原标题：ZL205A铝合金基座低压铸造工艺改进

摘要：针对ZL205A铝合金基座铸件出现的缩松、缩孔及气孔缺陷，分析了原低压铸造工艺，检测了压铸件品质与力学性能，分析了缺陷产生原因，通过开设排气渣通道、提高浇注温度、降低浇注速度、增加顶部安装边、使用冷铁和石墨及铬铁矿砂对铸件进行整体激冷等工艺措施，解决了基座铸件内部的诸多缺陷，生产出了合格的ZL205A中大型基座铸件。

ZL205A铝合金经T5热处理后，具有较好的综合力学性能和切削加工性能，常应用于航空、航天和兵器等行业中承受大的动、静载荷的结构件,得到广泛应用。由于添加Cu、Mn、Ti、Zr、Cd等元素，其铸造性能较差，其流动性仅是ZL104合金的68%,其结晶温度间隔较宽，达到近90℃，倾向于糊状凝固，有严重的产生缩孔、疏松缺陷倾向；体收缩比Al-Si系合金大，线收缩是ZL104合金的1.2倍以上；ZL205A铝合金大型基座，其外形尺寸大、浇注质量大，铸件热节多且分散，铸件局部温差较大，缩孔、偏析、疏松问题很突出。由于含有Cu、Mn、Ti、Zr、Cd等多个组元，各组元之间特性差异较大，在合金熔炼、铸件凝固过程中容易出现成分偏析，同时在铸造过程中也容易产生缩孔、疏松、热裂纹及气孔等质量问题。设计工艺时须对铸件进行激冷和补缩，形成顺序凝固，以保证获得组织致密的优质铸件，充分发挥ZL205A率合金的高强度特性。

1、铸件工艺设计

1.1 基座铸件结构特点及要求

图1为ZL205A铝合金基座铸件示意图，需满足GB/T 1173-1995Ⅱ类铸件要求；抗拉强度≥440 MPa、伸长率≥7%；要求铸件整体进行X射线探伤检测，在0.04 MPa气压下，保压30 min不泄漏。

图1:基座铸件示意图

铸件轮廓尺寸为918 mm×750 mm×305.6 mm，结构复杂且铸件多个形状只能通过下芯铸出；壁厚差异较大，最薄壁厚为16 mm、最厚壁厚达到了42 mm，铸件热节分散且相互干涉，因此难以实现顺序凝固，给铸造工艺设计带来很大的困难。

1.2 基座铸造工艺方案设计及参数选择

基座铸件结构较复杂，铸件热节多且分散，采用重力浇注很难保证铸件热节处不产生缩孔或疏松。采用低压铸造浇注ZL205A合金基座，其基本原理见图2。其原理是在装有金属液的坩埚中，通入干燥的惰性气体，使金属液沿着升液管自下而上通过浇道进入型腔，待金属液充满型后，增大气压，使液面上的气体压力保持至铸件完全凝固，然后解除压力，开型后获得所需的铸件。

图2:低压铸造基本原理图

基座铸造工艺方案见图3。安装大面垂直放置，在铸件安装大面和9处法兰盘部位共开设8道缝隙浇口，铸件外侧的4道浇口正对铸件两侧侧壁，中部4道浇口正对铸件内腔的加强筋板，在铸件顶部相邻两道缝隙圆棒之间安放3个冒口，在热节部位安放钢冷铁和石墨激冷，形成有利于顺序凝固的条件。

图3:基座低压铸造工艺方案

内浇道截面积计算见下式：

式中，Ag为内浇道截面积，cm2；W为铸件质量，g；ρ为合金密度，g/cm2；υ是内浇道出口线速度，cm/s；保证金属液平稳充型，υ值应不大于15 cm/s；t是充型时间，s，按合金在型内上升速度计算，t＝h/υ升（h为型腔高度，cm），υ升＝1~6 cm/s。t

用UG三维模型估算铸件浇注质量约为490 kg，采用缝隙式浇道进行补缩，见图4。缝隙浇口最小厚度b选择取1.15δ，缝隙圆棒采用上小下大形式，小端直径D取值为2.5b，斜度为1.5°，缝隙圆棒中心线至铸件外壁距离a取60 mm。在相邻两道缝隙浇道之间安放专用钢冷铁，冷铁两端倒角斜角，冷铁厚度为1.3δ。缝隙式内浇道数量为8根，间距取为200~220 mm。

图4:缝隙式内浇道结构示意图

1.3 合金熔炼

ZL205A铝合金熔炼时，使用旋转喷吹精炼机对铝液进行连续搅拌15 min。表1为合金的实际化学成分与标准化学成分。可以看出，合金的化学成分满足GB/T 1173-1995标准要求。

表1:实测化学成分与GB/T 1173-1995标准对比

1.4 浇注

根据ZL205A基座铸件铸件浇注温度选取范围为675~680 ℃、充型速度υ升取2 cm/s、充型时间为65~75 s之间。在确定好浇注参数后，将浇注参数录入型号为LPC-DV08-NH的低压铸造液面加压控制系统中。

2、内部品质检测与性能测试

2.1 X射线探伤检测及表面质量检查

采用XXQ-2005型携带式工艺X射线探伤机对铸件进行检测，检测结果分别见表2与图5与图6。

表2:X射线检测（表面检测）

图5:铸件浇注位置顶部安装边缩孔、密集性气孔

图6:铸件方盘上部气孔

2.2 力学性能测试

ZL205A基座铸件单铸试样与铸件本体切取试样力学性能测试在WE-100型数显液压万能试压机上完成，每个部位取3个试样进行测试并取其平均值，结果见表3。

表3:铸件力学性能检测结果

3、基座缺陷原因分析

金属液进入型腔,空气被加热，出现向上排出铸型的现象，很小的一部分空气进入了型腔的死角，在金属熔液热力作用下膨胀长大，形成危害性较大的气孔缺陷，见图7。

图7:气孔缺陷形成过程

基座铸件的树脂砂铸型整体高度达到了1400 mm以上，铸件型腔复杂、转角较多，升液速度设置过快，合金熔液在型腔内产生紊流卷气；合金熔液流动距离远，到达铸型顶部的熔液温度很低，不利于气、渣排出铸件型腔，易于在铸件中上部产生夹渣及气孔等缺陷。

基座铸件顶部左右两侧的缝隙浇道间距很近，浇注时铸件顶部缝隙浇道周围过热而导致铸件顶面处安装边产生疏松、缩孔缺陷；同时铸件顶部是型腔中渣、气聚集区，气和渣阻碍缝隙浇道对铸件的补缩，加重了铸件产生疏松、缩孔缺陷的情况。

4、解决措施

针对基座铸件方盘上部产生气孔的原因，从铸造工艺上优化铸件局部结构，让渣、气有时间、条件沿着开设的工艺通道排出型腔或进入铸件加工余量范围内，有利于减轻铸件产生渣气孔缺陷的概率（见图8）。

图8:铸件结构局部优化

针对铸件顶部产生密集性气孔、疏松和缩孔缺陷的原因，采取了降低充型速度,将充型速度降为1.5cm/s防止金属熔液在型腔内紊流卷气；提高浇注温度,将浇注温度范围设为682~687 ℃，增加合金液的流动性，利于气和渣上浮；并将顶面安装边加高50 mm增加气和渣的存储空间；采用钢冷铁与铬铁矿砂包裹对铸件顶部进行整体激冷，防止铸件顶部过热，形成良好的顺序凝固条件。

5、结论

ZL205A铝合金基座生产试制，通过提高浇注温度、降低浇注速度、增加顶部安装边，使用冷铁和石墨及铬铁矿砂对铸件进行整体激冷，成功铸出了符合技术要求的ZL205A基座铸件。ZL205A基座铸件经X射线探伤检测，表面着色检测未发现明显组织缺陷，力学性能检测均满足技术要求。

作者：张春成
海装西安局

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志2021年第41卷第02期