铸造工艺

新工艺ZLA基座铸件铸造工艺设计

发布时间:2022/6/6 13:16:47   
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铝合金比强度/比刚度高、密度低、耐蚀性与加工性能优异,经冷/热加工成形与热处理后,具有较佳的力学性能与物理化学性能。铝合金铸件在航空航天、兵工电子、轨道交通等行业的应用十分广泛。与其他加工成形工艺相比,采用铸造工艺制造环类铝合金构件,零件装配数量可减少55%~80%,批量化制造成本可降低25%~45%,制造周期可缩短25%~40%,且加工制造设备投资经费较少;可实现构件的材料减重与结构减重,具有重要的工程应用与经济效益价值[5-9]。铸造铝合金尤其是铝硅系合金材料由于具有良好的工艺流动性,多用于成形结构复杂的薄壁结构与复杂曲面制件;且经T6热处理后,大量的初生与共晶硅相形貌逐渐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,在航空航天军工装备领域的应用需求日益广泛。

基于此,以某型战术导弹用ZLA基座铸件为研究对象,通过成形工艺设计、低压充型工艺参数优化、模具设计、落砂开箱时间工艺优化与二次固溶T6热处理工艺研究,结合OM、SEM、EDS与WDW-kN力学性能试验机等表征手段,完成了ZLA基座铸件的力学性能与微观组织测试评价,可为军工装备领域用中小型铝合金铸件的工艺研制与批量化生产提供重要的工艺参考与数据支撑。

成形工艺设计

试样制备与方法

ZLA合金化学成分为Si6.5~7.5,Mg0.45~0.75,Ti01.0~0.25,Mn0.1~0.2,Al余量。

合金熔炼工艺:将高纯铝锭(99.99%,质量分数)升温至℃,之后继续升温至℃加入Al-12%Si中间合金,降温至℃加入纯Mg锭与Al-5Ti-B中间合金,升温至℃进行过热处理12min,随后降温至℃通入纯Ar气并加入C2Cl6精炼除气20min,之后静置处理20min,降温至℃准备合金熔体的浇注。ZLA铝合金时效热处理在SLH型数显电热鼓风干燥箱时效炉内完成,热处理制度选用HB—中的T6热处理工艺参数。试验截取本体试样并加工成Φ10mm标准力学性能拉伸试棒,并依次采用#、#、#砂纸对试棒表面进行打磨抛光,以消除试棒表面机加磨痕对力学性能测试结果的影响,并以6根试棒作为一个试验测试组,取其平均值作为力学性能测试结果。力学性能实验在WDW-kN试验机上完成,夹头移动速度为2mm/min;布氏硬度测试由S01数显布氏硬度测试仪完成,加载载荷为0gf,加载时间为15s。合金微观组织OM测试由AX10ZIESS光学显微镜完成,金相腐蚀剂选用低浓度混合酸,体积比(HF):(HCl):(HNO3):(H2O)=2:3:5:,晶间腐蚀剂为1L的H2O、57g的NaCl、10mL的H2O2,拉伸试样的断口形貌利用FEI-Quanta扫描电子显微镜分析。

图1 力学性能拉伸试样示意图

凝固成形工艺设计

图2所示为ZLA基座零件的三维结构示意图。ZLA基座铸件为HB-Ⅱ类铸件,三维尺寸mm×mm×mm,内腔整体为非加工面,最薄壁厚2.5mm,最厚壁厚22mm,壁厚差异约8.8倍;合金材料选用ZLA-T6状态,本体剖切试样抗拉强度应≥MPa,屈服强度应≥MPa,伸长率应≥4.5%,布氏硬度应≥HBS80。

针对ZLA基座零件,对零件密封槽、盲孔、通孔区域进行完全填充处理,内腔非加工面增设0.32mm的工艺补正量,外腔加工区域整体增设2.5mm的加工余量,沿基座铸件长、宽、高三个尺寸方向分别设置1.01%、0.99%与0.97%的合金凝固收缩率,零件内腔凸台与零件连接区域进行圆角过渡处理,圆角半径选择为5mm,结合ZLA基座铸件技术条件要求,选用低压充型凝固成形工艺进行研制。图3所示为ZLA基座铸件低压充型凝固成形工艺设计示意图。ZLA基座铸件选用“米字型”横浇道结构设计,环形横浇道内径mm,外径mm,横浇道高度65mm,横浇道中心直径mm;内浇口前端长度为50mm,宽度12mm,后端长度为70mm,宽度为25mm,高度60mm;圆形内浇口直径为Φ18mm,通过在基座铸件底部,顶部与侧面区域布置内浇口,可实现ZLA基座铸件的平稳充型,铸件直浇道、横浇道与内浇道的截面积比例设计为1:1.4:3.2,为开放式浇注系统。在基座铸件厚壁与顶部区域布置45#钢材质冷铁,壁厚区域冷铁厚度设计为壁厚的0.85倍,顶部区域冷铁厚度尺寸设计为28mm,同时在冷铁内部加工直径为3mm的排气孔,便于合金熔体浇注初期的气体排放。

图2 ZLA基座零件三维结构示意图

低压充型工艺参数设计

由图3中ZLA基座铸件低压充型凝固成形工艺可知:通过在基座铸件顶部增设外置冷铁,可实现基座铸件自上而下的顺序凝固;同时在低压充型与保压压力作用下,实现合金熔体自下而上的平稳顺序充型,铸型型腔内的气体与凝固界面前沿不断释放的氢气可通过冷铁排气孔进行释放。低压充型过程中充型压力、保压压力与保压时间工艺参数的选择至关重要,充型压力与保压压力选择过低,则合金熔体难以实现铸件型腔的完整充型,在凝固末期合金熔体无法对液固糊状区域进行有效地填充补缩,易出现微观疏松与微缩孔缺陷;充型压力与保压压力设置过高,则合金熔体在充型初期流动速度过快,极易卷入大量气体与熔渣,产生疏松、气孔与氧化夹杂等缺陷。试验针对ZLA基座铸件分别设计了4种不同的低压充型工艺参数,并对铸件实物进行了X光检测,测试结果见表1所示。由表1测试结果可知:选用试验序号1的低压充型工艺参数时,由于升液压力与充型压力较低,在凝固液/固糊状区域,压力补缩不足,铸件厚壁部位补缩不足,产生了浇不足;选用试验序号4的低压充型工艺参数时,充型保压压力设置过高,树脂砂铸型在凝固阶段吸收大量热量,干强度连续下降,过高压力下产生大面积的高温溃散,与合金熔体壳层发生了较为严重的机械粘砂。升液与充型压力选择60kPa,结晶时间选择s时,凝固末期的合金熔体在保压压力作用下对液/固糊状区域进行了良好地填充补缩,铸态组织较为致密。

表1 不同低压充型工艺参数下X光测试结果

图3 ZLA基座铸件低压充型成形工艺示意图

模具设计与落砂开箱时间选择

ZLA基座铸件选用树脂砂铸型进行工程化批量生产研制,针对图3所示的凝固成形工艺设计方案,完成了金属型模具的设计与制造,见图4。基座铸件采用六箱造型,共包括底箱、下箱、芯盒箱、中箱、上箱与盖箱,砂箱与模具材料均选择为ZL(退火4h),金属砂箱厚度为28mm,树脂砂铸型吃砂量设计为mm,以保证凝固冷却过程中树脂砂铸型的整体高温强度。ZLA基座铸件为典型的平板框架类结构,落砂开箱时间选择过早,则铸件落砂开箱后整体温度仍较高,合金材料的高温屈服强度较低,在与空气进行大面积辐射与对流换热时,薄壁部位冷却快,厚壁部位冷却慢,极易产生较大的温度梯度,在热应力作用下诱发产生较大的热塑性变形,导致铸件产生严重的翘曲变形。落砂开箱时间选择过晚,一方面铸型强度较高,增加了落砂开箱的工作劳动量;同时铸件整体随凝固阶段的温度场分布完成凝固冷却,铸件内部的凝固应力不断叠加直至峰值,完成落砂开箱后,铸型的强度约束作用被破坏,凝固应力将通过塑性变形进行释放,导致产生较大的凝固变形。试验分别测试了不同落砂开箱时间下ZLA基座铸件底板区域的凝固变形尺寸,测试结果见图5。由图5测试结果可知:当选择2h的落砂开箱时间时,ZLA基座铸件底板区域最大尺寸正偏差为7.4mm,最大尺寸负偏差为-6.8mm,随着落砂开箱时间的延长,凝固变形尺寸不断降低。

当落砂开箱时间选择为14h时,最大尺寸正偏差仅为0.7mm,最大尺寸负偏差为-0.8mm,与2h落砂开箱相比,分别降低90.5%与88.2%;随着落砂开箱时间的延长,ZLA基座铸件的凝固变形尺寸偏差连续上升,当选择落砂开箱时间为20h时,最大尺寸正偏差为4.2mm,最大尺寸负偏差为-4.4mm,与14h落砂开箱时间相比,分别增加%与%。

图4 ZLA基座铸件模具结构设计示意图

图5 不同落砂开箱时间下凝固变形测试结果

结论

1)选用开放式浇注系统与米字型横浇道设计,结合低压充型工艺参数优化,在60kPa充型与保压压力、30s结壳时间与s结晶时间下,通过在基座铸件顶部布置冷铁实现了ZLA基座铸件自下而上的平稳充型与自上而下的顺序凝固。

2)过短与过长的落砂开箱时间下易诱发基座铸件产生较大的凝固变形,与2h和20h落砂开箱时间相比,选择落砂开箱时间为14h时,最大尺寸正偏差仅为0.7mm,最大尺寸负偏差为-0.8mm,分别降低90.5%与83.3%、88.2%与81.8%。

(作者:樊振中,北京航空材料研究院;

摘自《铸造》年第1期)

有色铸造

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