摘要：針對(duì)一種材質(zhì)為GW63K的復(fù)雜薄壁鎂合金筒形件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝難點(diǎn)，開(kāi)展復(fù)合鑄型鑄造工藝研究。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于不同型砂的復(fù)合鑄型鑄造工藝，利用ProCAST軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行凝固順序調(diào)整，優(yōu)化鑄造工藝，最終達(dá)到順序凝固。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合鑄型鑄造工藝條件下的鑄件內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到了HB7780-2005中I類鑄件要求，T6態(tài)力學(xué)性能滿足抗拉強(qiáng)度≥280MPa，伸長(zhǎng)率≥3%。

隨著航空航天領(lǐng)域和汽車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)件的輕量化要求越來(lái)越高。鎂合金由于密度小、比強(qiáng)度高、比彈性模量大、散熱性好、耐有機(jī)物和堿的腐蝕性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)件制造。但鎂合金由于化學(xué)性質(zhì)活潑，在熔煉及充型過(guò)程中非常容易氧化、燃燒，鑄造工藝難度大。近年來(lái)，各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域?qū)︽V合金復(fù)雜薄壁類鑄件(曲線型面、多筋多凸臺(tái)、結(jié)構(gòu)大)的內(nèi)部品質(zhì)、表面品質(zhì)、尺寸精度及質(zhì)量等提出的要求越來(lái)越高，因而制造難度明顯增大。且此類鑄件一般都需經(jīng)過(guò)100%X射線檢測(cè)和熒光檢測(cè)，不允許存在超標(biāo)的縮松、氣孔、裂紋、夾渣、表面裂紋等缺陷，進(jìn)一步增加了鑄造工藝難度。

傳統(tǒng)的鑄造工藝有砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造等，都存在各自的優(yōu)勢(shì)與不足。隨著客戶對(duì)鑄件要求不斷提高，單一鑄型已無(wú)法滿足要求，因此提出基于多種鑄型的復(fù)合鑄型思想，來(lái)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)鑄件的生產(chǎn)。本課題針對(duì)某材質(zhì)為GW63K的復(fù)雜結(jié)構(gòu)薄壁筒形件，運(yùn)用復(fù)合鑄型，通過(guò)不同種類的型砂的激冷能力的不同來(lái)調(diào)控鑄件凝固過(guò)程的整體溫度場(chǎng)，從而調(diào)整鑄件各部位的凝固順序，實(shí)現(xiàn)順序凝固，提高鑄件的內(nèi)部和表面品質(zhì)，達(dá)到生產(chǎn)合格產(chǎn)品的目的。

1、零件特點(diǎn)和工藝性分析

零件外表面形狀為圓柱狀筒形件，輪廓尺寸為Φ340 mm×410 mm，最薄壁厚僅為4 mm，見(jiàn)圖1。艙體需100%進(jìn)行X光檢測(cè)及熒光檢測(cè)并按HB7780-2005的Ⅰ類鑄件要求驗(yàn)收。鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)壁上凸臺(tái)較多，凸臺(tái)位置壁厚尺寸較大，達(dá)到22 mm，艙體壁厚極不均勻，壁厚差大，鑄件材質(zhì)為GW63K鑄造鎂合金，該鎂合金凝固區(qū)間較寬，主要呈糊狀凝固，鑄件易產(chǎn)生縮松、縮孔、裂紋、偏析等鑄造缺陷。

對(duì)于此類鑄件，傳統(tǒng)采用砂型鑄造，澆注系統(tǒng)由直澆道、“十”字形橫澆道及立筒縫隙內(nèi)澆道組成，采用差壓澆注。其不足之處在于砂芯中需要放置大量的冷鐵以及激冷砂，造型工序比較繁瑣，鑄件內(nèi)腔表面質(zhì)量差，尺寸精度低，打磨工作量大，難以滿足復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)件的高尺寸精度和表面質(zhì)量的要求，且鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定，鑄件工藝出品率低。實(shí)踐證明，單一鑄型已經(jīng)難以滿足客戶對(duì)高品質(zhì)鑄件的要求，必須設(shè)計(jì)復(fù)合鑄型鑄造工藝，充分發(fā)揮各種型砂的性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)鑄件的鑄造成形。

圖1:筒形件三維模型圖

2、鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證鑄件的內(nèi)部質(zhì)量，該筒形件采用低壓鑄造成形，合金液自下而上平穩(wěn)充型，減少氧化，鑄件在一定的壓力下進(jìn)行凝固，組織致密度優(yōu)于重力鑄造致密。設(shè)計(jì)筒形件的澆注系統(tǒng)見(jiàn)圖2，整個(gè)澆注系統(tǒng)的形式為底注雨淋式澆注系統(tǒng)，由直澆道、環(huán)形橫澆道和扁平內(nèi)澆道組成。底注雨淋式的優(yōu)點(diǎn)為鑄件的工藝出品率高，切割、粗加工等后處理工序簡(jiǎn)單。環(huán)形橫澆道與直澆道的連接采用“十”字形澆道，有利于合金液的流量分配更加均勻合理，各個(gè)內(nèi)澆口進(jìn)入型腔的合金液的溫度也更加均勻。

由于鎂合金非常容易氧化，8個(gè)直澆道在筒形件下端框處均勻分布，合金液自下而上平穩(wěn)充型，減少了合金液的飛濺、卷氣等，減少合金液的氧化，從而減輕合金液的氣孔、氧化夾渣缺陷傾向。鑄件上方的8個(gè)冒口也具有貯氣和集渣的作用，進(jìn)一步減輕了合金液的氣孔、氧化夾渣缺陷傾向。同時(shí)型腔上方的合金液一直比下方的合金液先進(jìn)入型腔，整個(gè)澆注和凝固過(guò)程中上方的合金液溫度一直低于下方的合金液溫度，有利于實(shí)現(xiàn)自上而下的凝固順序，充分發(fā)揮內(nèi)澆道的補(bǔ)縮作用，減輕鑄件的縮松傾向，提高鑄件的致密度。

圖2:澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2 激冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于鑄件內(nèi)部存在凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，易形成熱節(jié)，造成收縮類缺陷，因此需要在工藝設(shè)計(jì)時(shí)采用相應(yīng)的冷鐵來(lái)調(diào)整局部冷卻速度，設(shè)置合理的溫度場(chǎng)避免鑄件出現(xiàn)缺陷。設(shè)計(jì)內(nèi)部的冷鐵結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。在艙體砂芯上下端框等厚大部位和所有凸臺(tái)處都放置專用冷鐵，冷鐵材質(zhì)采用生鐵，提高厚大部位、凸臺(tái)處的冷卻速度，避免這些部位在凝固后期形成孤立液相區(qū)，使鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固，從而減少縮松等缺陷的產(chǎn)生，增加組織致密度，提高內(nèi)部質(zhì)量。

圖3:冷鐵結(jié)構(gòu)及分布示意圖

2.3 復(fù)合鑄型設(shè)計(jì)

為最大限度地實(shí)現(xiàn)澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件的補(bǔ)縮，發(fā)揮低壓鑄造的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合型砂的激冷能力設(shè)計(jì)由上而下的凝固順序，設(shè)計(jì)鑄型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，采用無(wú)模切砂的方式制備各部分砂塊，外部砂型共分為7層，最上面第1層是硅砂層，第2層是鐵砂，第3層鉻鐵礦砂層，第4層是寶珠砂層，第5層、第6層、第7層是陶粒砂層。砂芯由上而下分為4層，第1層為鐵砂，第2層為鉻鐵礦砂，第3層為寶珠砂，第4層為陶粒砂。

圖4:鑄型結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 數(shù)值模擬分析

利用ProCAST軟件對(duì)筒形件的鑄造過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，包括對(duì)鑄件的充型過(guò)程、鑄件凝固過(guò)程溫度場(chǎng)變化，并對(duì)鑄件進(jìn)行缺陷預(yù)測(cè)分析。低壓澆注工藝參數(shù)如下：升液速率為1.05 kPa/s、充型速率為0.8 kPa/s、結(jié)殼速率為1.1 kPa/s、結(jié)殼增壓值為10 kPa、結(jié)殼時(shí)間為10 s、保壓速率為1.1 kPa/s、保壓增壓值為25 kPa、保壓時(shí)間為240 s。鑄件、冷鐵和各部分鑄型之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)見(jiàn)圖5。

圖5:鑄件、冷鐵和各部分鑄型之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

鑄件充型過(guò)程見(jiàn)圖6。合金液通過(guò)內(nèi)澆道進(jìn)入鑄件型腔后，首先進(jìn)入鑄件的下端框厚壁區(qū)域，隨后流經(jīng)艙體中部區(qū)域，之后流到上端框厚壁區(qū)域，最終從鑄件底部由下而上逐步充滿鑄型型腔。鑄件整體呈現(xiàn)自下而上依次充型，整個(gè)過(guò)程中，合金液充型比較平穩(wěn)，直至全部充滿型腔。在充型過(guò)程中，合金液平穩(wěn)，不易發(fā)生卷氣現(xiàn)象，氣孔和氧化夾渣等鑄造缺陷產(chǎn)生的傾向小。

圖6:鑄件充型過(guò)程溫度場(chǎng)

圖7為合金液充型結(jié)束后凝固過(guò)程中鑄件于不同時(shí)間的溫度分布?？梢钥闯?，合金液充型結(jié)束后，鑄件降溫最快區(qū)域?yàn)殍T件頂部的上端框處，因?yàn)樵搮^(qū)域合金液最先進(jìn)入型腔的，再加上上端框處放置著冷鐵，合金液冷卻速度較快，溫度最低；冒口相對(duì)上端框部位的凝固溫度更高，凝固時(shí)間更長(zhǎng)，冒口對(duì)上端框區(qū)域具有一定的補(bǔ)縮作用。整個(gè)鑄件自上而下溫度逐漸升高，符合自上而下逐層順序凝固的設(shè)想。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，鑄件整體的溫度逐漸下降，但整個(gè)降溫過(guò)程中鑄件一直保持著自下而上溫度逐漸升高的正溫度梯度，這能最大限度地發(fā)揮冒口的補(bǔ)縮作用，降低鑄件內(nèi)部縮松類缺陷的傾向，對(duì)整個(gè)鑄件的質(zhì)量改善是有利的。但在鑄件的局部區(qū)域存在一些熱節(jié)，這些位置相對(duì)于周?chē)谕粫r(shí)間溫度更高，凝固時(shí)間更長(zhǎng)，在后期凝固過(guò)程中得不到周?chē)辖鹨旱难a(bǔ)縮，容易出現(xiàn)縮松等收縮類缺陷。

圖7:鑄件凝固過(guò)程溫度場(chǎng)

鑄件模擬結(jié)果的缺陷預(yù)測(cè)見(jiàn)圖8?？梢钥吹剑藵沧⑾到y(tǒng)和冒口中的縮孔、縮松缺陷外，在鑄件的中下部薄壁區(qū)域和中部凸臺(tái)之間的薄壁區(qū)域存在縮松缺陷傾向，這與鑄件凝固過(guò)程溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果一致。結(jié)合鑄造工藝，對(duì)缺陷的產(chǎn)生進(jìn)行進(jìn)一步分析，認(rèn)為凸臺(tái)處的冷鐵厚度太厚，導(dǎo)致凸臺(tái)區(qū)域的合金液冷卻速度太快，在冷鐵的作用下比附近薄壁區(qū)域的冷速還快，導(dǎo)致凝固過(guò)程中在凸臺(tái)之間的薄壁區(qū)域出現(xiàn)孤立液相區(qū)，凝固后期得不到周?chē)辖鹨旱难a(bǔ)縮，最終形成縮松缺陷。鑄件中下部薄壁區(qū)域存在縮松缺陷傾向，是因?yàn)殍T件下端框處設(shè)置的冷鐵加快了下端框位置合金液的冷卻速度，導(dǎo)致下端框處的凝固時(shí)間小于中下部薄壁處的凝固時(shí)間，中下部薄壁區(qū)域在凝固過(guò)程中存在孤立液相區(qū)，最終形成縮松缺陷。

圖8:模擬結(jié)果缺陷預(yù)測(cè)

3、工藝改進(jìn)措施

針對(duì)初始復(fù)合鑄型工藝條件下筒形件鑄件出現(xiàn)的縮松缺陷，對(duì)其復(fù)合鑄型工藝進(jìn)行了改進(jìn)，取消下端框處的冷鐵，依靠澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮；將中部凸臺(tái)處的冷鐵的厚度由20 mm減小至10 mm，見(jiàn)圖9。

圖9:改進(jìn)后的冷鐵結(jié)構(gòu)及分布示意圖

在改進(jìn)工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)ProCAST對(duì)筒形件鑄件的澆注充型過(guò)程、凝固過(guò)程以及缺陷預(yù)測(cè)進(jìn)行模擬仿真，充型過(guò)程見(jiàn)圖10。可以看出，合金液通過(guò)內(nèi)澆道進(jìn)入鑄件型腔后，首先進(jìn)入鑄件的下端框厚壁區(qū)域，隨后流經(jīng)艙體中部區(qū)域，之后流到上端框厚壁區(qū)域，最終從鑄件底部由下而上逐步充滿鑄型型腔，鑄件整體呈現(xiàn)自下而上依次充型。整個(gè)過(guò)程中，合金液充型比較平穩(wěn)，直至全部充滿型腔。在充型過(guò)程中，合金液平穩(wěn)，不容易發(fā)生卷氣現(xiàn)象，氣孔和氧化夾渣等鑄造缺陷產(chǎn)生的傾向小。

圖10:改進(jìn)設(shè)計(jì)后鑄件充型過(guò)程溫度場(chǎng)

圖11為合金液充型結(jié)束后凝固過(guò)程中鑄件于不同時(shí)間的溫度分布圖?？梢钥闯?，合金液充型結(jié)束后，鑄件降溫最快區(qū)域?yàn)殍T件頂部的上端框處。該區(qū)域合金液最先進(jìn)入型腔，再加上上端框處放置著冷鐵，合金液冷卻速度較快，溫度最低；冒口相對(duì)上端框部位的凝固溫度更高，凝固時(shí)間更長(zhǎng)，冒口對(duì)上端框區(qū)域具有一定的補(bǔ)縮作用。整個(gè)鑄件自上而下溫度逐漸升高，符合自上而下逐層順序凝固的設(shè)想。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，鑄件整體的溫度逐漸下降，但整個(gè)降溫過(guò)程中鑄件一直保持著自下而上溫度逐漸升高的正溫度梯度，能最大限度地發(fā)揮冒口的補(bǔ)縮作用，降低鑄件內(nèi)部縮松類缺陷的傾向，有利于改善整個(gè)鑄件的品質(zhì)。鑄件的整個(gè)凝固過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)局部過(guò)熱情況，完全呈現(xiàn)出自上而下的順序凝固，鑄件的縮松傾向相對(duì)于改進(jìn)前大大減小。

圖11:改進(jìn)設(shè)計(jì)后鑄件凝固過(guò)程溫度場(chǎng)

鑄件模擬結(jié)果的缺陷預(yù)測(cè)見(jiàn)圖12?？梢钥吹剑藵沧⑾到y(tǒng)和冒口中的縮孔、縮松缺陷外，在鑄件的中下部薄壁區(qū)域和中部凸臺(tái)之間的薄壁區(qū)域的縮松缺陷得到消除，這與鑄件凝固過(guò)程溫度場(chǎng)的結(jié)果也是一致的。

圖12:改進(jìn)后的模擬結(jié)果缺陷預(yù)測(cè)

4、鑄件澆注

采用無(wú)模切砂工藝制作改進(jìn)后的復(fù)合鑄型見(jiàn)圖12。

圖12:筒形件鑄件復(fù)合鑄型

按照模擬的低壓澆注工藝參數(shù)澆注了筒形件鑄件，見(jiàn)圖13，鑄件經(jīng)X光檢測(cè)后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，符合HB7780-2005Ⅰ類鑄件要求。經(jīng)過(guò)T6熱處理后抗拉強(qiáng)度為295MPa，伸長(zhǎng)率為3.5%。

圖13:澆注的筒形件鑄件

5、結(jié)論

利用復(fù)合鑄型結(jié)合低壓的鑄造工藝，實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)鎂合金筒形件的鑄造成形，其內(nèi)部質(zhì)量滿足HB7780-2005 I類鑄件要求，T6態(tài)鑄件抗拉強(qiáng)度為295MPa，伸長(zhǎng)率為3.5%。

作者：
潘龍 余國(guó)康 鄒文兵 崔恩強(qiáng) 張旭亮 費(fèi)維卿
上海航天精密機(jī)械研究所

本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第04期