低压铸造在铝硅壳体类铸件中的应用

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1 引言
随着科学技术的进步，对铸件的内在质量和外观质量都提出了更高的要求。汽车等行业对铸件的要求向薄壁、形状复杂、高强度、高质量的方向发展，使得铸造铝合金近年来发展迅速。铝硅合金的枝晶不发达，结品温度间隔是几类铸造铝合金中最小的，在凝固过程开始后的一段时间内，合金液仍可流动，并且在固相线附近的温度下有较高的强度，因而在铸造铝合金中其铸造性能是最好的。但易产生集中缩孔，故必须设置较大冒口补缩;铝合金中的一些元素化学性质都比较活泼，不仅在熔炼过程中易氧化，在浇注过程中，二次氧化的倾向也很大，极易形成氧化夹渣;此外铝合金液有较强的吸气倾向，很容易和水反应而出现铸件的针孔现象。
针对杭州杭氧铸造有限公司在采用重力浇注试制生产铝硅合金箱休类铸件中存在的氧化夹渣、气孔、针孔、缩松等缺陷的情况，改用低压铸造工艺，获得了良好的效果，实现了合格铸件的批量生产。
铸件简介及质量要求
本箱体是某国内知名上市公司的工程车的重要零部件，该铸件形状较复杂、壁厚不均匀、结构紧奏，材质是ZL111，最大外形尺寸450mm×585mm×315 mm,最厚壁厚为60mm，基本壁厚为14mm,铸件重约50kg。质量要求:铸件不得有气孔、夹渣、缩孔、裂纹、缩松等缺陷，水压0.3MPa、试压l5min，不得有泄漏现象。该铸件在我公司试制生产前，由于铸件质量得不到保证，以至从欧美进口。通过多次生产试验，改变工艺技术方案，成功地解决了相关技术问题，使该铸件成功实现了国产化，替代了进口产品，并成功返销国外，创造了良好的经济效益和社会效益。
2 箱体工艺方案的分析
2.1 重力浇注工艺的质t问题
! o! e8 i2 U" m% v$ _该箱体铸件是典型的壳体类铝硅合金铸件，结构较复杂，厚薄差异大，在采用重力浇注工艺的情况下尽管放了很多冷铁、冒口和出气，但废品率仍然很高，经常在铸件上出现氧化夹渣、气孔、缩松等缺陷。
$ [$ v, c+ T- v: m8 g2.2 低压铸造工艺的拟定
针对重力浇注出现的质量问题，为了生产出合格的铸件，经过详细技术分析后，改用低压铸造工艺铸造，采用树脂砂两箱造型和开放式浇注系统，工艺简图如图1所示。在进行低压铸造工艺设计时，本铸件采用了稳压凝固工艺铸造技术，其工艺特点是：升液速度缓慢，充型速度稍快，凝固压力小，合金液充满型后即保持在充型压力下或稍高充型压力下结晶凝固，直到铸件完全凝固后放气解压。稳压凝固工艺如图2所示。

图1 箱体铸造工艺图

9 v7 B' t& m( r6 ~8 |图2 箱体低压稳压工艺2.2.1 浇注温度
浇注温度的选定原则与一般浇注法相同，在保证成型的前提下，应该越低越好，本铸件的浇注温度取680℃-710℃。
/ y+ m. n3 V" O$ ]2.2.2 充型压力和充型速度
& A) j- A$ ]: k3 |' N8 h2 w) ~充型压力和充型速度是低压铸造的主要工艺参数，直接影响铸件质量。当充型速度太快时，型腔中气体来不及排出，就会产生铸件轮廓不清、气孔或浇不到等缺陷;如果充型速度太慢，合金液温度下降，粘度增大，充型能力降低，也会导致铸件冷隔、浇不到等缺陷。根据巴斯葛原理P=μHρg，计算出充型压力为0.12MPa-0.16MPa。充型时间为15s-30s。
2.2.3 增压和增压速度
8 {5 @6 ~5 F& U3 ]1 O+ B* Y+ T2 M' g" T铸件的凝固压力应该比充型压力大，实践表明，凝固压力越大，补缩效果越好，获得的铸件组织越致密，但是，若采用过高的凝固压力，不仅会影响铸件的尺寸精度和表面粗糙度，甚至会造成铸件粘砂和胀箱，由于本铸件质量要求高，根据经验取凝固压力为0.l3MPa-0.16MPa，增压速度为0.003MPa-0.006MPa/s。
9 K! X) {6 p1 T! F# ?' @2.2.4 保压时间
" O* M$ a2 }. {+ y% E; ~! W保压时间通常以铸件内浇道处无缩孔或浇道残留40mm左右所需的时间为宜。取本件的保压时间为10min-15min。
$ c& A& K: O3 ?2.2.5 铸造模拟
利用华铸CAE凝固模拟分析软件验证并完善工艺方案，模拟凝固过程的液相分布符合工艺要求，如图3所示。

图3 铸件的三维凝固模型2.2.6 操作要求
此铸件在铸造过程中除了要按照以上方案实施外，还应达到以下要求:
! v2 Q+ ?7 O& E" A' P+ S; r(l)造型时上箱铸型高点和出气死角处均需放φ3mm的出气。
(2)放置的冷铁工作面必须清洁无污染。
% ]$ O9 x* P5 E; q7 [9 H) b(3)铸型表面、坭芯、冷铁涂刷涂料两遍，刷涂料前铸型需放置4h后进行，以利于砂型水分挥发。
(4)合箱前冷铁表面需烘烤以去除水分，合箱后马上浇注。
* T& x& G2 ]8 }& U: i& K# T' F(5)严格控制熔炼操作工艺规程。
0 S. n4 d! Q: e通过严格控制操作规程、完善工艺规范，使得本铸件成功进人了稳定的批量生产，产品质量达到各项检验标准要求。
3 结束语
$ P6 o/ x, v6 J. j; s- K) D7 f用低压铸造此类铝硅壳体铸件，合金液充型平稳，减少了合金液的飞溅、氧化夹渣、气孔等缺陷。提高了铸件的合格率。同时，一方面由于铸件是在压力作用下进行结晶凝固，大大地改进了补缩效果，获得了组织致密的铸件，这对于具有耐压和防渗漏等工作要求的铸件效果明显。另一方面，由于低压铸造利用压力充型和补缩，大大地简化了浇冒口系统结构，提高了工艺出品率。
文章关键词： 铸造、铸件