铝合金涡壳金属型重力铸造工艺设计优化

前沿技术
L eading-edge technology 铝合金涡壳金属型重力铸造工艺设计优化
范桂山，尤伟华
（保定立中东安轻合金部件制造有限公司，河北　保定　０７１０００）
摘 要：内部质量高标准要求是铸造涡壳的首要条件，不允许出现任何差错，所以产品的生产难度大，在对产品的内部
结构进行研究之后我们发现了核心所在。

之后我们重新设计了铸件的工艺方案并且将一定的配比数值进行了修改。

关键词：铝涡壳工艺方案；有色合金技术；铸造方案
中图分类号：Ｕ４６６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２１）０７－０１２３－２
Optimization of Metal Gravity Casting Process for Aluminum Alloy Vortex Shell
FAN Gui-shan, YOU Wei-hua
（Ｂａｏｄｉｎｇ　Ｌｉｚｈｏｎｇ　Ｄｏｎｇａｎ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍｅｔａｌ　Ｐａｒｔｓ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｃｏ．，　Ｌｔｄ，Ｂａｏｄｉｎｇ　０７１０００，Ｃｈｉｎａ）
Absrtact:　Ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｖｏｒｔｅｘ　ｓｈｅｌｌ，　ａｎｄ　ｎｏ　ｅｒｒｏｒｓ　ａｒｅ　ａｌｌｏｗｅｄ，　
ｓｏ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｉｓ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ．　Ａｆｔｅｒ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ，　ｗｅ　ｆｉｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ．　Ｔｈｅｎ　ｗｅ　
ｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｈｅ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏ　ｖａｌｕｅ．
Keywords:　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｖｏｒｔｅｘ　Ｓｈｅｌｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｓｃｈｅｍｅ；　Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ　Ａｌｌｏｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；　Ｃａｓｔｉｎｇ　Ｓｃｈｅｍｅ
1 铝合金涡壳铸造生产工艺
铝涡壳的材质是ZL101A(质量分数)数据是：Si6.5%~7.5%，Mg0.25%~0.45%，Ti0.08%~0.20%，Fe0%~0.200%，A1余量。

合金的凝固稳定范围550℃~615℃，体收缩约为6.0％，是因为铸件的收缩率较大，所以在铸造师铸造的时候需要进行冒口补充缩减，铸造前我们需要对合金行热处理，热处理的方式大都是：固体融化和失效项目的工艺参数是（525上下5）摄氏度，保温在6h（175℃上下5℃）。

铸造完成后对铸件进行抽查，要求符合数值HB在70到100。

之后的现场试验对比之前的铸件，铸件制造的过程中，我们控制铸造涂层的厚度，并且又加入了冷铁等工艺的措施，结果表明，铝合金涡壳铸造的工艺方法改进解决了生产过程中曾经出现的涡壳的冷隔，缩松，有气泡等铸造缺陷[1]。

在对产品的内部结构进行研究之后我们发现了核心所在。

之后我们重新设计了铸件的工艺方案并且将一定的配比数值进行了修改。

铸造工艺分析，主要体现在以下方面：
（1）铸件壁厚度在5mm上下，铸件机器设备要在4+0.5MPA的气压密封条件下来进行试验，并且强调的是要求铸件组织致密，内部质量要求很高，铸件的内部组织严密。

（2）是我们要求铸件粗糙度在表面不能高于Ra6.8，所以我们搜寻了大量的铸件之后我们选择了金属型的铸造是最好的铸造方法
（3）因为我们的涡壳流道是由壳芯成形，在以往的试验之中在浇筑的时候会产生很多的气体侵入液体，这样往往对于产品不好，所以我们需要完整的排气系统来排掉气体。

（4）因为涡壳的壁厚是不均匀的，尤其是拐弯处的支架和涡壳的道路接头处及涡道上下法兰盘产生大量的热量并且不利于我们的散热，这样会造成铸件缩松，使得缩孔处缺陷加大。

（5）在我们的涡壳法兰盘出口有一管接头，这样会让模具的结构设计很困难，并且会出现大量的热节，会对整个浇筑过程产生危险，从而会影响了铸件凝固的顺序，所以我们在接下来的铸造工艺设计的方案中对这些方面进行了专门的改进，使用冷铁将会很好的散热并且让铸件的凝固顺序顺利通畅，铸造的成品率就会提升，这一个条件之下，产品的铸造成本将会降低。

2 铸造工艺设计方案
该铝涡壳铸件内部质量要求高、表面粗糙度低，是将蜗壳的制造方法采用的是金属型重力铸造，模具导热性高，冷却速率快，所以浇筑完成之后就可以得到组织精密，表面质量高的铸件；模具的设计，沿涡壳最大截面处分型，铸件设计的一个是有三个壳芯的涡道壳芯[2]。

在道口支架处看到壳芯1和壳芯2以及壳芯3，是固定、底板之上的，壳芯II及壳芯III插在侧模上，合型后可以准确定位。

开始铸造后将铸件放在底模上，之后将顶杆拿出来进行零件的浇筑。

工式中：浇道最小断面积，80cm，60kg铸件带浇的重量，从我们的航空工业装备设计的手册来看他的判定应该是在我们的冒口尺寸的位置来判定他的热节圆圈致敬可以判定。

3 铸造工艺的改进
3.1 工艺试验
我们首次的实验过程中，一共生产了19件产品，我们用了X射线进行检查之后，仅仅发现只有7件合格。

3.2 质量问题
首批试制入库前铝涡壳铸件的主要缺陷有冷隔、缩松及气孔等。

冷隔等缺陷一般涡道出口上表面，气孔缺陷出现在涡壳小法兰盘厚大凸台处，缩松缺陷出现在涡道缺陷原因分析在涡道口处，铸件测试之后，发现缩松缺陷位置一致。

①铸件出现缺陷的主要原因是因为铸件的厚度壁较薄，并且浇筑时候充型压头比较小，当我们的磨具预热温度不够时候，就会出现这种问题。

②在我们的涡道口出发现由涡道壳芯I和涡道口壳芯II形成，因为壳芯传热较为，慢，对应的这处的温度较高，所以凝固的速度较慢，这处的热节比较
收稿日期：２０２１－０３
作者简介：范桂山，男，生于１９８０年，汉族，内蒙古人，本科，工程师，研
究方向：铸造及其加工。

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大，补缩通道比较窄不能实顺序凝固，所以这种情况下出现了缩孔缺陷。

③铸件气孔有分散性气孔和集中性气孔，主要集中在铸件几个凸耳及涡道上。

流道上气孔为分散性气孔，主要是由于铸件涡道由壳芯形成，浇注后壳芯
3.3 改进措施
①因为出现了冷隔，较热不足的问题，重新设计了铸造的工艺方法，在温度，冷却的温度等几个方面做了改进，铝液浇注温度控制在715°到750°之间。

金属型的腔涂料喷洗完成之后，我们在将磨具进行加热到温度不低于250℃，并且这时候再将冒口加高2cm这样很大程度上改进了铸件的塑形工作。

②通过缺陷分析发现缩松的位置较为集中，我们将缺陷进行了改进，方法就是在缩松的位置上装配了随型冷铁，这样就可以对这些热节处进行了散热，可以提前冷却，这样就会减少缩松。

③铸件的凝固顺序是根据我们的涂料厚度来做跟进，铸件的厚度是可以控制铸件的凝固顺序，喷涂的时候，底模的图层较薄，我们的左右半模上下依次增加厚度，冒口上面需要刷涂保温涂料。

④壳芯生产组芯之后，对组芯打出气孔，在芯头部位打气孔安装排气装置，然后在180℃条件下，烘烤3h，尽量减少其发气量。

⑤金属型磨具修理时候，磨具上面可以加上涡壳小法兰零件，将他引致冒口之上面，同时对应的凸台位置我们设置铜质通气塞，这样可以排气很好，会加强凸台处冷却速度。

起到排气作用，并加强凸台处冷却速度。

3.4 改进后效果
完成上述措施后，我们进行了小批量的试验，一共生产了7件，对生产的蜗壳检验之后，铸件冷隔缺陷完全消除，气孔及缩松缺陷得到改善，并且对其中的5件进行了气密性的试验，产品均满足标准要求，产品的合格率很大的提高[3]。

保证了磨具产品的合格率，将这种生产方法推进到以后的试验之中。

3.5 有色合金薄壁铸件的发展特点
未来的需求越来越大，21世纪的有色合金技术复杂铸件的特点呈现以下的特点。

复杂薄壁铸件的发展更应该逐渐将目光向国际潮流走向近净形化技术无余量技术年代。

提高产品铸件的核心在与产品的品质特别是我们产品的外观品质为中心的生产工艺。

铸件要设计的让金属材料形成的多种工艺方法特别是铸件利用液态来进行成型。

所以事先铸件的近净态是利用液态金属，这种铸造的方法是有独特的优越性。

铸件的这种叫近净形的技术含义是从形状的结构上面来构成铸件的内墙和外形使用。

铸造方法从而一次成型。

使得零件接近理念或者零件的最终形状。

这样就可以提升铸件的大型化还有铸件的复杂化，从而将加工和组装的工序减少到最少，这样从尺寸来将组装，装配，运输的工序减少是最大程度上的。

我们还会从尺寸上面的工作上来做到。

在我们的产品品质大幅度提升的时候，做到无余量或少余量特别近形化生产。

性能好油耗低无污染,这是未来靠有色合金金属的一项重大发现，所以我们将会很大程度上代替合金钢铁原有的零件，这样bm汽车的代替将会大程度出现在一些发达国家中。

4 有色合金复杂铸件成最终形的要求
因为薄壁铸件的基本概念和特征很复杂，所以我们针对其成型的特点将规定具体的操作方法，对于金属液体在其中的速度总体上要求不能低于30m，重性速度要比一般的铸件更快，并且在使紊流加剧的过程中能够进行有效的合理疏通。

不至于引起金属液的飞外流导致金属物体造成损坏，否则就会产生浇不足，冷凝没有做好，因为冷隔等缺陷而得不到完好的铸件。

5 新结构铝铁涡轮模具
5.1 背景技术
新型造出来的涡壳材质在作用到刹车片上时候，对相关数据的研究如下文，汽车的刹车现在大都是使用的铸铁材质，主要是灰铸铁HT250为代表，生产线大多是HT250的技术生产线。

优秀的涡轮器应该是要具备轻质，具有足够的强度、优异的耐磨性、足够的高温性能、优异的散热性能和耐疲劳性能。

但是由于受材质和铸造工艺的局限，涡轮是可以用在其他材质上的比较重，并且位置是在簧下，这样汽车的油耗就被增加了，汽车的油耗攀升影响加速性能。

且铸铁材质导热系数较低，只有约58W/(m•k)，在高速制动或连续制动中，短时间摩擦产生大量热，较低的热导率导致热量无法及时散发，会引发制动盘热衰退，影响刹车效果及使用寿命。

新结构铝铁复合制动盘单个重量相比于铸铁制动盘最大减重25%，轻量化效果显著。

5.2 涡壳材质使用的新型内容以及经验探索
（1）新结构铝铁复合制动盘单个重量相比于铸铁制动盘最大减重25%，尾气排放CO下降4.5%，HC下降2.5%，Nox下降8.8%；燃油率提升3.85%，加速性能提升8%，制动距离下降5%，底盘耐久性提升1.7倍，转向性能提升6%。

（2）铝合金导热系数达到121-151W/(m•k)，导热能力是铸铁制动盘的2~3倍，可将刹车热量及时散发，保证了制动系统的可靠性。

5.3 具体实施方式
（1）首先用灰铸铁铸造刹车盘摩擦环。

（2）为保障灰铸铁摩擦环和铝合金刹车锅更好的结合，将桥接部位残留的切削液、异物、毛刺去除。

（3）将灰铸铁摩擦环放入400度以上的预热炉，随着缓慢的转动后按顺序下转。

（4）将预热完成的灰铸铁摩擦环安放到模具中，进行铸造生产。

（5）刹车锅部位由铝合金铸造完成，并与灰铸铁摩擦环的桥接部位相结合。

（铝合金的热膨胀系数为灰铸铁的约2倍，温度变化约1.7倍，这样由于两种材质的收缩量差异，在结合部位产生强大的结合力。

）
6 结束语
在如今世界有色金属竞争压力越来越大的情况之下，我们对有色金属进行了铸造工艺改进，还有进行全面的摸索之后，我们认为有色金属技术改进工作仍旧有很大进步空间。

[1] 李云翔，吴树森，苏为强，等．大型铝合金圆环铸件的铸造工艺铸造，
2011，60(9)：917—919．
[2] 航空工艺装备设计手册编写组．航空工艺装备设计手册铸模设计.
[3] 王学斌．铝合金铸件冒口尺寸和补缩距离的主要影响因素[J]．铸造，
2013，62(5)：436—439．
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