(guò)4級(jí),長(zhǎng)形針孔不允許超過(guò)2級(jí),海綿狀疏松和分散狀疏松均不允許超過(guò)2級(jí)。鑄件澆注重量達(dá)到2100kg。3主要研究?jī)?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(shí)通過(guò)采取鑄造CAE數(shù)值仿真技術(shù),對(duì)鑄造工藝方案進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)和驗(yàn)證,提高工藝方案的可靠性和合理性。3.1.1開(kāi)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(bǔ)縮,采用開(kāi)放式縫隙式澆注系統(tǒng)。同時(shí),在澆注系統(tǒng)各截面設(shè)計(jì)時(shí)采用順序凝固的方式。在澆注系統(tǒng)尺寸設(shè)計(jì)時(shí),立筒的大小和縫隙的寬度對(duì)殼體的壁部縮松有很大影響,要求設(shè)計(jì)的立筒和縫隙應(yīng)慢冷于相對(duì)的殼體壁部,有利于壁部良好的補(bǔ)縮,縫隙的寬度還應(yīng)使合金液實(shí)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(guò)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(dāng)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(bào)廢率。3.1.3鑄造工藝的改進(jìn)針對(duì)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(diǎn),通過(guò)在鑄件頂部和底部設(shè)置工藝?yán)?增強(qiáng)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(guò)大產(chǎn)生裂紋等缺陷。3.1.4鑄件及危險(xiǎn)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(jìn)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(xiǎn)單元基本上均分布在立筒中,鑄件中只有極個(gè)別部位存在疏松危險(xiǎn)單元。說(shuō)明鑄件工藝方案基本合理可行。3.2樹(shù)脂砂粘結(jié)劑的確定不同的型芯材料和涂料工藝對(duì)鑄件表面質(zhì)量、尺寸精度、內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能影響很大,針對(duì)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(shù)脂砂工藝。該樹(shù)脂砂粘結(jié)劑由派普樹(shù)脂(組份ICPI5140(苯甲基醚酚醛)+組分IICPII5235(聚異氰酸脂))構(gòu)成。通過(guò)研究樹(shù)脂粘結(jié)劑不同比例加入量對(duì)型(芯)強(qiáng)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(guò)程中的一個(gè)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(jìn)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(dòng)力學(xué)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(jiàn)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(guò)澆口平穩(wěn)地進(jìn)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(jiàn)圖2,澆注過(guò)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(jìn)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(diǎn)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(shí)際生產(chǎn)中由于鑄件的結(jié)構(gòu)與復(fù)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(guò)研究確定的殼體鑄件低壓澆注工藝參數(shù)。4試驗(yàn)性能通過(guò)利用上述研究成果進(jìn)行工藝方案設(shè)計(jì)、數(shù)值仿真,酚醛樹(shù)脂砂造型(制芯),旋轉(zhuǎn)噴吹除氣,低壓澆注,共進(jìn)行了7件殼體鑄件研制試驗(yàn)。4.1縱向裂紋試驗(yàn)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(jí)疏松,多處3級(jí)疏松,疏松位置以鑄件下部立筒附近偏多。同時(shí),鑄件雜質(zhì)元素Si含量超標(biāo)。4.1.1裂紋成因分析鑄件產(chǎn)生裂紋、偏析的原因:經(jīng)對(duì)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(guò)進(jìn)一步對(duì)穿透裂紋處進(jìn)行能譜分析,發(fā)現(xiàn)銅含量分別為25%、26%、27%,說(shuō)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(guò)熱、補(bǔ)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(diǎn)的三元共晶α+CuAl2+Si,同時(shí),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(duì)鑄件X光照片影響進(jìn)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(guò)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(yán)格控制原材料,采用合金錠進(jìn)行配料;b.加強(qiáng)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(lái)20個(gè)增加為28個(gè)(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(guò)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(qiáng)合金液補(bǔ)縮效果。4.2復(fù)透鑄件質(zhì)量檢查采用第一次工藝改進(jìn)后進(jìn)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(zhǎng)30mm橫向偏析、13處夾雜缺陷。對(duì)鑄件進(jìn)行半精加工后復(fù)透上面兩法蘭之間部位,發(fā)現(xiàn)仍存4處夾渣、1處27mm長(zhǎng)偏析。其余部位均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。4.2.1冷鐵設(shè)計(jì)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(guò)熱嚴(yán)重,且兩個(gè)法蘭之間距離較小,僅30mm,冷鐵不能設(shè)計(jì)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(dǎo)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(gè)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(guò)采取兩次工藝改進(jìn)措施后,連續(xù)研制了5件工藝試驗(yàn)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(wèn)題5.1澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)ZL205A合金結(jié)晶溫度間隔寬,流動(dòng)性差的情況,在澆注工藝方面采用低壓澆注,加強(qiáng)了合金液的補(bǔ)縮效果。在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)熱,減少澆注系統(tǒng)的補(bǔ)縮距離。在生產(chǎn)首件工藝試驗(yàn)件(第1爐)時(shí),鑄件立筒附近存在多處疏松缺陷,通過(guò)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(hào)0.第二件試驗(yàn)件(第2爐)粗加工后進(jìn)行X光透視時(shí),發(fā)現(xiàn)兩法蘭之間側(cè)壁23#、25~29#、211~214#、216#、218#、219#片號(hào)存在夾雜。通過(guò)將該處鑄鋁冷鐵(熔點(diǎn)670℃左右)改為鑄鐵冷鐵(熔點(diǎn)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(guò)程中先析出熔點(diǎn)較高α相,最后析出熔點(diǎn)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(shí),形成不平衡結(jié)晶,先結(jié)晶的成分(含銅量低的組元)來(lái)不及充分?jǐn)U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(jìn)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(guò)程中,因型砂、芯砂、澆注系統(tǒng)阻礙而不能自由收縮時(shí),在鑄件內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力或應(yīng)變超過(guò)金屬在該溫度下的斷裂強(qiáng)度或斷裂應(yīng)變,產(chǎn)生熱裂紋,當(dāng)未凝固的低熔點(diǎn)金屬液(α+CuAl2)在補(bǔ)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(duì)ZL205A合金容易產(chǎn)生裂紋、偏析缺陷的特點(diǎn),在工藝設(shè)計(jì)和研制過(guò)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(dāng)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(qiáng)合金液的攪拌,除了用旋轉(zhuǎn)噴吹除氣對(duì)合金液進(jìn)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(qiáng)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(guò)程的因素很多,在生產(chǎn)過(guò)程