ZL208铝合金端盖熔模铸造工艺设计

ZL208铝合金端盖熔模铸造工艺设计

陈复生

（新乡市航空锻铸有限公司，河南新乡453049）

来源：《铸造》期刊

产品为航空用气压调节器端盖，工作环境较为复杂，要求具有较高的耐热强度，能承受高温、高压下载荷的冲击。通过分析选用ZL208铝合金来制作。但该产品结构较为复杂，壁厚变化较大，且ZL208铝合金铸造性能较差^[1]，采用原来的石膏型、硅酸乙酯-水玻璃型壳熔模铸造时，出现了疏松、呛气、浇不足等缺陷^［2^-3^］，产品合格率仅有30％,且对环境污染较严重^[4]。本研究通过对产品的结构、材料等进行分析，决定对该产品硅溶胶制壳熔模铸造工艺进行研究，通过设计合理的铸造工艺，改善该产品的内外部质量，提高产品的合格率，并减少制壳时的环境污染。

1 铸件结构和合金特点

1.1 铸件结构

气压调节器端盖产品如图1所示。该产品轮廓尺寸为134mm×98mm×68mm,结构较为复杂，壁厚变化较大，最厚处壁厚为22mm,最薄处3mm,在铸造过程中3mm壁厚处易产生冷隔、浇不足缺陷。

图 1 端盖产品

Fig. 1 End cap structure

1.2 合金特点

气压调节器端盖所采用的ZL208合金，合金牌号为ZAlCu5Ni2CoZr,符合HB962-2001标准^[5],其化学成分如表1所示。该合金是高强耐热铝合金，含有Cu、Mn、Ni、Co、Zr、Sb、Ti等合金元素，成分较为复杂，经T7处理后可形成复杂的化合物相，存在于晶界，阻止晶粒滑移而提高热稳定性，其工作温度可达400℃，但室温力学性能较低，铸造性能较差。

表1 ZL208合金化学成分

Table 1 Chemical composition of ZL208 alloyw　W_B/％

Cu	Mn	Ni	Ti	Zr	Co	Sb	Ti+Co	Co+Sb	Si	Fe	Al
4.5～5.5	0.2～0.3	1.3～1.8	0.15～0.25	0.1～0.3	0.1～0.4	0.1～0.4	≤0.5	≤0.6	≤0.3	≤0.5	余量

2 浇注系统设计

浇注系统在熔模铸造过程中，不仅起着合金液导流充型作用，而且影响着铸件凝固时的温度场，疏松、气孔等缺陷都与冒口的设计密切相关。原来浇注系统采用了顶注式，局部过热且充型不稳，易产生氧化夹渣，出现呛气、疏松等缺陷。为解决上述问题，在试制过程中，铸件最厚大部位上部安放一个冒□，采用底注和侧注结合的方式，利用横浇道连通浇冒口和直浇道以及5个内浇道，产品浇注系统如图2所示。内浇道增多，不仅能适当降低浇注温度，分散热量，减少局部过热产生疏松缺陷，还使得整个充型过程快速平稳，减少浇不足缺陷的产生。并在其他厚大部位增加了冷铁，显著减少了疏松缺陷。

图2 产品淺注系统示意图

Fig. 2 Schematic diagram of product gating system

3 精铸工艺

3.1制作蜡型

3.1.1压制蜡模

采用C-162H型中温蜡作为模料，设备选用立式射蜡机，其中射蜡机主要工艺参数的设定如表2所示。准备好模具，按顺序装配压型，调整注蜡口使其对准设备注蜡嘴射蜡，充型结束后，模具冷却约1min后取出蜡型，并立即放入常温水中冷却。

表2 射蜡机主要工艺参数

Table 2 Main process parameters of wax ejector

蜡缸温度/t	充型压力/( kg•cn^－²)	保压时间/s
53.5±1	30±5	40

3.1.2修补蜡型

清理批缝、注蜡口等位置，使蜡模表面光滑、完整，并用卡尺测量蜡型尺寸，保证蜡模合格。

3.1.3蜡模组焊

组焊时，先组焊内浇口和蜡型，再组焊横浇道、直浇道和冒口，浇冒系统与蜡型连接处以R2-R5圆弧过渡。采用1％皂粉液清洗模组，去除模组表面油脂、蜡屑等杂物，然后再用清水清洗去除残留皂液，用风管吹后放置在蜡型架上晾干待用。组焊完成后的蜡模如图3所示。

图3 组焊后蜡模

Fig. 3 Wax patterns after installing

3.2硅溶胶型壳的制备

3.2.1涂料的配制

刚玉粉涂料由粘结剂、刚玉粉、润湿剂、消泡剂组成^[6],粘度要求25～40s。粘结剂为硅溶胶，浓度为30％；刚玉粉粒度≥320目；涂料配比硅溶胶（kg):刚玉粉（kg):润湿剂（mL):消泡剂（mL)为10:20～30:20:10～20。涂料配制时应先加入硅溶胶，开动搅拌机使其旋转，再依次加入润湿剂、刚玉粉、消泡剂，混合均匀后用詹士杯测粘度，粘度过高时加入蒸馏水，过低时加入粉料进行调整。

莫来石粉涂料由粘结剂、莫来石粉组成^[7^]，粘度要求10～22s。粘结剂为硅溶胶，浓度为30％；莫来石粉粒度≥320目；涂料配比硅溶胶（kg):莫来石粉（kg)为10:20～30。为了提高型壳的透气性，减轻铸件的表面氧化，可在莫来石粉涂料浆内加入适量的石墨粉。

3.2.2制壳

第一层挂浆、撒砂。从模架上取下模组，以30°左右角度缓慢浸入涂料浆液中，稍作旋转，然后快速取出，再次旋转使浆料在模组上旋转流动并将多余的浆料滴除，使模组均匀敷上一层薄浆，然后将涂料后的模组放入90目淋砂机中多个方向翻转，使表面均匀敷上一层刚玉砂，撒砂后挂在模架上自然干燥。

第二层挂浆、撒砂。为了增加型壳的强度、防止掉砂，挂浆之前先将型壳放入硅溶胶原液中浸胶，然后将浸胶后的型组进行第二层涂料的涂挂，并将挂浆后的型组放入装有30～60目莫来石的浮砂机中敷砂，敷砂后进行风干。

以同样的方法挂浆涂料第三、四、五、六层涂料，技术要求如表3所示，为了加强型壳强度和防止外层掉砂，第六层只挂浆，不进行撒砂。

表3 制壳用涂料及耐火材料

Table 3 Coatings and refractories for shell making

层数	涂料种类	撒砂种类	干燥时间	温度/1C	湿度/％
面层（第1层）	刚玉粉涂料	90目刚玉砂	≥20h(无风）	20～25	50～70
过渡层（第2、3层）	莫来石粉涂料	30～60目莫来石砂
背层（第4、5层）	莫来石粉涂料	16～30目莫来石砂	≥6h(强风）	20～28	30～70
封浆层（第6层）	莫来石粉涂料

3.2.3脱蜡

清理浇口端面，然后将端面放入沸水中荡洗。使用XHDJ系列电热蒸汽脱蜡釜进行脱蜡，脱蜡蒸汽压力在0.6～0.8MPa之间，根据产品的结构，型壳的脱蜡时间控制在（10±0.5)min。脱蜡后检查型壳质量，型壳中的蜡液应脱净，浇口杯要整齐无裂纹，有细微裂纹的型壳，可用涂料进行修补，出现碎裂、成片剥落或裂纹超过0.5mm的型壳应报废。

3.2.4焙烧

型壳焙烧是为了去除残余的蜡料、水分及其挥发物。本研究采用台车式电阻炉对型壳进行焙烧，在低于500℃装炉，直线升温至（820±10)℃，保温(2±0.5)h。

3.3熔炼及浇注工艺

3.3.1原、辅材料

端盖的材质为ZL208。原材料为铸造铝合金锭、重熔锭、中间合金（AlCu50、AlMn1O、AlSb4、AICo5、ALNilO、AlZr4、AlTiB4、AlTi5)及纯铝锭，重熔锭用量不超过80％（重熔锭中杂质Fe≤S0.4％)；精炼剂为六氯乙烷（C₂Cl₆)和氩气复合精炼，六氯乙烷占合金液重量的0.6％,氩气流量为10L/min。

3.3.2合金熔炼

清理坩埚及工具上的锈迹、残渣氧化物、砂粒等污物，预热坩埚和工具到500℃，呈暗红色，然后均匀涂上一层涂料（25％滑石粉+6％水玻璃，余量为水），涂好的工具在使用前进行预热，预热温度为500℃，时间≥1h。

将按要求配好的预制合金锭、重熔锭、中间合金(AlMn1O、AlCo5、ALNilO、AlZr4、AlTi5)加入炉内，待全部熔化后稍加揽拌，升温至（740±5)℃,加入AlCu50、AlSb4中间合金，熔化后揽伴3min；然后将合金升温至（770±10)℃，揽伴（6±1)min；降温至740～750℃，加入已预热的铝钛硼进行细化处理，搅伴3min。

为了保证除气质量，采用六氯乙烷和氩气除气机复合精炼，精炼时合金液温度为730～740℃，六氯乙烷分3～5次用钟形罩压入合金液。然后用氩气进行精炼，流量为10L/min,时间为15min。

氩气精炼后静置15min撇渣，然后进行炉前除气检查。用小勺取合金液浇入铁模中，观察其表面状态，若合金液面凝固时没气泡冒出，表示合金内气体已经合格，合金液凝固时有许多小气泡冒出，凝固后显现出许多小凹点或小凸点表示合金未除气合格，需再进行除气。调整合金液至710～720℃，准备浇注。

3.3.3合金浇注

在试验过程中采用了不同的浇注温度和型壳预热温度组合。经试验验证，较低的浇注温度和型壳预热温度，铸件充型困难，冒口补缩不充分，会产生浇不足、冷隔缺陷；较高的浇注温度和型壳预热温度，铸件凝固时间长，会产生疏松缺陷。出壳数量多于4件时，铸件出现冷隔、浇不足缺陷较多，如图4所示。经过试验，确定了合理的工艺参数，如表4所示。

图4 产品缺陷图

Fig. 4 Defect parts of products

表4 浇注工艺参数

Table 4 Casting parameters

项目	塑壳温度/℃	保温时间/h	浇注温度/℃	出壳数量/个	浇注时间/s
改进前	480±5	≥2	730±5	8	8～10
改进后	480±5	≥2	715±5	≤4	5～8

产品浇注采用重力浇注。从炉中取出型壳时，保持浇口朝下，将型腔内可能存在的杂物倒出，并用干燥的风管吹净型腔，为了浇注时固定型壳的位置，要借助砂子铺地辅助使型壳放平。浇注时要对准浇口，平稳、均匀而不间断地将金属液注入铸型，并保持浇口充满，不得断流，浇注至冒口1/2时停止浇注，视冒口凝固程度，重新舀取金属液点冒口。

铸件出箱时间≥8h,铸件出箱后，经清理残余型壳、切除冒口、高压水枪清理内腔、清理飞边毛刺和铝豆、打磨表面等过程后进行初检，表面不允许有冷隔、裂纹、疏松和缩孔等缺陷。按照上述工艺参数进行生产，产品每炉生产27件，合格24件，产品的合格率达到88.9％。铸件经低倍检查，针孔度达到I级。

4热处理工艺

检验合格后，对产品进行T7热处理，设备采用立式快速淬火炉。淬火温度（540±5)℃，保温时间5.5～6h，零件出炉至淬入水中间隔不大于15s,铸件在水中停留时间不得少于2min。铸件淬火后放入时效炉中进行人工时效，时效温度（215±5)℃,保温时间16～17h(图5)。经理化检测，抗拉强度达到284MPa,伸长率达到2.6％。