1、高强度 ZL205A 铝合金壳体铸件铸造工艺要点杜旭初 ,洪润洲 ,罗传彪 ,潘俊杰 ,陈邦峰(北京航空材料研究院 ,北京 100095)中图分类号 : T H146 . 2 + 1文章编号 : 100028365 ( 2010) 0320329203文献标识码 : ATh e Ke y Te c h n ol o g y of Hi g h S t r e n gt h ZL205A Al u mi n u m All o y b y S a n d Ca s t i n gD U Xu2chu , HO NG Run2zhou , L UO Chuan2biao , PA N Jun2j
2、ie , CHEN Bang2f eng( Be ij ing Institute of Aerona utical Mater ial s , Beij ing 100095 , China)壳体铸件是一种高强度复杂铝铜合金砂型铸件 ,要求强度高 ,重量轻 ,在加工和使用过程中尺寸及形状 稳定性好 。该件为 HB 96321990 中 类铸件 ,铸件中 不允许存在气孔 、夹渣 、疏松及裂纹等铸造缺陷 ,而且 需经 X 射线检测 ,不允许有任何偏析缺陷 。铸件材质 选用高强度 ZL 205A 合金 ,该合金是我国自行研制的一种 Al2Cu 系高强度高纯度铸造铝合金 ,热处理后能 达到很高的强度
3、 ,同时 ,还具有硬度高 、塑性好 、机械加 工性和表面处理性能优良的特点 ,但该合金铸造性能 较差 ,没有合理的铸造工艺 ,易产生疏松 、热裂等铸造 缺陷 ,降低铸件的使用性能 。本文从实践经验出发 ,根据壳体铸件的结构特点和使用要求 ,分析和讨论该铸 件的铸造工艺 ,力求新颖实用 。1 铸造工艺性分析1 . 1 合金的工艺特性分析ZL 205A 合金的强化元素多 ,晶粒得到细化 ,并可 进行热 处 理 , 其 化 学 成 分 和 力 学 性 能 见 表 1 。该 合 金结晶温度范围宽 ,呈粥状方式凝固 ,铸造性能不好 ,不利于实现顺序凝固 ,在结晶时由于壁厚敏感性大 ,容易 补缩不良而导致
4、产生分散性疏松 、热裂 、针孔等铸造缺 陷 ,要获得组织致密 、性能优良的该合金铸件 ,在工艺 上应采取以下措施 。(1) 加强铸件底部和侧向热节处的激冷 ,扩大垂直方向上的温度差 ,创造合理的顺序凝固条件 ,强化顺序凝 固趋势 ,保证自下而上的顺序凝固 。同时适当增大 、增高 冒口 ,在热量分布上创造有利于顺序凝固的温度场 ,还可 以提高冒口压头 ,加强补缩 ,从而保证铸件内部质量 。(2) 在壁厚较厚 、壁厚不均匀或其它热节处 ,采用冷铁或其它激冷措施 ,合理提高该处凝固速度 ,调整热 量分布 ,增加铸件内部组织致密性 。热节处采用冷铁 和冒口配合使用 ,保证热节处的质量 。(3) 对于该
5、合金铸件的浇注系统 ,一般采用开放 式 ,用底注式和缝隙式相结合的浇注系统 ,保证合金液平稳快速充型 ,也有利于形成良好的顺序凝固条件 。表 1 ZL 205A 合金化学成分 w ( %) 和力学性能CuM nTiZrBCdVFeSiMg Zn Al4 . 65 . 30 . 30 . 5 0 . 150 . 35 0 . 050 . 20 0 . 0050 . 06 0 . 150 . 250 . 050 . 30 0 . 15 0 . 06 0 . 05 0 . 1 余量铸造方法状态抗拉强度b / M Pa伸长率5 ( %)布氏硬度/ HB SSST5T644049073120140性能
6、S T7 470 2 130 1 . 2铸件的铸造工艺性分析1 . 2 . 1铸件结构特点壳体铸件结构如图 1 所示 ,该铸件结构特点如下 。(1) 铸件为一回转体锥形壳体 ,外廓尺寸较大 ,其 尺寸为 : 大 端 直 径 ø578 mm , 小 端 直 径 ø252 mm , 高238 mm ,尺寸和角度要求严格 。收稿日期 :2009211206 ; 修订日期 : 2009211213作者简介 :杜旭初 ( 19822 ) ,宁夏隆德人 ,助理工程师. 主要从事铸造工 艺及生产开发方面的工作.Ema il :duxuchu2002 ya hoo . co m . cn图
7、 1 壳体铸件结构简图(2) 壁厚不均匀 ,主要壁厚 30 mm , 最大壁厚 70 mm ,厚薄过渡较大 ,特别是上端口壁厚较大 。Vol . 31 No . 3Ma r . 2010·330 ·FO U ND R Y T EC HNOL O GY(3) 上下两端面为装配面 ,性能要求高 。1 . 2 . 2铸造工艺要点分析 壳体铸件的工艺要点主要是保障铸件结构尺寸符合要求 ,通过设计合理的铸造工艺 ,使之满足 ZL 205A 合金工艺特性和铸件冶金质量对工艺的要求 ,保障最 终产品符合技术规范 。铸件工艺如图 2 所示 。在工作 时 ,壳体铸件会受到较大的冲击载荷 ,因
8、此要求喷管壳 体铸件各部位受力均匀 ,纵向截面上组织一致 。为达到此项要求 ,采用立式浇注位置 ,可保证铸件两侧面在 结晶时成分 、组织 、性能一致 ,从而使壳体铸件整体性 能 、成分均匀合理 ,充分满足使用要求 。为创造良好顺 序凝固条件 ,把需要金属液相对较多并利于安放冒口 的一侧向上 ,即大端一侧朝上 。根据 ZL 205A 合金特性 ,应在铸件底部和上端壁厚较厚处设置随形冷铁 ,使 整个铸件热节的位置包围在冷铁之中 ,在凝固结晶时 充分得到激冷 。壳体铸件结构复杂 ,尺寸大 ,分型面多 ,在木模手 工造型的情况下 ,脱模困难 ,故设计整个铸型用砂芯组成 。壳体铸件由于整体壁厚较厚 ,砂
9、芯设计成铬铁矿 砂 砂 芯 , 也 能 起 到 一 定 的 激 冷 作 用 , 有 利 于 克 服 ZL 205A 合金壁厚敏感性而产生性能差异 。形成铸件 内腔的砂芯设计成整体空心砂芯 ,有利于保证型腔的 结构尺寸稳定 ,有利于增加砂芯的排气效果 ,同时使砂芯安放平稳 ,操作简单 ,并易于测量和调整 。 金属的引入要保证合金液平稳快速充型 ,并应有利于实现顺序凝固 。该铸件设计用底注式和缝隙式相 结合的浇注系统 ,既能满足合金特性 ,又符合铸件结构 特点 。构见图 3 ,由直浇道 、横浇道 、内浇道和立筒加缝隙组成 。浇道最小截面比取F直 F横 F内 = 1 4 5 ,浇注系统阻流截面直浇道
10、截面积 F直 按下列公式计算 ,F直 = 0 . 11 G式中F直 直浇道的最小截面积 ,c m2 ;G 铸件毛重 ,kg 。F直 = 4 . 4 c m2 ,直浇道该铸件毛重 G = 40 k g ,则采用自制的 2 mm ×8 mm ×40 mm 的片状干型直浇道 ,根据浇注系统直浇道的布置 ,取 2 片 , 实际 F直 =0 . 8 ×4 . 0 ×2 . 0 = 6 . 4 cm2 , F横 = 25 . 6 cm2 , F内 =32 cm2 , F横 , F内 按图 2 中的分布 ,平均分配到具体的 结构中去 。为了使横浇道有良好的稳流和挡渣作
11、用 , 设计双重横浇道 ,横浇道和内浇道采用梯形截面 ,内浇 道采用厚度逐渐减小的缩口形式 ,保证充型速度 ,内浇 口最小厚度处为 0 . 81 . 0 倍引入处壁厚尺寸 。在直 浇道和第一层横浇道的连接处设计陶瓷过滤网 ,其孔 隙率不低于 75 % ,既保证过滤网的有效过滤作用 , 减 少氧化夹渣进入型腔 ,又保证金属液的通过率 。图 3 壳体铸件浇注系统结构简图金属液采用内浇口和立筒缝隙式浇口相配合的引 入方式 。缝隙式内浇口设计始于厚大部位 ,直接引人 冒口且截面呈缩口形 ,可充分发挥立筒通过缝隙对相 连处侧壁的补缩作用 ,同时可提高冒口的温度和补缩作用 ,缝隙立筒尺寸确定方法如下 :a
12、 = (0 . 81 . 5)铸件b = 1535 mmD = (46) a立筒和横浇道相连 ,铸件顶部设计冒口补缩 ,立筒 缝隙将金属液引入冒口 ,冒口高度选取 170 mm 。3热处理制度Z1205A 合金通过适当的热处理工艺 , 可使其性 能达到规定的要求 。壳体铸件要求 T5 处理 , 其工艺图 2 壳体铸件工艺简图2浇注系统设计ZL 205A 合金易氧化且结晶温度范围宽 , 为保证浇注过程中避免产生二次氧化夹渣和足够的充 型能 力 ,将浇注系统设计成开放式 ,铸件的浇注系统典型结铸造技术03/ 2010杜旭初等 :高强度 ZL 205A 铝合金壳体铸件铸造工艺要点·331 ·采用阶梯式加热保温 ,具体工艺参数为 :淬火 : 300 入炉 , 530 ±5 ( 保温 0 . 5 h)热处理的质量和安全性 。4 试制和生产结果经过连续 2 件的试制生产 ,从浇注和铸件表面质 量情况来看 ,未发现铸件有明显的外部缺陷 ,经检测 ,铸件内部质量 、力学性能 、尺寸精度等完全符合技术要求 。生产情况说明 ,铸造工艺设计合理 ,冒口 、冷铁 、立 筒和缝隙的设计能满足铸件顺序凝固和补缩的要求 , 铸造质量可靠 ,砂芯的设计能保证型腔尺寸 。上述工艺能满足铸件的要求 ,实现了
