本文關(guān)鍵詞：調(diào)壓鑄造技術(shù)對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

?特種鑄造工藝及設備　TechnologyandEquipmentforSpecialCastingProcess?

調(diào)壓鑄造技術(shù)對鋁合金鑄件性能的改善

王　猛,曾建民,黃衛(wèi)東

(西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室,陜西西安710072)

摘要:調(diào)壓鑄造技術(shù)對鑄件性能有明顯的改善作用,尤其適合大型復雜薄壁鑄件的高品質(zhì)精密鑄造,已成功應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;大型復雜薄壁鑄件;精密鑄造

中圖分類號:TG146.2+1;TG249　　文獻標識碼:A　　文章編號:100028365(2004)0620440203

EnhancementoftheAdjustedPressureCastingTechniqueontheMechanical

PropertyofAluminumAlloyCastings

WANGMeng,ZENGJian2min,HUANGWei2dong

(StateKeyLaboratoryofSolidificationProcessing,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)

Abstract:Theadjustedpressurecasting(APC)techniquemakesgreatcontributionstotheenhancementonmechanicalproperty

ofcasting;itiswelladoptedforprecisecastingofscalecomplicatedcomponents,successfulapplicationonthemanufacturingofAlalloycastingsdevelopmentalpotential.

Keywords:Adjustedpressurecomponents;

是航空機載設備中應用最

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,在航空機載設備

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

此,高品質(zhì)的熔鑄工藝仍然是熱處理的基礎,如果鑄件的凝固組織或冶金品質(zhì)不能達到要求,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?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。

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

實驗用的材料為ZL101A,用Sb,Te進行聯(lián)合變質(zhì),

合金熔化后,于730℃用1%六氯乙烷進行精煉,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。力學性能分析在英國產(chǎn)INSTRON8801型材料試驗系統(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　抗拉強度和時效　　　　圖2　延伸率和時效

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年獲國家發(fā)明三等獎1

),四川人,博士后.研究方向:凝固科學與技術(shù)1作者簡介: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開始計時。合金固溶溫度控制在540±5℃,固溶處理時間為9h,然后在冷

)淬火。時效溫度分別為140±卻水中(60～100℃5、

160±5、180±5、200±5℃,保溫時間均為4h。不同

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

熱處理規(guī)范下試樣的力學性能見圖1和圖2。分析結(jié)果表明,時效溫度對合金強度的影響很大。在時效溫度為160℃和180℃時試樣抗拉強度和延伸率最大。實驗發(fā)現(xiàn),在給定實驗條件下,延伸率隨強度的提高而提高。現(xiàn)行的航空標準中規(guī)定,對于ZL101A-T6合金,金屬型澆注,其抗拉強度不低于290MPa,延伸率不低于3%,顯然,經(jīng)過適當?shù)臒崽幚?調(diào)壓澆注試樣的性能已大大超過航空標準。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)壓鑄造試樣的強度和延伸率獲得了顯著的提升,抗拉強度提高8%～10%,延伸率提高100%～150%。

由于金屬材料中的裂紋擴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力最大的部位。借助對斷口形貌的觀察,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

　　實驗表明,重力澆注在試樣中上部容易形成流股對接。,。,7,圖中。調(diào)壓,在試樣上不會形成流股對接。同時,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)裝備與應用效果

　　實驗發(fā)現(xiàn),不少重力澆注試樣在熱處理后,斷口常

出現(xiàn)黃褐色的斑點見圖5。經(jīng)過分析,這是由于疏松部位在淬火時的高溫氧化造成的,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,延長率僅1%～2%。這說明重力澆注實驗中普遍存在疏松缺陷并容易導致性能的降低。　　調(diào)壓鑄造枝晶間補縮效果顯著,組織致密。這就是調(diào)壓澆注延長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)大型復雜薄壁精密鑄件最先進的技術(shù),在國外早已發(fā)展應用,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用裝備,保加利亞、西德、美國應用技術(shù)水平較高。在國內(nèi),低壓鑄造和差壓鑄造工藝也早已研究應用,也引進了一些國外設備。航天工業(yè)部的上海新江機器廠和北京159廠各有一臺保加利亞進口的差壓鑄造設備,但在大型復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雜薄壁件精密鑄造的首選方案。

先進技術(shù)必須通過先進的裝備才能夠發(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現(xiàn)了該鑄件的批量化生產(chǎn)。前期生產(chǎn)的30個鑄件經(jīng)X射線探傷檢查及熒光檢測,全部符合HB963-90之I類鑄件的驗收標準。

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)標準或合格率等指標方面,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)的工程化應用對象還局限于航,可以預見,,受益對象。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,同時鑄造過程中的氣體保護問題也可以得到較好的解決。目前西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室已經(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)工程化應用打下理論及技術(shù)基礎。

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。高溫合金復雜薄壁整體鑄件,包括渦輪轉(zhuǎn)子、導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加工組合件可以帶來十分明顯的經(jīng)濟效益。

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)品合格率和實得率,也可減小后續(xù)的加工環(huán)節(jié)的負擔。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計,在為人們提供更高便利性的同時減少原料的消耗。這類行業(yè)中鑄件大批量生產(chǎn)的特點使得采用調(diào)壓鑄造技術(shù)所能獲得的收益相當可觀。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

[1]

　王　猛,曾建民,黃衛(wèi)東1大型復雜薄壁鑄件高品質(zhì)高精

圖9　TY21型調(diào)壓鑄造工程化生產(chǎn)設備

Fig.9　Project2producingequipmentforT1pressure　　,容量及壓

滯后效應明顯,響應時間難于控制,為保證壓力控制精度,實現(xiàn)系統(tǒng)可靠運行,在壓力調(diào)控子系統(tǒng)中采用了分布式計算機控制系統(tǒng),以雙路雙閉環(huán)方式實現(xiàn)2個密封室內(nèi)氣體壓力的精確控制。圖10為TY-1型調(diào)壓鑄造計算機控制系統(tǒng)局部機柜。

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

鑄件標準。采用差壓鑄造方法進行該鑄件生產(chǎn)

圖10　調(diào)壓鑄造控制系統(tǒng)局部

時,難以達到上述技術(shù)

Fig.10　Thesectionofcontrolling

指標。

systemaboutadjusted

針對該結(jié)構(gòu)件調(diào)壓pressurecasting鑄造進行了流場、溫度

場和凝固行為的數(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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