（材料加工工程专业论文）高性能alcu合金金属型铸造工艺研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 铝铜类合金是工业上最早采用的铸铝合金。在各种铸铝合金中其重要性仅次于 al- si合金。主要的性能特点是室温和高温机械性能高，切削加工性能好，耐热性能 优良，是发展含 cu高强度铝合金和各种耐热铝合金的基础。但 al- cu类合金的铸造 性能较差，尤其是易热裂，一般不推荐使用金属性铸造。本论文将以 zl201 合金为 原料，先经过模具设计，然后进行一系列的浇注实验来研究横梁铸件的金属型倾转 浇注工艺成型性研究。 首先确定了金属型浇注的方案，接着分析了铸件的结构，按照金属型铸造模具 的总体结构设计方法和原则，初步确定了浇注位置、冒口的尺寸和排气系统的安排 以及其他必要的设计。在模具设计的基础上，设想三种浇注方案。 对考察的浇注参数即浇注温度、充型时间、浇冒口位置及模具温度进行实验设 计，得到模拟出来的结果，认为浇冒口位置是影响缩孔体积的关键因素。然后对初 步设想的三次方案进行浇注实验。对倾转浇注机进行结构的改进，然后对浇注工艺 进行了调整，通过五组实验，最终得到了比较稳定的浇注工艺方案。对铸态下的铸 件、 t4 处理的铸件及 t5 处理的铸件进行破坏性试验， 证实铸件在 t5 热处理条件下， 27t 压力下不断裂，变形为 0.02mm，强度和变形都符合要求，并观察三种状态下的 金相组织，从不同状态下 t 相的变化证实了破坏性试验的结果。 对实验中出现的缩孔及裂纹的成因进行了分析，认为是包括合金性质、铸件结 构以及浇注工艺等因素综合作用产生的，并在此基础上提出缩孔和裂纹的防止措施， 如改善铸件壁厚、改善合金的质量、改善浇注工艺等。 最终确定的工艺参数是浇注温度 660 ，倾转角度 3 0 ，中间放置浇口两端放 置冒口，充型时间 12s，同时采用快速开模，对模具进行局部冷却，不用或使用极少 量的回炉料。 关键词：zl201 合金；倾转浇注；模具设计；缩孔；裂纹；金相组织 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract al- cu alloy， which is the first used aluminium casting alloy in the industrial field， is the most important one except al- si alloy. its main characteristics， such as high mechanical properties both at the room and high temperature， good cutting performance and excellent heat- resistance are the basis of developing super high strength aluminium alloy contained cu and kinds of heat- resistant aluminium alloys. unfortunately， because of the poor casting properties， al- cu alloy can not be suggested using die casting. in this article， based on the material of zl201 alloy， a research on processing feasibility of fix crosspiece by tilt pouring is operated through designing a die and doing pouring experiments. first of all， with the way of die casting decided， the structure designed of the fix crosspiece is analyzed. the pouring position， the dimension of pouring cups and risers and the arrangement of air- discharge system and other things necessary are determined preliminarily， according to the design method and principle of integral structure of the die. then， three ways of casting was assumed. simulation result obtained after applying the design of experiment on pre- designed parameters such as pouring temperature, filling time, the pouring position and the temperature of the die is that the key factor is the pouring position. and then， three different ways of pouring trials are performed preliminarily. after improving the constructional details of the machine for tilt pouring and adjusting the pouring parameters by five groups of trails， a relatively stable method is achieved in the end. the experiment of mechanical property including strength and deformation is done on castings in the state of casting, t4 and t5， of which is satisfactory in the condition of t5 heat treating with enough strength in the pressure of 27t and the deformation less than 0.02mm.the micrographic metallic phase is observed then the result of the experiment is confirmed by the change of t- phase. the cause of the generation on shrinkage cavity and crack in pouring process are analyzed， which is thought to be the combined effect among the character of al- cu alloy， the structure of the part， pouring ways and the other parameters， meanwhile， many measures for prevention are advised for example improving the quality of the alloy, modifying the thickness of walls and adjusting the pouring parameters. 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii the casting parameters confirmed conclude pouring temperature 660， tilting angle 30 ， basins in center， risers in both sides and filling time 12?. at the same time， rapidly die sinking， zone- cooling on the dies， and smelting without returns or with few of returns. key words： zl201 alloy；tilt pouring； die design； shrinkage cavity； crack； metallurgical structure 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“ ” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 年 月 日 日 期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 引言 铝相对于钢、铁来讲，质量轻很多，而且铝资源丰富，市场供应充足。铝加入 合金元素之后，密度小，质量轻，导热性能高，吸收冲击能力强，易于回收再生， 耐腐蚀性能高等特点。铝合金的密度大约是钢铁的 1/3，吸收冲击能力大约是钢的 2 倍，导热性能大约是铁的 3 倍1- 3。 铸造铝合金的研究一直备受关注，由于铝合金的熔点相对较低，故许多学者以 其为对象研究铸造过程的机理4。同时，为全面发挥铝合金潜力，在铝合金熔炼工艺 及铸造工艺上的研究较多，如：铝合金净化、变质、细化、合金化、纯化等，这些 先进的工艺技术研究旨在改善铸造合金的工艺性，进一步提高合金的性能，生产出 优质铸件，以满足人们对铸件的越来越高的要求5- 7。 同时，随着现代工业及铸造技术的发展，对铸造铝合金需求量越来越大。例如， 上世纪 80 年代末到 90 年代初，在铝铸件总量停滞甚至下降的时候，日本的铝铸件 产量一直保持着年递增 10左右的高增长率。以汽车工业为例，由于要降低能耗， 汽车需减重，各国广泛地采用铝等有色铸件代替钢铁铸件。目前，日本汽车工业中 铝合金已占到铸件总重的 74，德国的卡车工业中，铝合金铸件由占铸件总重 20 的增至 60。到 2001 年，小汽车总重将降低为 800 ，其中钢铁零部件为 200 ， 铝合金零部件为 275 ，镁合金将增为 40 3。由此可以看出，铸造铝合金的研究 及应用将继续得到发展。如何使传统的铸造铝合金在新的世纪继续保持发展势头， 如何不断开发新品种，进一步提高铝材料性能，降低成本和提高性价比己成为当今 国际铝业界共同关心的问题5。 1.2 铸造铝铜合金 1.2.1 铸造铝合金 所有的铸造铝合金都是在纯铝的基础上，加入各种不同的元素得到的。由于其 主要成分是铝，因而其基本特性，如比重、熔点、导热性、线膨胀系数、收缩率等 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 物理性能和化学性能，切削加工性能等等都和纯铝的性能密切相关。它们不仅保持 了纯铝的基本性能，而且由于合金化作用获得了更加良好的综合性能。配制铝合金 的元素主要有硅、铜、镁、锌以及稀土元素等，它们在铝中的加入量较大，能强烈 影响铝的力学性能和物理、化学性能8- 12。按照铸造铝合金的主要合金化元素，可以 将其划分为以下五类： (1) al- si类合金 （si 5 % ） 此类合金通常称为矽铝明或硅铝明。它具有优良的铸造性能，如收缩率小，流 动性好，气密性好和热裂倾向小等，经过变质处理之后，还具有良好的机械性能、 物理性能和切削加工性能，是铸造铝合金中品种最多，用量最大的合金10。 (2) al- cu类合金 (cu 4 % ) 具有较高的室温和高温机械性能，主要作为耐热和高强度铝合金应用。但铸造 性能较差，抗蚀性也较低，线膨胀系数较大，有“永久生长”现象。此类合金大多 作为耐热铝合金和高强度铝合金用8。 (3) al- mg类合金 (mg 5 % ) 具有非常优异的抗蚀性能，机械性能高，加工表面光亮美观，比重是现有铝合 金中最小的。但熔炼、铸造工艺比较复杂，除用作耐蚀合金外，是发展高强度合金 的基础之一，也可作为装饰用合金。 (4) al- zn类合金 锌在铝中的溶解度非常大，当铝加中入的锌大于 10%时，能显著提高合金的强 度；它的最大的优点是不需热处理就能使合金强化。但这种合金抗蚀性能差，有应 力腐蚀倾向，铸造时容易产生热裂，主要用作压铸仪表壳体类零件。 (5) al- re（混合稀土）类合金 高温强度高，热稳定性好，可用于在 3 5 0 4 0 0 温度下工作的零件。只是其室 温机械性能较差，目前应用不多，也未列入国标12。 1.2.1 铝铜类合金 铝铜类合金是工业上最早采用的铸铝合金。在各种铸铝合金中其重要性仅次于 al- si合金。主要的性能特点是室温和高温机械性能高，切削加工性能好，耐热性能 优良，是发展含 cu高强度铝合金和各种耐热铝合金的基础。但在一定的含 cu量范 围内，al- cu类合金的铸造性能较差，尤其是易热裂，抗腐蚀性能较低13。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 图 1- 1 al- cu 合金二元相图铝角 图 1- 1 是 al- cu合金二元相图12。 由图可知，cu在固溶体内的溶解度在二元共晶温度(548)时约为 5.65%，而 室温时则降至 0.1%以下。al- cu二元合金中只有固溶体及（cual2）两个相； 和在 33.2%cu处形成二元共晶(+cual2)。 cu在中的溶解度随温度的下降而显著降低， 所以这种合金能进行固溶化处理。 试验表明： 含 cu量为 4.55.5%的合金能保证获得最大的淬火效果， 含 cu大于 5.5% 的铝合金在淬火组织中会有残余脆性相 cual2出现；而且含 cu量愈多，合金组织中 cual2就愈多，因而使热处理强化效果降低，所以当含 cu 量超过 7%时，合金通常 都在铸态下使用14。 这种显著的热处理强化作用，主要是由于淬火和时效后合金组织中出现大量弥 散分布的 ? 相(cual2的过渡相)使固溶体的结晶点阵扭曲(畸变)，并封闭了晶粒间 的滑移面的缘故14- 17。 1.2.2 zl201 合金 al- cu二元合金中加入少量 mn，能显著提高室温和高温机械性能；同时能改善 铸造性能。典型的就是 zl201 合金(4.55.3%cu，0.61.0%mn，0.150.35%ti)。 图 1- 2(a)是 al- cu- mn三元相图的固相面，(b)是等温溶解度。 由上图可知， 此合金的铸态组织为在固溶体的晶界上分布着+(cu2mn3al20) 二元共晶体及+cual2+(cu2mn3al20)三元共晶， 由于mn在 al中的扩散速度极慢， 铸态组织中，部分 mn即呈饱和状态存在于固溶体中。 当 mn量超过 1%时， 合金的耐热性虽还有提高， 但组织中不溶的(cu2mn3al20) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 相增多，晶粒尺寸也增大，使合金变脆，室温抗拉强度也将下降。mn量过高，还易 引起 mn的偏析而使机械性能下降，所以 mn量最好控制在 0.80.9%左右12。 图 1- 2 al- cu- mn 三元相图 合金中含有少量的 ti时可使组织得到显著的细化，从而使 cual2和相在热处 理时能更充分的溶解，分布更均匀，充分发挥它阻碍晶间滑移的作用，提高强化效 果。ti的加入量以 0.20.25%为佳。ti量过少不能使组织细化，过多则熔炼过程将 产生 ti 的偏析，在坩埚底部出现粗大的 tial3片状化合物，合金液停留的时间越长， 片状 tial3化合物的晶粒也越大，浇注时，即成为夹杂物混入铸件，使机械性能变坏， 这点在熔炼时须加以注意18。 al- cu合金的热烈倾向很大， 但cu含量大于4.5%的合金内加入超过0.5%mn时， 即能改善热裂倾向。这是因为 mn增加了组织中的共晶体量的缘故。少量 ti也能改 善合金的热裂倾向。因为晶粒细化使合金凝固时形成晶体骨架时间延迟；并且细小 的晶粒间有较大的联接表面，因而在固相温度附近合金有较好的机械性能，提高了 合金的抗热裂性能。 综上所述，zl201 合金的机械性能相当高，砂型铸造经 t5处理，室温机械性能 b可以达到 300400mpa，达到 410%。可用作承受大的动载荷和静载荷的零 件，也可用于 300以下温度工作的零件。而且此合金在低温(- 70)时仍保持良好的 机械性能，是用途很广的一种合金15- 17。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 1.3 铝合金的铸造方法 1.3.1 铝合金各种铸造方法 一般来说，铝合金的铸造工艺方法有倾转重力铸造、低压铸造、高压铸造、差 压铸造等19。几种铸造方法的效果对比见表1- 120- 22。 表1- 1几种铸造方法效果比较 铸造方法 倾转重力铸造 低压铸造 高压铸造 差压铸造 重力与补缩关系 参与 阻碍 阻碍 参与 充型平稳性 平稳 平稳 平稳 平稳 气孔 有 无 很少 无 热裂可能性 很少 不多 很少 很少 补缩能力 可以 强 最强 很强 充填能力 一般 最强 强 最强 低压铸造工艺最早由英国人e.f.lake 于20 世纪初期提出并申请专利。由于作 用的压力较低(一般为2060 kpa)， 故称之为低压铸造。 低压铸造工艺原理如图1- 3 20 所示。 图1- 3 低压铸造工艺原理图 其工艺是借助于压缩空气或电磁泵在位于低压铸造机(模具)下部的气密式浇注 炉中产生出的压力将铝液通过浇注通道从底部挤入模具中，从而完成全部铸造过程。 在其应用中存在模具结构及其控温系统复杂、一次性项目建设投资高、设备维修复 杂和成本高、生产效率低、占地面积大等问题20。 差压铸造工艺是一种先进的反重力精密成形方法，它是60 年代初期由保加利亚 首先发明的，这种方法源于低压铸造，它兼有低压铸造和压力釜铸造的特点。差压 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 铸造工艺方法先进，经济效益高，适用范围广，适用于各种铸型。与低压铸造相比， 其铸件的致密度、抗拉强度和伸长率有较大的提高。因此，一经出现就表现出巨大 的生命力。保加利亚在1974 年举办的展会上展出了能生产100kg 的复杂铝合金铸件 的差压铸造设备，标志着差压铸造工艺已经成熟。目前，保加利亚已有5 种规格的 差压铸造机，最大的1种压力罐直径达2m，外销国家遍及世界各地，其中包括美、英、 法、俄、澳大利亚等发达国家21。其工艺原理图如图1- 4所示。 图 1- 4 差压铸造工艺原理图 差压铸造工艺铸件质量高，材料利用率高，但需较大吨位的压力机，也存在 建设投资高、设备维修复杂和成本高、生产效率低、占地面积大等问题。高压铸造 是将液态铝合金在几十到几百个大气压力下快速注入金属模型腔内，快速凝固而获 得铸件的一种方法20- 22。高压铸造工艺原理图如图1- 520所示。 高压压铸成形产品具备表面组织晶粒细化、尺寸精度高、机械性能好、生产 效率高等特点。其最大负面影响是铝合金液流的快速注入超越了金属模型腔内气 体的上升速度，腔内空气来不及排出而裹入铝合金液内，在此情况下，压铸模具 的排气孔再多再大，铸件仍可能出现气泡和疏松。使铸件塑性(延伸率、冲击韧 性等)显著降低。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 图1- 5 高压铸造工艺原理图 低压铸造、高压铸造、差压铸造均适用于成批大量生产，设备投资大，维修 复杂，成本高。伴随着数十年历程的市场竞争和技术不断改造，它们的应用与发 展，都因技术复杂性导致的居高不下的高成本而受到了限制。然而，重力铸造工 艺则开始显示出强大的生命力。目前，在全球近6000万件铝缸盖的总产量中，近85% 的铸造生产都是采用金属型重力铸造工艺的22。 1.3.2 倾转重力铸造 倾转重力浇铸工艺是一种新兴发展的先进的浇注工艺。它是重力浇铸工艺的一 种，是模具在倾转重力浇铸机上进行倾转浇注的一种浇注工艺，浇注工艺过程简图 如图1- 6所示。倾转浇注法就是铸型或金属型在倾转过程中靠倾角的变化使液体流淌 进型腔的一种铸造生产方法。倾转浇注通过工作台合适的倾转，几何位置的升降由 底铸式合理的转为顶铸式，将底铸与顶铸的优点相结合，避免了底铸缩孔、缩松、 浇不足等缺陷的产生和顶铸充型不平稳的缺点。其优点主要体现在强化顺序凝固； 充型平稳，减少吸气；充分发挥冒口的补缩作用( 冒口集中并处于最高处) ，提高工 艺出品率；减少冲砂、夹砂、气孔的产生；进而提高经济效率等诸多优点。基于上 述原因，倾转铸造法在一些发达国家得到迅速发展，日本等国也在广泛应用，这说 明倾转铸造具有很强的生命力。近几年来，国内的铸造工作者也越来越重视此种方 法的研究和应用。倾转浇注工艺在我国己经得到了广泛的使用。从有关资料中发现， 它主要适用于薄壁箱体类复杂铸件23。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 8 图1-6 倾转浇注过程示意图 倾转重力铸造设备简单，生产环境条件要求低，投资小，维修方便，结合熔 炼新技术及模具材料的发展与应用，采用倾转重力铸造工艺生产的铸件同样具有 较高的机械性能，特别适合中小企业生产使用。 本文所采用的铝铜合金铸造工艺就是倾转重力浇铸工艺。 1.4 一般铸件缩孔及裂纹的产生原因一般铸件缩孔及裂纹的产生原因 1.4.1 一般铸件裂纹产生的原因一般铸件裂纹产生的原因 由于型壁的传热作用，铸件总是从表面开始凝固的。当铸件表面出现大量的枝 晶并搭接成完整的骨架时，铸件就会出现固态收缩（常以线收缩表示） 。但在此时树 晶之间还存在一层尚未凝固的液体金属薄膜（液膜）如果铸件的收缩不受任何阻碍， 那么枝晶层不受力的作用，可以自由收缩，也就不会出现应力。当枝晶层的收缩收 到型砂或砂芯的阻碍时，由于枝晶层不能自由收缩或受到拉力的作用，因而就会出 现拉应力。这时枝晶间的液膜将受到拉伸的作用而变形。当拉应力超过液膜的强度 极限时，枝晶间就会被拉开。但是被拉裂的部分的周围还存在一些液体金属，如果 液膜被拉开的速度很慢，而且周围有足够的液体并及时地流入拉裂处，那么拉裂处 将得到填补和“愈合” ，铸件不会出现热裂纹。如果拉裂处不能重新“愈合” ，铸件 就会出现热裂纹， 见图 1-7， 裂纹出现以后拉应力就小时。 由于阻碍收缩并没有解除， 随着铸件不断凝固和收缩，枝晶层还可能重新出现拉应力和产生热裂纹，即在枝晶 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 层完全凝固以前，由于收缩受到阻碍和铸件处于脆性状态，裂纹有可能进一步扩展 24- 27。 铸件产生热裂纹的因素在于：金属的凝固温度范围、合金的线收缩、枝晶层收 缩区域、冷却速度和发生变形的液膜区宽度。合金的凝固温度范围越大，枝晶层存 在液膜的时间越长，合金的线收缩越大，拉应力越大；枝晶层收缩区域的长度越长， 收缩区域的变形量越大；冷却速度越快，液膜变形的速度也越快；发生变形的液膜 区域越狭窄、枝晶间液膜的变形量就越大，铸件产生热裂的可能性就越大26。 图 1- 7 铝合金铸件上的裂纹 铸件出现裂纹具体的原因如下4： 1. 铸件结构设计不当 (1) 内圆角大小不当，是铸件产生热裂纹最普遍的原因，因为铸件再冷却时尖角 会产生很大的应力。再内圆角小的部位，即使补缩良好不出现缩裂，也会产生热裂。 (2) 截面骤然改变，导致冷却速度快慢不一。铸件截面骤然改变，即使补缩良好 也能造成应力，时铸件再凝固后出现裂口或裂纹。对铸件截面而言，内浇口截面太 大或数量太少，会形成热节导致热裂。 (3) 具有 t 型连接的槽型或工字型截面的铸件， 在连接处的砂型会阻碍金属液的 正常凝固。因而在冷却过程中，型壁阻碍铸件正常收缩，从而产生很高的内应力。 2. 浇冒口系统 (1) 直浇道或冒口距箱带过近。箱带距直浇道或冒口过近，在冷却时会妨碍铸件 的正常膨胀或收缩。 (2) 内浇口、冒口、横浇道设置不当，使铸件不能正常收缩。有许多情况会使浇 裂纹 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 注系统妨碍铸件的正常收缩，并在铸件内部产生应力。显然，这必将在铸件原来应 力就很高的拐角部位和截面变化出现热裂。 3. 型砂 (1) 由于型砂的高温强度或干强度过高而导致的溃散性不良。 对铸件结构或金属 成分容易产生内应力的铸件，如果型砂阻碍其收缩变形，将会使铸件更易产生裂纹 缺陷。 (2) 型砂中有烧结点低的物质。烧结点低的物质烧成陶瓷后，容易引起铸件产生 裂纹。硅酸钠（水玻璃）和造渣材料，都容易产生这种烧结点低的熔融物。 (3) 型砂的高温强度大，而湿退让性差。如果铸件的结构或金属成分本来就容易 产生裂纹，则当铸件冷却时，砂型必须具有一定的退让能力。 4. 制芯 (1) 芯砂的高温强度或干强度过高而导致的溃散性不良。 溃散性不良对砂芯的影 响同对砂型的影响大致相同，另外，粘结剂的品种、水分、细砂等都可能导致砂芯 的溃散性不良。 (2) 砂芯的溃散性和高温退让性均差。 砂芯所用的粘结剂可能在高温时不具有退 让性。有时烘烤过度的砂芯其残余高温强度可能比为烘透的砂芯还高。 (3) 砂芯加固过度。由于在砂芯中放置铁丝、芯棒和芯骨，妨碍其正常溃散，因 而常产生来自砂芯的机械阻力问题，加固物过多或放置不当，会阻碍铸件的正常收 缩。 5. 金属成分 某些金属产生裂纹倾向较另一些金属要大的多。成分有错误或收缩性特高的金 属，对铸件产生裂纹的影响比铸型或铸件结构这两个因素要大得多。 6. 浇注 浇注温度太低，使砂型（砂芯）达不到正常的溃散程度。浇注温度应有一定的 范围，尤其对那些热裂倾向大的金属。浇注温度太低，则不能将砂芯或砂型中的粘 结剂烧掉，以使其适度溃散。另一方面，若浇注温度太高，则不会在截面不匀的铸 件中构成较大的温度梯度。 对铸件裂纹形成原因及形成机理的研究，有利于生产厂商采取相应的措施，预 防和消除铸件生产时产生的裂纹，为生产出合格铸件提供技术保证，有一定的实际 应用价值24。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 1.4.2 一般铸件缩孔产生的原因 铸件凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，铸件在凝固过程中因补缩 不良而在热节或最后凝固的部位形成的出现孔洞， 容积大而集中的孔洞称为缩孔 （图 1- 8），细小而分散的孔洞称为缩松4。 缩孔形状不规则，孔壁粗糙，常伴有粗大树枝晶、夹杂物、气孔、裂纹、偏析 等缺陷。缩孔上方或附近的铸件表面有时会出现缩陷；缩松的宏观断口形貌呈海绵 状，有时要借助放大镜才能发现。缩松铸件密封性能较差，进行液压或气压试验时 易渗漏。缩松严重的铸件在凝固冷却或热处理过程中容易产生裂纹。 缩孔、缩松的形成与合金的凝固特性关系密切。凝固温度间隔窄的合金在顺序 凝固条件下易形成集中性的缩孔，补缩容易；凝固温度间隔宽的合金具有糊状凝固 特性，补缩困难，容易形成分散性的缩松。铝铸件缩松和缩孔一般产生在内浇道附 近、冒口根部厚大部位、壁的厚薄转接处和具有大平面的薄壁处。 图 1- 8 铝合金铸件上的缩孔 缩孔缩松产生的具体原因如下： （1）合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，凝固时间过长； （2）浇注温度不当，过高易产生缩孔，过低易产生缩松和疏松； （3）合金凝固温度间隔过宽，糊状凝固倾向强，低熔点成分最后凝固时得不到 补缩，易形成缩松和疏松； （4）合金中融解的气体过多，在凝固阶段析出，阻碍补缩，加重缩松和疏松； 缩 孔 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 （5）合金中没有或缺少晶粒细化元素，凝固组织晶粒粗大，易形成缩松和疏松； （6）浇铸系统、冒口、冷铁、补贴等设置不当，不能保证铸件在凝固过程中获 得有效补缩； （7）铸件结构设计不合理，例如壁厚变化太突然，孤立的厚断面得不到补缩； （8）冒口数量不足，尺寸太小、形状不合理或冒口与铸件连接不当，补缩效果 差； （9）内浇道过厚或位置不当，造成热节； （10）合金成分不当，杂质含量过多，使凝固温度间隔增大； （11）砂箱、芯骨刚度差，型、芯紧实度低而不均，强度低，使铸件在产生膨 胀型缺陷的同时，在内部形成缩孔或缩松。 1.5 国内外铝铜合金研究现状 尽管铸造铝合金具有广阔的应用前景，但其研究与应用也面临着严峻的挑战。 随着现代工业的飞速发展，人们对铸件的可靠性等要求越来越高，同时对合金综合 性能和特种性能的要求不断提高。几十年来，围绕铸造铝合金成分、组织、性能进 行了大量的研究，使传统的铸造铝合金综合性能上了一个新台阶。其中研究和应用 较多的是 al- si 类合金和 al- cu 类合金25。 al- cu 类合金虽然具有高强度、塑性和韧性也较好的特点，但其铸造性能较差， 即流动性差、补缩困难、热裂倾向大同时抗蚀性能也较差，有晶间腐蚀倾向。因此， 不宜作为应用于工业化生产特别是汽车零部件生产的高强韧铸造铝合金。 al- cu 类合金的研究主要在高强韧方面。在高强韧铸造铝合金的发展过程中， a- u5gt占有重要的地位。在目前具有代表性的高强韧铸造铝合金中，a- u5gt的历 史最久、应用最为广泛。它是法国人于二十世纪初研制成功并投入实际生产应用的。 a- u5gt 已被列入法国国家标准和宇航标准，高纯的这种铝合金具有很好的力学性 能。美国铝协会牌号 201.0(1968)和 206.0(1967)都是在 a- u5gt的基础上经过改造而 形成的，其中 204.4(1974)则等同于 a- u5gt。201.0(alcu4agmgmn)的商业名称是 ko- 1，它是美国专利保护的牌号，具有很好的力学性能和抗应力腐蚀能力。但由于 含有 0.41.0%的银，材料成本很高，仅用于军事和其他要求很高的领域，限制了其 应用范围27。 在高强韧铸造铝合金领域，我国也取得了令世界瞩目的成绩。北京航空材料研 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 究院研制成功了 zl205a合金，zl205a合金成分复杂，含有 cu、mn、zr、v、gr、 ti、b 等 7 种合金元素。zl205a(t6)合金的抗拉强度为 510mpa，是目前强度最高的 铸造铝合金材料。zl205a(t5)的强韧性最好，伸长率可达 13%。最近，北京航空材 料研究院吕杰等研制出一种与 zl205a成分接近、韧性特别好的铸造铝合金材料(高 韧 205a)伸长率达 1923%，冲击韧度为 181304kj/ 25。 1.6 选题的来源、目的及主要研究内容 铁路工程机械用推瘤机的横梁式可靠性很高的零件，要求强度高，在大载荷下 不断裂不变形。按厂商的要求选用 zl201al- cu合金，同时要求采用金属型铸造。根 据铸造手册第三卷特别指出：al- cu合金铸造性能较差，特别是热裂倾向大，一 般用于砂型铸造承受大载荷的结构零件，zl201 不适合采用金属型铸造方法21。 本文重点研究 zl201 al- cu 合金横梁零件金属型铸造存在的问题。研究 al- cu 合金金属型铸件成型规律，提出合理的解决方案和可靠的工艺措施，优化工艺参数， 获得符合技术要求的优质零件。所做的几方面工作如下： （1）横梁铸造工艺分析及模具设计； （2）zl201合金金属型铸造工艺研究； （3）缩孔及裂纹缺陷的成因分析及防止措施。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 2 试验原料、设备及相关工艺 2.1 试验用原材料 试验用的材料为 zl201 合金由专业从事有色合金熔炼的生产厂家配制，预先浇 铸成合金锭。 2.2 试验设备 目前，熔炼铝合金的常用设备大致可以分为电加热炉、油气加热炉、焦碳加 热炉等三种，其中的电加热熔化炉和油气加热炉采用的是整体炉衬，而焦碳加热 炉大多采用的是铸铁或者石墨坩埚。 本文采用采用型号为 sdl 200/f 的有色金属熔化保温炉（图 2- 1）熔炼zl201 合 金，主要性能参数如下：额定功率 30kw，额定电压 380v，额定温度 950。 使用的铝合金固溶炉见图 2- 2。自制的简易倾转重力浇铸机一台。 图 2- 1 有色金属熔化保温炉 图 2- 2 铝合金固溶炉 2.3 工艺过程 2.3.1 zl201 的熔炼工艺 将电炉升温至 500，清除坩埚内杂物并涂一层氧化锌涂料，直至干燥； 加入预热过的铝锭，直至熔化； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 加入回炉料待完全熔化后，在金属液表面上撒上清渣覆盖剂； 760左右通入氩气进行旋转吹气精炼，1015min 后扒渣； 调温，待浇。 2.3.2 倾转浇铸工艺过程 zl201 推瘤机铸件的浇铸过程如图 2- 3 所示。 生产单个铸件的整个流程的时间大 概是 1520 分钟。 图 2- 3 倾转浇铸工艺流程 2.3.3 热处理工艺 手册上推荐的对 zl201 采用的热处理为 t4 和 t5， 其中 t4 处理的参数为固溶温 度 530 5，固溶时间 79 小时，水淬温度 60100；t5 处理的参数为固溶温度 5305，固溶时间 79 小时，水淬温度 60100，时效温度 1755，时效时 间 35 小时，冷却方式空冷28。由于横梁铸件最大的壁厚有 45mm，所以延长固溶 时间和时效时间，采用的时间见图 2- 4。 2.4 金相组织观察 利用 xjg- 5 显微镜(om)（配有数码相机）对试样进行显微组织以及相组成进行 观察、分析。金相试样分别在浇注零件的相同部位和拉伸试棒上切取试样，在预磨 机上依次用 320、600、800、1000、1200打磨，之后在抛光机上抛光，并 用 0.5%的 hf 溶液腐蚀。 喷涂料 下 芯 合 模 倾 转 放置浇冒口 浇 注 开 模顶出铸件 取 件 清理模具 下一次循环 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 (a) (b) 图2- 4 t4、t5 热处理工艺规范 空冷 t/ t / h 时效处理 175 6 t/ t / h 530 80 水淬 16 固溶处理 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 3 横梁铸造工艺分析与模具设计 3.1 横梁铸造工艺分析 横梁的铸件材质是 zl201 合金，该合金机械性能相当高，但是铸造性能很差， 塑性低，结晶温度间隔宽，较易产生缩松，热烈倾向大，无需进行变质处理，通氩 气精炼即可。厂商要求使用金属型铸造，考虑到上面的问题，为了避免这些问题的 出现，决定采用倾转浇注的办法。 一般来说，金属型铸造工艺流程如图 3- 129： 金属型制备 金属型 金属型预热 喷涂料 金属型组合 合型、下芯 浇注 凝固 抽金属型芯 开 型 取铸件 合型、下芯 去除砂芯 切割浇冒口 铸件清理 铸件热处理 取 件 涂 料 涂 料 制 备 砂 芯 金属液 制作砂芯 合金熔炼 工艺分析 图 3- 1 金属型铸造工艺流程 除了采用金属型铸造之外，铸件的内腔成型还需使用砂芯。铸件的砂芯体积不 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 大，但是形状不规则，左、中、右各一个，为了使得在铝液在充型的过程中砂芯有 足够的强度，同时也考虑到经济成本，造芯时采用的是覆膜砂的热芯盒工艺。这样 既可以节省其它树脂砂所需的配比、拌砂过程，又可以省略砂芯的烘干工艺，同时 在造芯的时候，只要砂芯的表面一层固化后，就可以取出，利用余热固化内部的覆 膜砂，缩短了造芯时间，节省了能源。在制作的时候，可以采用用三个模具定时开 启左、中、右依次造芯的办法制作，可操作性强，整个一套（三个砂芯）的造芯时 间不到十分钟，生产效率高。同时该工艺制作的砂芯强度足够高，夹砂卷砂可能性 低，发气量小，可以避免因砂芯的缘故产生的铸件质量问题。 3.1.1 铸件的确认 确定铸件的过程就是铸造与零件设计、机械加工等部门将铸件的基准面，加工 余量位置及数值、特殊位置的铸造斜度等铸造工艺因素及技术要求，以铸件加以反 应，并经多方会签确定的过程。 图 3- 2 铸件二维和三维图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 3.1.2 铸件的结构分析 横梁是一个有左、中、右三个腔的复杂实体，全长约 500 、高度约 150 ， 整个零件由于三个腔的存在导致厚度分布严重的不均匀，其中最大厚度 45 ，最薄 的厚度为 8 ，并且腔体形状不规则，左右两端腔体呈阶梯状，腔与腔之间的过渡 均为薄壁。横梁的左、中、右高度有一定的差别，使得横梁内部可能是热节部位的 部位很多，铸造起来有很大的难度。具体情况见图 3- 3。 由于铸件本身的结构，预计可能出现的缺陷是缩孔缩松和裂纹。 a b c d 图 3- 3 横梁壁厚结构及热节部位 考虑到设计结构的特点，采用顶注式浇铸系统，有利于充型。所有的浇口和冒 口都采用比较大的尺寸，有利于排气和足够的补缩效果。采用这样的浇铸系统容易 充满，可减少因壁薄而产生的浇不到和冷隔等缺陷，充型后上部的温度高于底部， 有利于铸件自下而上的顺序凝固和浇口、冒口的补缩。 45mm 8mm 砂芯 砂芯 砂芯 8mm 20mm 24.5mm 20mm 8mm 39.5mm 24.5mm 热节部位 热节部位 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 3.1.3 铸件的浇注位置及分型面选择 铸件的浇注位置是指浇注时铸件在铸型中的位置；分型面是指铸型相互分开、 组合接触的表面。它们的选择正确与否，对铸件质量、铸造工艺、劳动生产率和铸 件成本，均有很大的影响，它们是铸造工艺方法确定后首先要解决的问题。 选择铸件浇注位置的主要原则有30- 32： （1）铸件上的重要工作面和大工作面应尽量朝下或垂直安放； （2）应保证铸件有良好的液态金属导入位置，保证铸件能充满； （3）保证铸件能自下而上的顺序凝固； （4）应尽量少用或不用砂芯；若需要使用砂芯时，应保证其安放稳固、通气顺 利和检查方便。 横梁铸件结构变化最大的部位是如图所示的位置 a ，由于结构变化大，非常容易 产生缩孔和裂纹等缺陷，因而在确定浇注位置的时候，要优先考虑位置 a 。位置 b 是 铸件唯一的平面，在设计浇注位置的时候，最适合作为放置浇、冒口并且易于机械 加工。所以在模具总体结构设计中将位置 a 放在最下面，位置 b 放置在顶部作为浇、 冒口放置面，这样才能保证位置 a最先凝固，又便于事后机械加工，从而保证铸件 铸造性能。最终确定的浇注位置见图 3- 4。 图 3- 4 横梁铸件的浇注位置 分型面一般在确定铸件浇注位置后确定。但分析各种分型面优劣后，可能需要 重新调整浇注位置。生产中，浇注位置和分型面有时是同时确定的。从经验来看， 正确选择分型面是设计铸型合理结构的重要条件之一，与模具加工工艺性的好坏、 模具使用性能的好坏有直接的关系。分型面的选取一般有以下几个原则30- 32： b面 a 面 上 下 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 选择的分型面应保证金属型能顺利开型和取出铸件； 分型面的数目应尽量少，最好是平面分型，这样便于金属型的加工和检查尺 寸，使两半型能准确地吻合，铸件精度高； 选择分型面时，应使铸型尽量少用拆卸件及活块； 选择分型面时，应使砂芯数量少； 选择分型面时，应使铸件的基准面和大部分加工面在同一个半型内，分型面 不要位于基准面上； 分型面应避免开在转接圆角处。 在金属型铸造中，选择分型面主要考虑应保证金属型能顺利开型和取出铸件， 一般采用垂直或互相垂直的的分型面，主要有利于采用良好形式的浇注系统和安设 冒口，有利于排除型腔中的气体。金属型操作也方便，利于开、合模，易于机械化。 结合厂商设计的要求及浇注位置的考虑，选取如图 3- 5 所示的分型面。 图 3- 5 横梁铸件分型面 3.1.4 倾转浇注的方式 由于采用垂直分型面，其缺点是在浇注时，容易出现飞溅，紊流，所以为了避 免因铝铜合金热裂倾向大以及因垂直分型出现紊流产生裂纹，故采用倾转浇注的方 式。 图 3- 6 倾转浇注方式 倾转状态开始浇注 逐渐回复到垂直状态 垂直状态浇满并冷却 分型面 动模部分 定模部分 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 和序论中的完全倾倒的方式稍有不同，本文中采用的倾转浇注方式如图