调压铸造技术对铝合金铸件性能的改善

收稿日期:2004205217; 修订日期:2004205220注:1990年获国家发明三等奖1
作者简介:王　猛(19762　),四川人,博士后.研究方向:凝固科学与技术1Em ail :cgs @n
・特种铸造工艺及设备　Technology and Equipment for Sp ecial Ca sting Proce ss ・
调压铸造技术对铝合金铸件性能的改善
王　猛,曾建民,黄卫东
(西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安710072)
摘要:调压铸造技术对铸件性能有明显的改善作用,尤其适合大型复杂薄壁铸件的高品质精密铸造,已成功应用于铝合金铸件的工程化生产,具有广阔的发展前景。

关键词:调压铸造技术;铝合金;大型复杂薄壁铸件;精密铸造
中图分类号:TG 146.2+1;TG 249 文献标识码:A 文章编号:100028365(2004)0620440203
E nhancement of the Adjusted Pressure C asting T echnique on the Mechanical
Property of Aluminum Alloy C astings
WAN G Meng ,ZEN G Jian 2min ,HUAN G Wei 2dong
(State K ey Laboratory of S olidification Processing ,Northwestern Polytechnical University ,Xi ’an 710072,China )
Abstract :The adjusted pressure casting (APC )technique makes great contributions to the enhancement on mechanical property
of casting ;it is well adopted for precise casting of large 2scale complicated thin 2wall components ,successful application on the manufacturing of Al alloy castings shows that this technique has profound developmental potential.
K ey w ords :Adjusted pressure casting ;Aluminum alloy large 2scale complicated thin 2walled components ;
Precision casting
ZL101A 是航空机载设备中应用最
为广泛的铝合金,其综合性能良好,特别是熔铸工艺性能优越,在航空机载设备
中常用于薄壁、复杂结构件上。

该合金是典型的热处理型合金,通过淬火时效可以大幅度调整其力学性能。

尽管如
此,高品质的熔铸工艺仍然是热处理的基础,如果铸件的凝固组织或冶金品质不能达到要求,热处理的效能也不能充分体现。

调压铸造具有充型平稳,减少氧化夹杂,
提高凝固速度和铸件致密性的作用,通过对铝合金液真空除气,还可有效避免针孔缺陷的出现。

如果将调压铸造方法与适当的热处理规范结合起来,铝合金铸件性能将得到明显的改善。

开展实验,考察时效温度对性能的影响,确定最佳的时效温度,然后从金属力学性能,显微组织和断口的形貌分析方面将重力浇注和调压浇注的试样进行比较,研究调压铸造技术[1]对铝合金铸件性能的改善作用。

1　调压铸造技术对铝合金铸件性能的改善
实验用的材料为Z L101A ,用Sb ,T e 进行联合变质,
合金熔化后,于730℃用1%六氯乙烷进行精炼,静置
15min 扒渣,随后在1.30kPa 压力下真空精炼10min ,分别制备重力浇注和调压浇注试样。

力学性能分析在英国产INSTRON 8801型材料试验系统上完成,显微组织分析在日产日立S -570扫描电镜上完成。

图1　抗拉强度和时效 图2　延伸率和时效
温度的关系
温度的关系
Fig.1　The relation between Fig.2　The relation between
the tensile strength the elongation and the aging time
and the aging time
热处理规范:每组12根试样绑在一起,放入热处理炉中,待温度接近固溶温度时开始计时。

合金固溶温度控制在540±5℃,固溶处理时间为9h ,然后在冷
却水中(60～100℃)淬火。

时效温度分别为140±5、
160±5、180±5、200±5℃,保温时间均为4h 。

不同
・
044・铸造技术
FOUNDR Y TECHNOLO GY Vol.25No.6J un.2004
热处理规范下试样的力学性能见图1和图2。

分析结果表明,时效温度对合金强度的影响很大。

在时效温度为160℃和180℃时试样抗拉强度和延伸率最大。

实验发现,在给定实验条件下,延伸率随强度的提高而提高。

现行的航空标准中规定,对于ZL101A -T6合金,金属型浇注,其抗拉强度不低于290MPa ,延伸率不低于3%,显然,经过适当的热处理,调压浇注试样的性能已大大超过航空标准。

与经过同样热处理规范的传统重力铸造试样比较,调压铸造试样的强度和延伸率获得了显著的提升,抗拉强度提高8%～10%,延伸率提高100%～150%。

由于金属材料中的裂纹扩展方向总是遵循最小阻力路线,因此断口一般也是材料性能最薄弱或零件中应力最大的部位。

借助对断口形貌的观察,可以了解试样微观组织的典型特征。

图3和图4分别给出重力
浇注和调压浇注试样断口扫描电子显微镜图像。

从断口形貌上可以看出,重力浇注与调压浇注获得的铸件有明显的差别。

在重力浇注试样断口上,观察到明显的疏松缺陷,而调压浇注试样断口组织则相当致密,其断口呈网状,可以推想,这种网状形貌是在断裂前组织变形而造成的。

图3　重力浇注试样断口×400　图4　调压浇注试样断口×400　Fig.3Fracture morphology Fig.4　Fracture morphology
of sample by of sample by adjusted gravity
pouring
pressure pouring
实验发现,不少重力浇注试样在热处理后,断口常
出现黄褐色的斑点见图5。

经过分析,这是由于疏松部位在淬火时的高温氧化造成的,其典型的扫描电镜断口见图6。

在枝晶上附有絮状氧化物,这种试样的性能特别低,延长率仅1%～2%。

这说明重力浇注实验中普遍存在疏松缺陷并容易导致性能的降低。

调压铸造枝晶间补缩效果显著,组织致密。

这就是调压浇注延长率大幅度提高的原因。

图5　重力浇注断口图像 图6　疏松断面的扫描电镜图像
Fig.5Fracture picture of Fig.6　SEM of porosity
gravity
pouring section
实验表明,重力浇注在试样中上部容易形成流股对接。

如果浇注温度稍低,就可能在对接处形成冷隔。

在浇注温度较高的情况下,试样的中下部位补缩条件较差,也容易造成疏松。

图7为重力浇注的结果,图中显示在试样的工作部分出现疏松的可能性较大。

调压浇注充型平稳,在试样上不会形成流股对接。

同时,调压浇注形成方向朝向升液管的温度梯度,创造了良好的补缩条件,见图8。

图7　重力浇注的模拟结果 图8　调压浇注的模拟结果
Fig.7　Simulating result Fig.8　Simulating result
of gravity of adjusted pouring
pressure pouring
2　调压铸造工程化生产装备与应用效果
调压成形精密铸造在航空类铸件的整体铸造中充分展现了其优异的技术特性。

在调压成形精密铸造技术产生之前,差压铸造是生产大型复杂薄壁精密铸件最先进的技术,在国外早已发展应用,是一门较成熟的铸造技术,已经形成了较为完备的差压铸造工程应用装备,保加利亚、西德、美国应用技术水平较高。

在国内,低压铸造和差压铸造工艺也早已研究应用,也引进了一些国外设备。

航天工业部的上海新江机器厂和北京159厂各有一台保加利亚进口的差压铸造设备,但在大型复杂薄壁精密铸件的浇铸中仍然存在不足,其充型能力以及顺序凝固
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144・《铸造技术》2004/4王　猛等:调压铸造技术对铝合金铸件性能的改善
特性不能满足高性能铸件的需求,调压铸造方法就成为这类大型复杂薄壁件精密铸造的首选方案。

先进技术必须通过先进的装备才能够发挥出最大的效能。

为此建立了一套T Y -1型调压铸造工程化生产装备见图9,该装备由调压铸造主机子系统和控制子系统构成。

图9　T Y 21型调压铸造工程化生产设备
Fig.9　Project 2producing equipment for T Y 21type adjusted
pressure casting
由于调压铸造过程上下压力罐容量大,容量及压
力的变化幅度大,滞后效应明显,响应时间难于控制,为保证压力控制精度,实现系统可靠运行,在压力调控子系统中采用了分布式计算机控制系统,以双路双闭环方式实现2个密封室内气体压力的精确控制。

图10为T Y -1型调压铸造计算机控制系统局部机柜。

图10　调压铸造控制系统局部
Fig.10　The section of controlling
system about adjusted
pressure casting 某桶型航空类结构件,最大外径约400mm ,高度约650mm ,
桶壁大面积壁厚3mm ,要求铸件壁厚4mm 。

铸件内腔结构复杂,内部有各类筋板及栅板结构;铸件两端为厚大法兰,厚度45mm ,与桶壁直接连接,形成很大的壁厚跃变。

该铸件的冶金品质要求为I 类航空
铸件标准。

采用差压铸造方法进行该铸件生产
时,难以达到上述技术
指标。

针对该结构件调压铸造进行了流场、温度
场和凝固行为的数值模拟后,优化工艺参数,在工厂生
产条件下采用TY -1调压铸造工程化生产装备,利用调压铸造技术以树脂砂组合铸型实现了该铸件的批量化生产。

前期生产的30个铸件经X 射线探伤检查及荧光检测,全部符合H B963-90之I 类铸件的验收标准。

采用调压铸造技术获得的上述铸件,无论是在充填壁厚与尺寸精度,还是品质标准或合格率等指标方面,在各航空制造厂中是绝无仅有,无法匹敌的。

更不容易的是,在上述铸件浇注中完全去除了补缩冒口,仍然保证了铸件的极高冶金品质,这不仅减少了合金的消耗量,更简化了铸件的后期加工工序,降低了铸件的生产成本。

与钣金铆接件相比较,调压铸造技术生产的铸件加工工序少、尺寸精度高,可取代原有的钣金铆接结构件。

3　调压铸造技术发展展望
目前调压铸造技术的工程化应用对象还局限于航空类铝合金铸件。

但其技术原理具有通用性,可以预见,随着这项技术的进一步发展,其应用领域将不局限于铝合金,而是会发展到包括其他轻质合金在内的更为广泛的铸件生产中。

镁合金铸件有望成为调压铸造技术发展的下一个受益对象。

镁合金因其比重较低,结晶温度较宽,采用传统的重力铸造或差压铸造方法难于获得可靠的冶金品质,采用调压铸造技术可以使这种状况得到改善,同时铸造过程中的气体保护问题也可以得到较好的解决。

目前西北工业大学凝固技术国家重点实验室已经开展镁合金调压铸造技术的研究,这些研究可为镁合金的调压成形精密铸造技术工程化应用打下理论及技术基础。

调压铸造也可能成为高温合金精密铸造的一种重要生产途径。

高温合金复杂薄壁整体铸件,包括涡轮转子、导向器叶轮以及涡轮壳体,种类繁多,采用整体铸件替代锻铸组合件及机加工组合件可以带来十分明显的经济效益。

调压铸造技术也不仅仅局限于航空航天类铸件。

汽车、电子产业对薄壁铸件也有十分迫切的需求,采用调压铸造技术不仅有助于在铸造环节提高产品合格率和实得率,也可减小后续的加工环节的负担。

另一方面,更高的铸件性能有可能促使零件采用更为轻薄的设计,在为人们提供更高便利性的同时减少原料的消耗。

这类行业中铸件大批量生产的特点使得采用调压铸造技术所能获得的收益相当可观。

随着调压铸造系统的不断发展和成熟,在未来的几年内,调压铸造技术将成为更多铸件生产厂家可以利用并获益的技术。

参考文献
[1]　王　猛,曾建民,黄卫东1大型复杂薄壁铸件高品质高精
度调压铸造技术[J ].铸造技术,2004,25(5):3532358.
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244・FOUNDR Y TECHNOLO GY
Vol.25No.6J un.2004。