铝合金铸件铸造工艺优化研究

铝合金铸件铸造工艺优化研究

黄敬勇

艾迪斯（天津）汽车零部件有限公司 301700

摘要：铝合金铸件普遍应用于工业领域，受多方面因素影响，铝合金铸件生产过程中存在多种缺陷，若对其未加以解决，影响最终经济效益。铸件生产浇铸过程中浇铸方式选择及系统位置设计，与最终凝固成效密切相关。基于此，本文主要以铝合金筒体铸件低压铸造工艺优化，实现定向凝固和有效补缩目标，消除铸件内部形成的缺陷。

关键词：铝合金铸件；铸造工艺；优化策略

铝合金凭借自身多项优势特征，广泛应用于工业领域，不仅具备较强的抗拉强度、优良塑性和韧性，而且其经济性较佳，热处理后切削加工性能优良，可用于制造形态复杂机械零件中。低压铸造主要是指将铸型安设于密封坩埚上方，并持续性在坩埚内部通入压缩空气，在液体金属表面产生一定压力，最终金属液通过升液管道进入填充铸型中的工艺。铝合金筒体铸件是用于承装航空燃油箱体，需承受较大的压力，工作环境十分复杂，对筒体质量要求较高。

1. 铝合金铸造成型方法

针对铝合金而言，其铸造成型方法较多，主要根据铸件实际状况决定。首先，铝合金砂型铸造。铝合金铸件生产过程中，针对表面及实际尺寸精度要求并非较高或小批量零件，可选取砂型铸造，特别针对外部形态复杂，内部存在弯曲管道铸件。依照砂型、砂芯等建立强度中，其自身粘结力形成基本原理不同，将其可划分为三种类型，即物理固结、化学粘结、机械粘结。其次，铝合金金属型铸造。相较于砂型金属型热容量、传热系数较大，且使用年限较大，加速合金液凝固速度，进而减少气孔、疏松等质量缺陷，可大幅度提高铸件质量。铝合金金属型铸造多选取两种浇铸方式，即底注式、顶注式，前者充型过程具有平稳性，档渣成效较大，但铸件侧壁易形成氧化夹渣，以及凝固过程同时进行，难以实现顺序凝固，增加缩松缺陷风险；后者可实现顺序凝固，但其易产生氧化、激溅等质量缺陷。

2. 筒体铸件的技术指标

筒体铸件材料为ZL114A铝合金，其内部化学成分满足我国相关规程，铸件表面要求禁止出现缩孔、疏松、气孔及裂纹等质量缺陷。利用专用工具对其表面进行荧光探伤检测，内部利用X光探测，应满足I类铸件相关要求。待精加工完成之后需对其进行气压试验，禁止出现渗漏，对铸件技术指标具有较高的要求。筒体铸件外部形态呈现为圆柱形筒体，壁厚从圆筒两端趋于中间以阶梯式进行递减，内部两侧分别布设相应的加强筋，内部存在一个圆形搭子，主体壁厚度为8mm，最薄厚度为4mm，最大厚度部位为24mm，属于典型壁厚不均匀薄壁铸件。该铸件铸造过程中，其技术难点包含：尺寸精度和外部光滑度要求较高，铸件内外均需通过探伤检测，受阻收缩过程中裂纹倾向大，易产生内部组织疏松质量缺陷，造成打压渗透；铸件整体需进行探伤，两端厚度较大，中间厚度较小，以阶梯状呈现，会造成过渡衔接部位形成热节，增加补缩难度；壁厚不均匀致使铝液充型过程中形成氧化夹渣^[1]。

3. 原工艺方案及其存在问题

1. 原工艺方案

针对圆筒形薄壁铸件，其最小壁厚度为4mm处于铝合金浇铸限值，铝硅合金铸件壁厚约为10mm,该铸件属于薄壁件，且结构呈现为不规则，筒体壁厚呈现为不均匀阶梯状，两端厚度较大内部设计存在不均匀隔板，均增加铝液补缩难度。ZL114A属于铝硅系列合金，其内部含镁量较高，实际铸造过程中易产生针孔、氧渣等质量缺陷，原有铸造工艺无法满足铸件生产需求，所以选取低压铸造浇铸工艺。低压铸造工艺促使铸件受压力实现充型、凝固，其整个生产过程具有平稳性，可减少上述质量缺陷。利用树脂砂工艺制芯，由于其强度和精度较高，可进一步增强铸件表面光滑度，并在铸件厚度较大的部位放置冷铁，以局部降温方式，消除该部位易出现质量缺陷，确保铸件整体组织具有良好的致密性。

工艺设计过程中，应注重考量操作便捷性和热节部位补缩，将筒体铸件垂直放置、中间垂直分型工艺方案，此种放置方案优点在于：可保证整个充型过程具有平稳性，有助于完成顺序凝固，获取致密组织；可做成整体芯子定位便捷，减少多个芯子产生累积误差影响尺寸实际精度。内部搭子及隔板内圈台阶上放置相应的冷铁，促进厚度较大部位凝固速度，圆周方向均匀布设6根内浇道，便于充型的平稳性，以及上下端厚壁部位补缩^[2]。

2. 原工艺方案生产结果及分析

应用原工艺方案生产2件筒体，对其进行系统性检查分析，核心问题在于筒体两端加强筋与外部过渡衔接部位产生裂缝，隔板内圈凸台部位出现缩松，致使探伤不达标报废。通过对其进行系统性分析，加强筋与外部过渡衔接部位厚度仅为4mm，加强筋为圆环形状，其内部凸台厚度较大，形成一个不均匀结构，铝液实际充盈过程中受阻力较大，薄壁部位凝固速度较快，凸显厚度较大凝固补充畅通性不佳；隔板内凸台厚度较大防止冷铁，处于铝液补缩不足状况下加速冷却，致使该部位出现缩松缺陷。薄壁部位与外圈部位衔接壁厚差较大，凝固受应力较大，产生细小裂纹。综合性考量该铸件为薄壁件，浇铸过程中温度升高同时，加剧铝液氧化也加大液体收缩，成为裂纹形成核心因素。

4. 优化后工艺方案及结果分析

利用低压铸造工艺方式生产两个产品之后，其内部出现质量缺陷，但整体铸造工艺方案可行性较高，需系统性分析质量缺陷形成因素，以原有铸造工艺为基础进行优化，保证铸件质量达标。优化后工艺仍将筒体垂直对半分型，并以竖立浇铸，开设均匀6条内浇道，内部搭子壁厚部位仍放置冷铁，选取局部冷却方式，消除该部位出现的缩孔。相较于原有工艺不同之处为：第一，筒体上下两端厚度较大部位、内浇道横截面积较中间薄壁部位增大；第二，上下两端加强筋内圈部位厚度较大部位，分别增设3个内浇道，将原有冷铁去除，如此保证充型平稳性，确保厚大部位具有充足的铝液进补量，对热节部位进行有效补缩，铸件各部位保证同步凝固，消除原有铸件缺陷，满足铸件工艺要求^[3]。

针对该筒体铸件系统性分析，综合性考量原有工艺方案形成裂纹成因，结合铸件材料要求等，将原有浇铸温度进行调整，其他技术参数保持不变。筒体低压工艺优化过程中，系统性分析出现质量缺陷原因，为从本质消除质量缺陷，需针对铝合金收缩和凝固特征规律，确定合适的浇注系统，促使铸件在凝固过程中具有良好的补缩条件，最大限度将缩松转变为缩孔，并促使其位于最终凝固区域，如此在最终凝固区域布设浇铸道，完成该部位补缩。考量冷铁加速凝固时，会一定程度产生应力，所以去除原有加强筋冷铁，在其凸台部位布设内浇道，适当增加两端壁厚部位内浇道横截面积，可保证厚大部位补缩。应用改进优化后工艺生产2件筒体铸件，消除原有工艺方案质量缺陷，铸件整体探伤检测结果均满足I类标准，机械加工气压试验并未见渗透，满足铸件验收标准。

结束语

铸造铝合金在汽车、航天等领域普遍应用，其铸件生产中会产生多种缺陷，需不断对铸造工艺优化，保证铸件生产合格。针对壁厚不均匀且内部设有加强筋薄壁筒体类铸件，进行铸造工艺设计过程中，需综合性考量热节部位补缩畅通性，无法保证热节部位先凝固，需增设内浇道，满足补缩要求，选取工艺参数需考量浇铸温度影响，可适当减少浇铸过程中温度，有助于降低裂纹形成。

参考文献

1. 符继麟,苏小平,陈川川.汽车铝合金制动器安装底板重力铸造工艺优化[J].热加工工艺,2019,523(21):80-83.

2. 张双橹,许广涛,周志杰,等.某铝合金铸件树脂砂型铸造工艺设计及优化[J].热加工工艺,2020,537(11):67-70.

3. 王家文,程俊明,李胜君,等.高压电气产品铝合金端盖类铸件的工艺优化[J].中国铸造装备与技术,2019,54(3):73-76.