鎂合金筒形件的鑄造工藝研究

潘龍等發表于2021/9/22 10:27:44 鎂合金筒形件復合鑄型鑄造工藝

摘要：針對一種材質為GW63K的復雜薄壁鎂合金筒形件的結構特點和工藝難點，開展復合鑄型鑄造工藝研究。根據鑄件結構，設計了基于不同型砂的復合鑄型鑄造工藝，利用ProCAST軟件進行數值模擬仿真，并根據模擬結果進行凝固順序調整，優化鑄造工藝，最終達到順序凝固。試驗結果表明，復合鑄型鑄造工藝條件下的鑄件內部質量達到了HB7780-2005中I類鑄件要求，T6態力學性能滿足抗拉強度≥280MPa，伸長率≥3%。

隨著航空航天領域和汽車領域的發展，對結構件的輕量化要求越來越高。鎂合金由于密度小、比強度高、比彈性模量大、散熱性好、耐有機物和堿的腐蝕性能好等特點，被廣泛應用于航空航天、汽車領域的結構件制造。但鎂合金由于化學性質活潑，在熔煉及充型過程中非常容易氧化、燃燒，鑄造工藝難度大。近年來，各個行業領域對鎂合金復雜薄壁類鑄件(曲線型面、多筋多凸臺、結構大)的內部品質、表面品質、尺寸精度及質量等提出的要求越來越高，因而制造難度明顯增大。且此類鑄件一般都需經過100%X射線檢測和熒光檢測，不允許存在超標的縮松、氣孔、裂紋、夾渣、表面裂紋等缺陷，進一步增加了鑄造工藝難度。

傳統的鑄造工藝有砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造等，都存在各自的優勢與不足。隨著客戶對鑄件要求不斷提高，單一鑄型已無法滿足要求，因此提出基于多種鑄型的復合鑄型思想，來實現高品質鑄件的生產。本課題針對某材質為GW63K的復雜結構薄壁筒形件，運用復合鑄型，通過不同種類的型砂的激冷能力的不同來調控鑄件凝固過程的整體溫度場，從而調整鑄件各部位的凝固順序，實現順序凝固，提高鑄件的內部和表面品質，達到生產合格產品的目的。

1、零件特點和工藝性分析

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，見圖1。艙體需100%進行X光檢測及熒光檢測并按HB7780-2005的Ⅰ類鑄件要求驗收。鑄件內腔結構復雜，內壁上凸臺較多，凸臺位置壁厚尺寸較大，達到22 mm，艙體壁厚極不均勻，壁厚差大，鑄件材質為GW63K鑄造鎂合金，該鎂合金凝固區間較寬，主要呈糊狀凝固，鑄件易產生縮松、縮孔、裂紋、偏析等鑄造缺陷。

對于此類鑄件，傳統采用砂型鑄造，澆注系統由直澆道、“十”字形橫澆道及立筒縫隙內澆道組成，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，鑄件內腔表面質量差，尺寸精度低，打磨工作量大，難以滿足復雜內腔結構件的高尺寸精度和表面質量的要求，且鑄件質量不穩定，鑄件工藝出品率低。實踐證明，單一鑄型已經難以滿足客戶對高品質鑄件的要求，必須設計復合鑄型鑄造工藝，充分發揮各種型砂的性能優勢，實現高品質鑄件的鑄造成形。

圖1:筒形件三維模型圖

2、鑄造工藝設計

2.1 澆注系統設計

為了保證鑄件的內部質量，該筒形件采用低壓鑄造成形，合金液自下而上平穩充型，減少氧化，鑄件在一定的壓力下進行凝固，組織致密度優于重力鑄造致密。設計筒形件的澆注系統見圖2，整個澆注系統的形式為底注雨淋式澆注系統，由直澆道、環形橫澆道和扁平內澆道組成。底注雨淋式的優點為鑄件的工藝出品率高，切割、粗加工等后處理工序簡單。環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，各個內澆口進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個直澆道在筒形件下端框處均勻分布，合金液自下而上平穩充型，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個冒口也具有貯氣和集渣的作用，進一步減輕了合金液的氣孔、氧化夾渣缺陷傾向。同時型腔上方的合金液一直比下方的合金液先進入型腔，整個澆注和凝固過程中上方的合金液溫度一直低于下方的合金液溫度，有利于實現自上而下的凝固順序，充分發揮內澆道的補縮作用，減輕鑄件的縮松傾向，提高鑄件的致密度。

圖2:澆注系統設計

2.2 激冷系統設計

由于鑄件內部存在凸臺結構，易形成熱節，造成收縮類缺陷，因此需要在工藝設計時采用相應的冷鐵來調整局部冷卻速度，設置合理的溫度場避免鑄件出現缺陷。設計內部的冷鐵結構見圖3。在艙體砂芯上下端框等厚大部位和所有凸臺處都放置專用冷鐵，冷鐵材質采用生鐵，提高厚大部位、凸臺處的冷卻速度，避免這些部位在凝固后期形成孤立液相區，使鑄件實現順序凝固，從而減少縮松等缺陷的產生，增加組織致密度，提高內部質量。

圖3:冷鐵結構及分布示意圖

2.3 復合鑄型設計

為最大限度地實現澆注系統對鑄件的補縮，發揮低壓鑄造的優勢，結合型砂的激冷能力設計由上而下的凝固順序，設計鑄型結構見圖4，采用無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:鑄型結構示意圖

2.4 數值模擬分析

利用ProCAST軟件對筒形件的鑄造過程進行數值模擬，包括對鑄件的充型過程、鑄件凝固過程溫度場變化，并對鑄件進行缺陷預測分析。低壓澆注工藝參數如下：升液速率為1.05 kPa/s、充型速率為0.8 kPa/s、結殼速率為1.1 kPa/s、結殼增壓值為10 kPa、結殼時間為10 s、保壓速率為1.1 kPa/s、保壓增壓值為25 kPa、保壓時間為240 s。鑄件、冷鐵和各部分鑄型之間的界面傳熱系數見圖5。

圖5:鑄件、冷鐵和各部分鑄型之間的界面傳熱系數

鑄件充型過程見圖6。合金液通過內澆道進入鑄件型腔后，首先進入鑄件的下端框厚壁區域，隨后流經艙體中部區域，之后流到上端框厚壁區域，最終從鑄件底部由下而上逐步充滿鑄型型腔。鑄件整體呈現自下而上依次充型，整個過程中，合金液充型比較平穩，直至全部充滿型腔。在充型過程中，合金液平穩，不易發生卷氣現象，氣孔和氧化夾渣等鑄造缺陷產生的傾向小。

圖6:鑄件充型過程溫度場

圖7為合金液充型結束后凝固過程中鑄件于不同時間的溫度分布。可以看出，合金液充型結束后，鑄件降溫最快區域為鑄件頂部的上端框處，因為該區域合金液最先進入型腔的，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；冒口相對上端框部位的凝固溫度更高，凝固時間更長，冒口對上端框區域具有一定的補縮作用。整個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想。隨著時間延長，鑄件整體的溫度逐漸下降，但整個降溫過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，這能最大限度地發揮冒口的補縮作用，降低鑄件內部縮松類缺陷的傾向，對整個鑄件的質量改善是有利的。但在鑄件的局部區域存在一些熱節，這些位置相對于周圍在同一時間溫度更高，凝固時間更長，在后期凝固過程中得不到周圍合金液的補縮，容易出現縮松等收縮類缺陷。

圖7:鑄件凝固過程溫度場

鑄件模擬結果的缺陷預測見圖8。可以看到，除了澆注系統和冒口中的縮孔、縮松缺陷外，在鑄件的中下部薄壁區域和中部凸臺之間的薄壁區域存在縮松缺陷傾向，這與鑄件凝固過程溫度場的模擬結果一致。結合鑄造工藝，對缺陷的產生進行進一步分析，認為凸臺處的冷鐵厚度太厚，導致凸臺區域的合金液冷卻速度太快，在冷鐵的作用下比附近薄壁區域的冷速還快，導致凝固過程中在凸臺之間的薄壁區域出現孤立液相區，凝固后期得不到周圍合金液的補縮，最終形成縮松缺陷。鑄件中下部薄壁區域存在縮松缺陷傾向，是因為鑄件下端框處設置的冷鐵加快了下端框位置合金液的冷卻速度，導致下端框處的凝固時間小于中下部薄壁處的凝固時間，中下部薄壁區域在凝固過程中存在孤立液相區，最終形成縮松缺陷。

圖8:模擬結果缺陷預測

3、工藝改進措施

針對初始復合鑄型工藝條件下筒形件鑄件出現的縮松缺陷，對其復合鑄型工藝進行了改進，取消下端框處的冷鐵，依靠澆注系統對鑄件進行補縮；將中部凸臺處的冷鐵的厚度由20 mm減小至10 mm，見圖9。

圖9:改進后的冷鐵結構及分布示意圖

在改進工藝的基礎上，通過ProCAST對筒形件鑄件的澆注充型過程、凝固過程以及缺陷預測進行模擬仿真，充型過程見圖10。可以看出，合金液通過內澆道進入鑄件型腔后，首先進入鑄件的下端框厚壁區域，隨后流經艙體中部區域，之后流到上端框厚壁區域，最終從鑄件底部由下而上逐步充滿鑄型型腔，鑄件整體呈現自下而上依次充型。整個過程中，合金液充型比較平穩，直至全部充滿型腔。在充型過程中，合金液平穩，不容易發生卷氣現象，氣孔和氧化夾渣等鑄造缺陷產生的傾向小。

圖10:改進設計后鑄件充型過程溫度場

圖11為合金液充型結束后凝固過程中鑄件于不同時間的溫度分布圖。可以看出，合金液充型結束后，鑄件降溫最快區域為鑄件頂部的上端框處。該區域合金液最先進入型腔，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；冒口相對上端框部位的凝固溫度更高，凝固時間更長，冒口對上端框區域具有一定的補縮作用。整個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想。隨著時間延長，鑄件整體的溫度逐漸下降，但整個降溫過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，能最大限度地發揮冒口的補縮作用，降低鑄件內部縮松類缺陷的傾向，有利于改善整個鑄件的品質。鑄件的整個凝固過程中沒有出現局部過熱情況，完全呈現出自上而下的順序凝固，鑄件的縮松傾向相對于改進前大大減小。