zl205a大型整体壳体铸件的铸造工艺研究.docx

zl205a大型整体壳体铸件的铸造工艺研究 1 铸造缺陷超差 结构的重量、速度和成本降低的需求促进了zl205a铝合金大规模复杂的整体材料在不同行业的广泛应用。虽然ZL205A合金强度在国内铸造铝合金中最高,但由于铸造性能差,容易在铸造过程中出现气孔、针孔、疏松、偏析、裂纹等缺陷。在ZL205A合金整体铸件研制初期,采用传统重力铸造工艺生产,受人为因素影响最大的两道工序熔炼和浇注均为手工操作,造成铸件内部质量不够稳定,铸件因气孔、针孔、疏松、偏析、裂纹等缺陷超差而报废的数量较多,不仅经济损失大,而且严重影响研制和生产周期,成为生产的瓶颈。鉴于ZL205A铝合金整体结构铸件质量的严峻形势,我单位利用低压铸造工艺开展了壳体铸件技术研究。 2 u2004铸造 ZL205A合金属于Al-Cu系铸造铝合金,其力学性能与Al-Si系ZL101A、ZL104、ZL114A合金相比提高了许多,但由于ZL205A合金中Cu含量为:4.6%~5.3%,且含有Mn、Ti、Zr、V、Cd、B等多种组元,其结晶温度间隔比Al-Si系合金宽,流动性仅是ZL104合金的68%,有严重疏松倾向。它从液态到固态的收缩率也比Al-Si系合金大,线收缩是ZL104合金的1.3倍,容易产生疏松、裂纹、偏析等铸造缺陷。 铸件需进行100%X光透视,内部不允许有裂纹,偏析按专用技术条件验收,圆形针孔不允许超过4级,长形针孔不允许超过2级,海绵状疏松和分散状疏松均不允许超过2级。 铸件浇注重量达到2100kg。 3 主要研究内容 3.1 确定最佳工艺参数 铸造工艺施工是铸造生产中最早的一道工序,它的合理与否,直接关系到后续工序的成败和操作难易程度。根据铸件的结构性能要求确定铸件合适的分型面位置、浇注位置、浇冒口系统位置和尺寸、冷铁位置和尺寸等,从而确保铸件的顺序凝固和合金液充型平稳。同时通过采取铸造CAE数值仿真技术,对铸造工艺方案进行模拟、预测和验证,提高工艺方案的可靠性和合理性。 3.1.1 开放式裂隙浇注系统 壳体铸件结构为圆锥形,为了保证热量分布均匀,合金液充型平稳,铸件各部分得到充分补缩,采用开放式缝隙式浇注系统。同时,在浇注系统各截面设计时采用顺序凝固的方式。在浇注系统尺寸设计时,立筒的大小和缝隙的宽度对壳体的壁部缩松有很大影响,要求设计的立筒和缝隙应慢冷于相对的壳体壁部,有利于壁部良好的补缩,缝隙的宽度还应使合金液实现层次地、平稳地充型。 3.1.2 偏析缺陷、偏析缺陷 在凝固过程中,由于坭芯阻碍收缩,ZL205A合金极易出现裂纹、偏析缺陷。需要采用组芯造型的方法,适当增加坭芯间隙,提高内腔坭芯在铸件液态收缩和固态收缩的初期型(芯)的退让性,有效减少铸件裂纹、偏析等铸造缺陷,降低铸件因内部质量超差的报废率。 3.1.3 铸造工艺的改进 针对铸件轮廓尺寸较大、铸件材料容易产生裂纹和偏析的特点,通过在铸件顶部和底部设置工艺拉筋,增强铸件整体刚度,提高铸件抗应力的能力,避免因铸造应力过大产生裂纹等缺陷。 3.1.4 铸件及危险单元的分布 用三维造型软件Solidwork绘出三维工艺图,生成STL文件,用铸造CAE软件进行网格剖分。 图1是壳体铸件模拟后Niyama缩松分布图,疏松危险单元基本上均分布在立筒中,铸件中只有极个别部位存在疏松危险单元。说明铸件工艺方案基本合理可行。 3.2 树脂砂粘结剂的确定 不同的型芯材料和涂料工艺对铸件表面质量、尺寸精度、内部质量和力学性能影响很大,针对壳体铸件尺寸大,所用材料ZL205A合金容易产生裂纹倾向的情况,确定采用酚醛脲烷树脂砂工艺。该树脂砂粘结剂由派普树脂(组份I CPI5140(苯甲基醚酚醛)+组分II CPII5235(聚异氰酸脂))构成。通过研究树脂粘结剂不同比例加入量对型(芯)强度、发气量的影响,确定了每组份加入量为硅砂的1%。 3.3 旋转喷吹除气技术 铸造铝合金的熔炼是铝合金铸件生产过程中的一个重要环节,一件优质铝合金铸件的获得,需要合理而先进的铸造方法,更需要高质量的合金液以及正确的熔炼工艺。 为了保证气泡在铝熔池中均匀分布,满足精炼的动力学条件,提高精炼效率,采用了旋转喷吹除气技术。旋转喷吹除气工艺参数见表1。 3.4 低压浇注阶段 低压铸造给密封的坩埚(或密封罐)通入干燥的压缩空气,金属液在气体压力的作用下,沿升液管上升,通过浇口平稳地进入型腔,并保持坩埚内液面上的气体压力,一直到铸件完全凝固为止。然后解除液面上的气体压力,使升液管中未凝固的金属液流向坩埚。低压浇注见图2,浇注过程分为升液、充型、增压、保压阶段。 优质铸件的获得,不仅需要先进的浇注方法,也必须设置合适的浇注工艺参数。根据铸型高度、液面高度、铸件材料、铸件壁厚以及结构特点初步确定低压浇注升液、充型、结壳、增压、保压各阶段的不同压力、速度