大型油底殼半金屬型鑄造工藝

■ 陳家木，夏貴光，劉海軍，樊小敏

我公司為某合資發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)開(kāi)發(fā)的一種大型油底殼，外形尺寸1000mm×340mm×300mm，材質(zhì)為AC2B，產(chǎn)品壁厚要求4～5mm，總重量約14kg，屬于典型的大平面結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品不允許存在縮孔、縮松、裂紋等缺陷，要求承受0.15MPa水壓試驗(yàn)不得滲漏。

1. 鑄件工藝分析

該油底殼鑄件為大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。鑄件外形結(jié)構(gòu)為階梯狀敞口結(jié)構(gòu)，第一階梯高度110mm，第二階梯高度300mm，長(zhǎng)度1000mm，寬度340mm。熱節(jié)大小為φ 25～φ30mm，主要分布在安裝法蘭面兩側(cè)油標(biāo)孔位置。綜合訂單數(shù)量及產(chǎn)品對(duì)外觀及部分尺寸要求精度較高，只有采用金屬型才能滿足產(chǎn)品精度，同時(shí)可進(jìn)行批量生產(chǎn)。

2. 工藝方案確定

為確保生產(chǎn)出合格鑄件，在材質(zhì)選取及工藝設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了以下多方面考慮。

（1）原有產(chǎn)品材質(zhì)要求為AC2 B，主要化學(xué)成分：wSi＝5.0%～7.0% ，wCu＝2.0%～4.0% ，其余為A l?？估瓘?qiáng)度σb≥15 0MPa，伸長(zhǎng)率≥1%，硬度≥70HBW。該合金屬于亞共晶Al-Si-Cu系合金，屬于寬結(jié)晶范圍合金，傾向于體積凝固。其液態(tài)金屬過(guò)冷度小，容易形成分散性的縮孔及熱裂缺陷，不適于金屬型重力鑄造深型腔薄壁鑄件。通過(guò)與客戶溝通，最終選定材質(zhì)Al Si10Mg，該材質(zhì)主要化學(xué)成分：wSi＝9.0%～10.5% ，wMg＝0.15%～0.4%，其余為Al?？估瓘?qiáng)度σb≥170MPa，伸長(zhǎng)率≥4%，硬度≥62HBW，在滿足原有材料力學(xué)性能情況下，材質(zhì)接近共晶成分，結(jié)晶溫度范圍較窄，不含Cu，傾向于順序凝固，液態(tài)凝固中體積收縮時(shí)，可以不斷得到液體的補(bǔ)充，產(chǎn)生分散性縮松的傾向小，產(chǎn)生熱裂傾向也小，更適宜薄壁零件生產(chǎn)。

（2）大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件使用金屬型生產(chǎn)時(shí)極易產(chǎn)生縮裂、澆不足、氣嗆等缺陷。究其原因主要是因?yàn)椋轰X合金受阻收縮率達(dá)到0.8%～1.0%，長(zhǎng)度方向尺寸變化大，而金屬型在鑄造時(shí)，由于鑄型或型芯材料沒(méi)有退讓性，如果鑄件凝固基本完成，此時(shí)應(yīng)力大于合金抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生裂紋。由于金屬型不像砂芯那樣透氣，在鑄型形成氣阻，使合金液體不能充滿而造成澆不足或氣嗆。為解決此類問(wèn)題，我們開(kāi)創(chuàng)性地采用半金屬型鑄造，即外型采用金屬型鑄造，保證鑄件精度及生產(chǎn)效率，內(nèi)腔采用覆膜砂砂芯取代上模，利用砂芯的退讓性和透氣性解決大型薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件在金屬型鑄造中易出現(xiàn)的問(wèn)題。

圖1 油底殼鑄件結(jié)構(gòu)

（3）為簡(jiǎn)化金屬型并實(shí)現(xiàn)順序凝固的目的，采用頂注式澆注系統(tǒng)，考慮到鋁液充型順暢和鑄件結(jié)構(gòu)，決定從安裝法蘭面兩短邊引入澆道，安裝面周邊熱節(jié)設(shè)置冒口。兩游標(biāo)孔通過(guò)設(shè)置帶有補(bǔ)縮通道的小砂芯實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮。

最終確定的工藝方案如圖2所示。

3. 工藝改進(jìn)措施

按圖2的方案進(jìn)行小批量生產(chǎn)后，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)鑄件尺寸均符合精度要求且穩(wěn)定，鑄件無(wú)縮裂、澆不足等缺陷。但是在B面易出現(xiàn)鋁液氧化夾渣，試壓滲漏率高達(dá)70%以上。鑄件內(nèi)腔易出現(xiàn)氣嗆凹陷缺陷，影響產(chǎn)品外觀。

通過(guò)分析認(rèn)為，頂注式澆注系統(tǒng)充型不平穩(wěn)，易引起沖擊和飛濺，使鑄件產(chǎn)生氣孔和氧化夾渣等缺陷，不宜生產(chǎn)高度在200mm以上的鑄件。同時(shí)由于覆膜砂透氣性不足，不能及時(shí)逸出型腔內(nèi)氣體和覆膜砂砂芯受熱時(shí)產(chǎn)生的氣體，導(dǎo)致內(nèi)腔表面出現(xiàn)氣嗆缺陷。為此采取以下針對(duì)性措施。

（1) 由于半金屬型鑄造和頂注式澆注方式為最佳工藝方式，只有從澆注工藝上考慮改善氧化夾渣缺陷。通過(guò)分析鑄件結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，A面澆注系統(tǒng)落差有110mm，B面澆注系統(tǒng)鋁液落差有3 0 0m m，為此制訂差步澆注法工藝即：先從A面內(nèi)澆道澆注10～15s，使B面深腔鋁液上升到120～150mm，再?gòu)腂面和A面同時(shí)進(jìn)行澆注，如此可以將B面澆注系統(tǒng)鋁液落差降低到200mm以下，從而減少氧化夾渣傾向。

（2) 更改砂芯結(jié)構(gòu)，在覆膜砂芯盒上密集均勻地設(shè)置排氣針，使得覆膜砂上均勻分布排氣針孔，澆注時(shí)型腔氣體和覆膜砂受熱產(chǎn)生的氣體一是通過(guò)排氣針孔可以快速逸出，二是來(lái)不及逸出的氣體也可以通過(guò)排氣針孔聚集，解決了鑄件內(nèi)表面氣嗆問(wèn)題。該措施如圖3 所示。

實(shí)施后，鑄件氧化夾渣現(xiàn)象得以消除，內(nèi)腔氣嗆現(xiàn)象得到解決，鑄件滲漏率降低到10%以下。但是由于排氣針孔存在，內(nèi)腔出現(xiàn)很多突起，需要人工打磨后經(jīng)噴丸等表面處理予以消除。處理后鑄件如圖4所示，達(dá)到了產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖2 油底殼工藝方案

圖3 覆膜砂砂芯改進(jìn)后示意

圖4 處理后鑄件

4. 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件，采用金屬型工藝生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到由于鋁合金凝固收縮時(shí)產(chǎn)生的熱裂傾向并制訂有效措施避免熱裂現(xiàn)象發(fā)生，利用覆膜砂的退讓性代替部分金屬型型芯，可以有效解決此類問(wèn)題。

（2）大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件在材質(zhì)選擇上，應(yīng)盡量選擇接近共晶成分、結(jié)晶溫度范圍窄、傾向于順序凝固以及熱裂傾向小的材質(zhì)，通過(guò)控制溫度梯度，使鑄件在凝固過(guò)程中能持續(xù)得到補(bǔ)縮。

（3）大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件如果充型距離較長(zhǎng)，采用雙澆口或者多澆口是一種有效的防止冷隔的工藝方法。

（4）大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件，凝固過(guò)程中易產(chǎn)生氣嗆缺陷，因此需要在模具設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮型腔排氣。

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