本文關(guān)鍵詞：調(diào)壓鑄造技術(shù)對(duì)鋁合金鑄件性能的改善，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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鑄造技術(shù)

FOUNDRYTECHNOLOGYVol.25No.6Jun.2004

?特種鑄造工藝及設(shè)備　TechnologyandEquipmentforSpecialCastingProcess?

調(diào)壓鑄造技術(shù)對(duì)鋁合金鑄件性能的改善

王　猛,曾建民,黃衛(wèi)東

(西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710072)

摘要:調(diào)壓鑄造技術(shù)對(duì)鑄件性能有明顯的改善作用,尤其適合大型復(fù)雜薄壁鑄件的高品質(zhì)精密鑄造,已成功應(yīng)用于鋁合金鑄件的工程化生產(chǎn),具有廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞:調(diào)壓鑄造技術(shù);鋁合金;大型復(fù)雜薄壁鑄件;精密鑄造

中圖分類號(hào):TG146.2+1;TG249　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A　　文章編號(hào):100028365(2004)0620440203

EnhancementoftheAdjustedPressureCastingTechniqueontheMechanical

PropertyofAluminumAlloyCastings

WANGMeng,ZENGJian2min,HUANGWei2dong

(StateKeyLaboratoryofSolidificationProcessing,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)

Abstract:Theadjustedpressurecasting(APC)techniquemakesgreatcontributionstotheenhancementonmechanicalproperty

ofcasting;itiswelladoptedforprecisecastingofscalecomplicatedcomponents,successfulapplicationonthemanufacturingofAlalloycastingsdevelopmentalpotential.

Keywords:Adjustedpressurecomponents;

是航空機(jī)載設(shè)備中應(yīng)用最

為廣泛的鋁合金,其綜合性能良好,特別是熔鑄工藝性能優(yōu)越,在航空機(jī)載設(shè)備

中常用于薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上。該合金是典型的熱處理型合金,通過淬火時(shí)效可以大幅度調(diào)整其力學(xué)性能。盡管如

此,高品質(zhì)的熔鑄工藝仍然是熱處理的基礎(chǔ),如果鑄件的凝固組織或冶金品質(zhì)不能達(dá)到要求,熱處理的效能也不能充分體現(xiàn)。調(diào)壓鑄造具有充型平穩(wěn),減少氧化夾雜,提高凝固速度和鑄件致密性的作用

,通過對(duì)鋁合金液真空除氣,還可有效避免針孔缺陷的出現(xiàn)。如果將調(diào)壓鑄造方法與適當(dāng)?shù)臒崽幚硪?guī)范結(jié)合起來,鋁合金鑄件性能將得到明顯的改善。

開展實(shí)驗(yàn),考察時(shí)效溫度對(duì)性能的影響,確定最佳的時(shí)效溫度,然后從金屬力學(xué)性能,顯微組織和斷口的形貌分析方面將重力澆注和調(diào)壓澆注的試樣進(jìn)行比較,研究調(diào)壓鑄造技術(shù)[1]對(duì)鋁合金鑄件性能的改善作用。1　調(diào)壓鑄造技術(shù)對(duì)鋁合金鑄件性能的改善

實(shí)驗(yàn)用的材料為ZL101A,用Sb,Te進(jìn)行聯(lián)合變質(zhì),

合金熔化后,于730℃用1%六氯乙烷進(jìn)行精煉,靜置

15min扒渣,隨后在1.30kPa壓力下真空精煉10min,分別制備重力澆注和調(diào)壓澆注試樣。力學(xué)性能分析在英國(guó)產(chǎn)INSTRON8801型材料試驗(yàn)系統(tǒng)上完成,顯微組織分析在日產(chǎn)日立S-570掃描電鏡上完成。

圖1　抗拉強(qiáng)度和時(shí)效　　　　圖2　延伸率和時(shí)效

溫度的關(guān)系

thetensilestrengthandtheagingtime

溫度的關(guān)系

theelongationand

theagingtime

Fig.1　Therelationbetween　　Fig.2　Therelationbetween

收稿日期:2004205217;　　修訂日期:2004205220注:1990年獲國(guó)家發(fā)明三等獎(jiǎng)1

),四川人,博士后.研究方向:凝固科學(xué)與技術(shù)1作者簡(jiǎn)介:王　猛(19762　Email:cgs@nwpu.edu.cn

　　熱處理規(guī)范:每組12根試樣綁在一起,放入熱處理爐中,待溫度接近固溶溫度時(shí)開始計(jì)時(shí)。合金固溶溫度控制在540±5℃,固溶處理時(shí)間為9h,然后在冷

)淬火。時(shí)效溫度分別為140±卻水中(60～100℃5、

160±5、180±5、200±5℃,保溫時(shí)間均為4h。不同

《鑄造技術(shù)》2004/4王　猛等:調(diào)壓鑄造技術(shù)對(duì)鋁合金鑄件性能的改善?441?

熱處理規(guī)范下試樣的力學(xué)性能見圖1和圖2。分析結(jié)果表明,時(shí)效溫度對(duì)合金強(qiáng)度的影響很大。在時(shí)效溫度為160℃和180℃時(shí)試樣抗拉強(qiáng)度和延伸率最大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在給定實(shí)驗(yàn)條件下,延伸率隨強(qiáng)度的提高而提高�，F(xiàn)行的航空標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,對(duì)于ZL101A-T6合金,金屬型澆注,其抗拉強(qiáng)度不低于290MPa,延伸率不低于3%,顯然,經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?調(diào)壓澆注試樣的性能已大大超過航空標(biāo)準(zhǔn)。與經(jīng)過同樣熱處理規(guī)范的傳統(tǒng)重力鑄造試樣比較,調(diào)壓鑄造試樣的強(qiáng)度和延伸率獲得了顯著的提升,抗拉強(qiáng)度提高8%～10%,延伸率提高100%～150%。

由于金屬材料中的裂紋擴(kuò)展方向總是遵循最小阻力路線,因此斷口一般也是材料性能最薄弱或零件中應(yīng)力最大的部位。借助對(duì)斷口形貌的觀察,可以了解試樣微觀組織的典型特征。圖3和圖4分別給出重力

澆注和調(diào)壓澆注試樣斷口掃描電子顯微鏡圖像。從斷口形貌上可以看出,重力澆注與調(diào)壓澆注獲得的鑄件有明顯的差別。在重力澆注試樣斷口上,的疏松缺陷,斷口呈網(wǎng)狀變形而造成的圖5　重力澆注斷口圖像　　圖6　疏松斷面的掃描電鏡圖像

Fig.5Fracturepictureof　　Fig.6　SEMofporosity

gravity

pouringsection

　　實(shí)驗(yàn)表明,重力澆注在試樣中上部容易形成流股對(duì)接。,。,7,圖中。調(diào)壓,在試樣上不會(huì)形成流股對(duì)接。同時(shí),調(diào)壓澆注形成方向朝向升液管的溫度梯度,創(chuàng)造了良好的補(bǔ)縮條件,見圖8。

圖7　重力澆注的模擬結(jié)果　　　圖8　調(diào)壓澆注的模擬結(jié)果

Fig.7　Simulatingresult　　　Fig.8　Simulatingresult

ofgravitypouring

ofadjustedpressurepouring

圖3　重力澆注試樣斷口×400　圖4　調(diào)壓澆注試樣斷口×400　Fig.3Fracturemorphology　　Fig.4　Fracturemorphology

ofsamplebygravitypouring

ofsamplebyadjustedpressurepouring

2　

調(diào)壓鑄造工程化生產(chǎn)裝備與應(yīng)用效果

　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不少重力澆注試樣在熱處理后,斷口常

出現(xiàn)黃褐色的斑點(diǎn)見圖5。經(jīng)過分析,這是由于疏松部位在淬火時(shí)的高溫氧化造成的,其典型的掃描電鏡斷口見圖6。在枝晶上附有絮狀氧化物,這種試樣的性能特別低,延長(zhǎng)率僅1%～2%。這說明重力澆注實(shí)驗(yàn)中普遍存在疏松缺陷并容易導(dǎo)致性能的降低�！　≌{(diào)壓鑄造枝晶間補(bǔ)縮效果顯著,組織致密。這就是調(diào)壓澆注延長(zhǎng)率大幅度提高的原因。

調(diào)壓成形精密鑄造在航空類鑄件的整體鑄造中充分展現(xiàn)了其優(yōu)異的技術(shù)特性。

在調(diào)壓成形精密鑄造技術(shù)產(chǎn)生之前,差壓鑄造是生產(chǎn)大型復(fù)雜薄壁精密鑄件最先進(jìn)的技術(shù),在國(guó)外早已發(fā)展應(yīng)用,是一門較成熟的鑄造技術(shù),已經(jīng)形成了較為完備的差壓鑄造工程應(yīng)用裝備,保加利亞、西德、美國(guó)應(yīng)用技術(shù)水平較高。在國(guó)內(nèi),低壓鑄造和差壓鑄造工藝也早已研究應(yīng)用,也引進(jìn)了一些國(guó)外設(shè)備。航天工業(yè)部的上海新江機(jī)器廠和北京159廠各有一臺(tái)保加利亞進(jìn)口的差壓鑄造設(shè)備,但在大型復(fù)雜薄壁精密鑄件的澆鑄中仍然存在不足,其充型能力以及順序凝固

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Vol.25No.6Jun.2004

特性不能滿足高性能鑄件的需求,調(diào)壓鑄造方法就成為這類大型復(fù)雜薄壁件精密鑄造的首選方案。

先進(jìn)技術(shù)必須通過先進(jìn)的裝備才能夠發(fā)揮出最大的效能。為此建立了一套TY-1型調(diào)壓鑄造工程化生產(chǎn)裝備見圖9,該裝備由調(diào)壓鑄造主機(jī)子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)構(gòu)成

。

產(chǎn)條件下采用TY-1調(diào)壓鑄造工程化生產(chǎn)裝備,利用調(diào)壓鑄造技術(shù)以樹脂砂組合鑄型實(shí)現(xiàn)了該鑄件的批量化生產(chǎn)。前期生產(chǎn)的30個(gè)鑄件經(jīng)X射線探傷檢查及熒光檢測(cè),全部符合HB963-90之I類鑄件的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

采用調(diào)壓鑄造技術(shù)獲得的上述鑄件,無論是在充填壁厚與尺寸精度,還是品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)或合格率等指標(biāo)方面,在各航空制造廠中是絕無僅有,無法匹敵的。更不容易的是,在上述鑄件澆注中完全去除了補(bǔ)縮冒口,仍然保證了鑄件的極高冶金品質(zhì),這不僅減少了合金的消耗量,更簡(jiǎn)化了鑄件的后期加工工序,降低了鑄件的生產(chǎn)成本。與鈑金鉚接件相比較,調(diào)壓鑄造技術(shù)生產(chǎn)的鑄件加工工序少、尺寸精度高,可取代原有的鈑金鉚接結(jié)構(gòu)件。3　調(diào)壓鑄造技術(shù)發(fā)展展望

目前調(diào)壓鑄造技術(shù)的工程化應(yīng)用對(duì)象還局限于航,可以預(yù)見,,受益對(duì)象。鎂合金因其比重較低,結(jié)晶溫度較寬,采用傳統(tǒng)的重力鑄造或差壓鑄造方法難于獲得可靠的冶金品質(zhì),采用調(diào)壓鑄造技術(shù)可以使這種狀況得到改善,同時(shí)鑄造過程中的氣體保護(hù)問題也可以得到較好的解決。目前西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開展鎂合金調(diào)壓鑄造技術(shù)的研究,這些研究可為鎂合金的調(diào)壓成形精密鑄造技術(shù)工程化應(yīng)用打下理論及技術(shù)基礎(chǔ)。

調(diào)壓鑄造也可能成為高溫合金精密鑄造的一種重要生產(chǎn)途徑。高溫合金復(fù)雜薄壁整體鑄件,包括渦輪轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向器葉輪以及渦輪殼體,種類繁多,采用整體鑄件替代鍛鑄組合件及機(jī)加工組合件可以帶來十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

調(diào)壓鑄造技術(shù)也不僅僅局限于航空航天類鑄件。汽車、電子產(chǎn)業(yè)對(duì)薄壁鑄件也有十分迫切的需求,采用調(diào)壓鑄造技術(shù)不僅有助于在鑄造環(huán)節(jié)提高產(chǎn)品合格率和實(shí)得率,也可減小后續(xù)的加工環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)。另一方面,更高的鑄件性能有可能促使零件采用更為輕薄的設(shè)計(jì),在為人們提供更高便利性的同時(shí)減少原料的消耗。這類行業(yè)中鑄件大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)使得采用調(diào)壓鑄造技術(shù)所能獲得的收益相當(dāng)可觀。隨著調(diào)壓鑄造系統(tǒng)的不斷發(fā)展和成熟,在未來的幾年內(nèi),調(diào)壓鑄造技術(shù)將成為更多鑄件生產(chǎn)廠家可以利用并獲益的技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]

　王　猛,曾建民,黃衛(wèi)東1大型復(fù)雜薄壁鑄件高品質(zhì)高精

圖9　TY21型調(diào)壓鑄造工程化生產(chǎn)設(shè)備

Fig.9　Project2producingequipmentforT1pressure　　,容量及壓

滯后效應(yīng)明顯,響應(yīng)時(shí)間難于控制,為保證壓力控制精度,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠運(yùn)行,在壓力調(diào)控子系統(tǒng)中采用了分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),以雙路雙閉環(huán)方式實(shí)現(xiàn)2個(gè)密封室內(nèi)氣體壓力的精確控制。圖10為TY-1型調(diào)壓鑄造計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)局部機(jī)柜。

某桶型航空類結(jié)構(gòu)件,最大外徑約400mm,高度約650mm,

桶壁大面積壁厚3mm,要求鑄件壁厚4mm。鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,內(nèi)部有各類筋板及柵板結(jié)構(gòu);鑄件兩端為厚大法蘭,厚度45mm,與桶壁直接連接,形成很大的壁厚躍變。該鑄件的冶金品質(zhì)要求為I類航空

鑄件標(biāo)準(zhǔn)。采用差壓鑄造方法進(jìn)行該鑄件生產(chǎn)

圖10　調(diào)壓鑄造控制系統(tǒng)局部

時(shí),難以達(dá)到上述技術(shù)

Fig.10　Thesectionofcontrolling

指標(biāo)。

systemaboutadjusted

針對(duì)該結(jié)構(gòu)件調(diào)壓pressurecasting鑄造進(jìn)行了流場(chǎng)、溫度

場(chǎng)和凝固行為的數(shù)值模擬后,優(yōu)化工藝參數(shù),在工廠生

度調(diào)壓鑄造技術(shù)[J].鑄造技術(shù),2004,25(5):3532358.

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