稀有金属 1999,(02),153-155 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.1999.02.017

高强度铝铜合金ZL205A复杂支座铸件铸造工艺

王强

摘 要：

介绍高强ZL2 0 5A合金铸造特性 , 分析高强复杂铝铜合金支座铸件结构特点和工艺特性及支座铸件铸造工艺。结果表明 :直浇道、横浇道和内浇道最小截面比取 1∶3∶5 , 设计带缓冲结构的缝隙内浇口 , 可保证合金液平稳快速充型 ;有效利用石墨砂芯和冷铁的激冷作用 , 并与冒口相配合 , 可扩大温度梯度 , 改善冷却条件 , 增加顺序凝固趋势 , 保证铸件内部质量 ;对向双包浇注 , 可减少热量损失 , 使铸件整体热量分布合理 ;设计准确稳定的砂芯定位 , 可保证铸件尺寸稳定。

关键词：

高强度;铸件;工艺要点;

中图分类号： TG29

收稿日期：1998-11-08

The Key Technology of a Stand Casting of High Strength Al Cu Alloy ZL205A

Abstract：

The casting properties of high strength Aluminum alloy ZL205A and the casting technology of complex Al Cu alloy stand casting were studied. It is shown that the liquid metal injects into the mold cavity rapidly when the area of sprue and runner are in a ratio of one to three with properly crack graphite core and chill; Pouring by double ladles at the same time in the opposite direction can keep the thermal balance in the cavity.

Keyword：

High strength; Cating; Technology;

Received： 1998-11-08

支座铸件是一种高强度复杂铝铜合金砂型铸件, 用于某新型号飞机的电机支座。该铸件结构复杂, 壁厚不均匀, 要求具有强度高、缺陷少、尺寸准确的特性。该铸件技术要求中规定采用ZL205A合金铸造, T5状态交付。全部铸件需经100%X光和荧光检验, 按HB963-90Ⅱ类铸件验收。ZL205A合金是我国自行研制的一种铝铜系高强度铸造铝合金, 该合金合金化元素多, 晶粒细化, 热处理后能达到很高的强度, 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。因而该合金在航空、航天、核工业、兵器工业中逐渐展现了广泛的应用前景。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。本研究从实践经验出发, 详细分析和讨论了适合于支座铸件和ZL205A合金的铸造工艺。

1 铸造工艺

1.1 合金的工艺特性

ZL205A合金是铝铜系高强度铸造铝合金, 强化元素多, 晶粒得到细化、热处理后可获得很高的强度。但该合金结晶温度范围宽, 呈粥状凝固, 铸造性能较差, 不易实现顺序凝固, 由于壁厚敏感性大, 易产生疏松、热裂、针孔、氧化夹杂等铸造缺陷对铸造工艺要求较高必须采取相应措施才能保证铸件内部质量。一般采用如下技术措施:

1) 强化铸件底部激冷, 扩大垂直方向上的温度差, 创造合理的顺序凝固条件, 同时, 增大增高冒口, 提高冒口的补缩能力和压头, 从而保证铸件内部质量。

2) 在壁厚较厚或壁厚不均匀处, 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) 采用开放式浇注系统, 适当扩大浇注系统最小截面积, 保证合金液平稳快速充型, 有利于形成良好的凝固条件。

4) 均匀分布内浇口, 合理设计缝隙内浇道, 降低进入型腔的液流垂直下落高度并设计缓冲结构, 以减少二次氧化夹杂的产生, 使型腔中液面上升平稳并可防止金属液进入型腔时冲击型芯。

1.2 支座铸件的结构特点

支座铸件的结构如图1, 该铸件形状复杂, 尺寸和角度要求严格, 外形无规律性。金属在铸件中心分布较少, 在两侧分布相对较多。型腔及凹陷结构和带有窗口的筋处难以直接拔模, 必须设计型芯来形成。壁厚变化明显, 特别是圆环形壁较厚, 而与之相联结的三条筋板较薄。另一侧有三个相对较大的突台及热节较大的实心结构。在圆环形结构对面有个带有不同壁厚和两个立脚的底板。整个铸件无可供分型的大平面。

图1 支座铸件结构及工艺简图

1—直浇道;2—冒口;3、8、14—横浇道;4—内浇道;5、13—缝隙式浇道;6—铸件;7、9～12、15、16—砂芯

1.3 工艺要点分析

支座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ZL205A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。该铸件工艺如图1。该铸件结构复杂且无规律性, 为确保铸件尺寸符合要求, 在设计浇注位置时, 应把铸件主要尺寸部分设计在同一型腔中, 且模具中间不分模。为满足顺序凝固的要求, 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, 即圆环形结构开口一侧朝上。铸件圆形型腔、三个突台处和带窗口的三条筋板不能通过直接拔模取出, 这些地方设计如图1所示砂芯来形成, 并把砂芯引至分型面, 以利于操作, 同时, 使砂芯和外型、砂芯和砂芯之间定位准确牢固, 设计成整体外形芯头, 砂芯与砂头的形状是相同的, 芯头长度不宜过长, 取20～30 mm即可, 芯头斜度取10°左右。圆形砂芯带有角度且底部尺寸小, 在圆形砂芯顶部设计三个支爪式芯头, 以起到辅助定位和支撑作用。这些砂芯的设计即有利于操作, 又有利于保证铸件尺寸的稳定性。

根据ZL205A合金特性, 应在铸件底部或壁厚较厚处加强激冷, 并配合冒口使用, 可改善冷却条件, 有利于实现顺序凝固, 提高铸件组织致密性及铸件性能。铸件圆环形结构处壁厚较厚, 且不易安放冷铁将圆形砂芯设计为石墨干砂芯以起到一定的激冷作用, 保证圆环形壁组织致密。但该处底面壁也较厚, 并且不易安放成型冷铁, 若不采取激冷措施, 该处必然会因上部圆形石墨砂芯的激冷而阻塞补缩通道, 产生疏松缺陷。在该处设计石墨砂芯激冷, 使其受上下石墨砂芯双重强化激冷, 可保证该处最先凝固, 避免此处产生缺陷。三个突台结构处厚大, 设计冷铁激冷, 尤其下面和中间的两个突台, 难以设计冒口补缩, 加大该处冷铁厚度尺寸, 可保证顶部突台上冒口能补缩到。该处砂芯采用石墨砂芯, 以缩小其与周围结构的温度梯度, 克服ZL205A合金壁厚敏感性而产生性能差异。铸件中间部位壁厚较薄, 该处砂芯制成油砂芯。通过冷铁石墨砂芯与油砂芯的合理搭配, 可有效起到调节各部分冷却速度, 改善铸件整体凝固条件的目的。

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。该铸件设计缝隙式内浇口, 即能满足合金特性, 又符合铸件结构特点。该铸件金属主要分布在两侧, 中间用量较少, 在圆形外表面和其对面带立脚处分别设计两个缝隙式内浇口引入金属, 并在圆形结构上面设计环形冒口, 缝隙引入冒口并一直引到铸型顶面。而另一侧立筒也引到铸型顶面, 加大铸件以上部分立筒的尺寸, 使立筒充分起到补缩和增加压头的作用。横浇道若全部位于分型面上, 则带立脚一侧金属液进入型腔时会因落差过大而产生氧化夹杂和气泡缺陷, 将该处横浇道放入型腔底部, 横浇道和缝隙内浇道设计为砂芯形成。另外一侧横浇道通过设计缓冲结构与缝隙和立筒相连这种设计可有效改善浇注条件减少产生氧化夹杂和混入气体。设计两个直浇道同时浇注, 可保证型腔中液面平稳上升, 减少中间三条筋板型腔中的金属液过流量, 防止该处因过热而产生疏松, 影响性能。

1.4 浇冒口系统结构设计

支座铸件浇冒口系统形式见图1, 其典型结构见图2, 由直浇道、横浇道、过滤网、内浇道、立筒、缝隙等组成。缝隙和立筒通向冒口并引出型外, 缝隙与型腔相连处要设计成顺流形式, 以保证金属液流过时不产生离壁现象, 其斜度一般不大于60°, 且要以R10左右圆角过度。浇道最小截面比取F_直∶F_横∶F_内=1∶3∶5, 铸件毛重G=40 kg, 浇注系统最小截面积F_min=K₂G, 其中K₂为0.13, F_min=52cm²。直浇道为两个圆柱形直浇道, 其直径d=1.8cm, 横浇道采用搭接形式, 以有利于安放过滤网。横浇道和内浇道采用梯形截面设计, 缝隙设计成与立筒相切形式充分发挥立筒通过缝隙对侧壁的补缩作用, 缝隙最小H为引入处壁厚b的1～1.2倍, 立筒直径D为缝隙厚度H的2.5～4倍, 缝隙和立筒的尺寸底部取下限, 顶部取上限。立筒中心线与铸件侧壁间距取1～1.2 D。

图2 缝隙式浇注系统结构简图

1—横浇道;2—直浇道;3—过滤网;4—内浇道;5—立筒;6—铸件;7—缝隙;8—冒口

2 结果

该批铸件共生产85件, 由于圆环形石墨砂芯烘烤不完全及通气不畅产生皮下气泡造成6件不合格, 因冷铁位置偏移造成局部疏松报废1件, 其余铸件经X光和荧光检查, 符合技术要求。这说明此工艺设计合理, 能够满足铸件和合金的要求。

3 结论

直浇道、横浇道和内浇道最小截面比取1∶3∶5, 设计带缓冲结构的缝隙内浇口, 可保证合金液平稳快速充型;有效利用石墨砂芯和冷铁的激冷作用, 并与冒口相配合, 可扩大温度梯度, 改善冷却条件, 增加顺序凝固趋势, 保证铸件内部质量;对向双包浇注, 可减少热量损失, 使铸件整体热量分布合理;设计准确稳定的砂芯定位, 可保证铸件尺寸稳定。

参考文献

[1] 　妾希尚 铸造手册 , 铸造工艺 北京 :机械工业出版社 , 1994, 5 :2 16

[2] 　李维谦等 航空铸造工艺手册 国营洪都机械厂 , 1980 , 70 0