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1、2 0 0 6年 1 0月第5期 航 天制 造技术 优质铝合金壳体低压铸造工艺 首都航天机械公 司 肖文丰 邬京利 王继昌 摘要 就低压铸造的概念，低压铸造与重力铸造相 比其优越性及其在航天型号上大量应用 的 Z Ll l 4 A、 Z L 2 0 5 A合金壳体铸件低压铸造工艺进行 了论述。 关键词 壳体低压铸造浇注系统 浇注工艺参数 1 引言 近年来，随着军品型号向轻质化 、快速化和低成 本化方 向发展，高强度、高韧性优质铝合金壳体铸件 大 量 应 用 于航 天 产 品 型 号 上 。这 些 铸 件 均 采 用 Z L1 1 4 A或 Z L 2 0 5 A合金整体铸造，铸件 内部质量、
2、力学性能要求均很高，铸件生产难度较大，采用普通 重力铸造很难生产出合格的壳体铸件，即使能生产出 来，其合格率也很低。要生产出合格且质量稳定的壳 体铸件，采用低压铸造浇注工艺是一个行之有效的方 法。下面就低压铸造概念、特点及其优质铝合金壳体 低压铸造浇注系统的设计、浇注工艺参数确定作一简 要叙 述 。 2 低压铸造的概念 低压铸造是介于“ 重力铸造” 和“ 压力铸造” 之 间的一种方法，它是利用较低的气体压力将金属液压 入铸型，并在一定压力下结晶凝固而获得铸件的一种 铸造方法。首先将铸型安放在密封的坩埚上方，然后 在装有金属液的坩埚 中通入干燥的压缩空气 ( 或惰性 气体 )于保持一定温度的金属
3、液的表面上，在金属液 表面形成压力，使金属液沿着升液管 自下而上通过浇 道进入型腔，待金属液充满型腔后，增大压力，并使 液面上的气体压力保持至铸件完全凝固，然后解除压 力，使升液管和浇道 中未凝固的金属回落到坩埚中， 即完成一个低压铸造过程。 3 低压铸造的优点 里，然后由浇包将金属液倒入铸型里，利用合金液本 身的重力对铸型由上而下进行充填 ，金属液转入浇包 的过程中和浇注过程 中容易引起合金液飞溅、氧化、 卷气 ，导致铸件产生气孔、夹渣等铸造缺陷。与重力 铸造相 比，低压铸造具有如下优点： ( 1 )低压铸造采用底注充型，坩埚 内的金属液在 压缩空气的作用下，通过设计合理的浇注系统和选择 合
4、适的浇注工艺参数，使合金液由下向上平稳充入铸 型，合金液呈层流充型，而且底压铸造充型速度可根 据铸件 的不 同结构和 铸型的不 同材料等因素进行控 制 ，相对减少 了重力浇注时金属液倾倒时的冲击飞溅 现象，以及充型过程 中由于紊流而引起的吸气 、卷气 和合金液的二次氧化 ，因而减少了铸件产生夹杂、气 孔缺陷的机率；同时，型腔内液流与气流方向一致， 从而减少 了产生侵入性气孔的可能性，提高了铸件的 合格率。 ( 2 )金属液在压力下充型 ，增加了合金液 的流动 性，便于浇注复杂薄壁铸件，使铸件轮廓清晰。 ( 3 )铸件在压力下结晶凝固，有利于得到组织致 密的铸件，提高 了铸件的气密性，同时相应地
5、提高了 铸件的力学性能，力学性能 比一般重力铸造提高 1 O 以上 。 ( 4 )工艺出品率高 ，低压铸造 的浇注系统比较简 单，并可减少或省去 冒口，尚未凝固的金属回流入坩 埚中，减少了金属液的损耗。 ( 5 )易于实现机械化与 自动化。减少了人为因素 的影响，减轻了操作者劳动强度。 重力铸造是将坩埚的金属液从倒入或 舀入浇包 4 优质铝合金壳体铸件低压铸造浇注系统设计 收稿日期：2 o o 6 0 5 1 l 1 2 维普资讯 http:/ 航天制造技术 2 0 0 6年 1 0月第5期 根据铝合金壳体铸件结构为圆筒形或圆锥形 ，为 了保证热量分布均匀 ，合金液充型平稳，铸件各部分 得到充
6、分补缩，采用缝隙式浇注系统，图 1为某零件 浇注系统示意 图，为 了保证 得到 内部组织致密 的铸 件 ，在浇注系统设计时必须采用顺序凝固的方式，即 凝 固顺序为铸件 、缝隙式 内浇 口、立筒、横浇道、最 后到升液管，这就要求在浇注系统设计时，各部分的 截面积依次加大。在浇注系统尺寸设计时，立筒的大 小和缝隙的宽度对壳体 的壁部缩松有很大影响， 要求 设计的立筒和缝隙应慢冷于相对的壳体壁部、有利于 l - - 上 1 _ _ _ ， ， ，； ， 】 1： ， ， 图 2 缝隙与立筒示意 图 给壁部 良好的补缩 ，缝隙的宽度还应使合金液实现层 次地、平稳地充型。缝隙与立筒示意图如图 2 。缝隙
7、 与立筒尺寸确定原则如下： 缝 隙宽度 a ： 对于壁厚 6 5 1 0 mm 的， a =( 1 1 5 ) 6 ； 对于壁厚 6 1 0 n u n的，a =( 0 8 1 0 ) 6 ： 缝 隙长度 b ：一般为 2 0 4 0 n u n ； 立简直径 D：D=( 4 6 ) a ； 立筒数量 n ：n =0 0 2 4 p a ；式中 铸件外圈 圆周长 。 图 1 铸件浇注 系统示意 图 5 优质铝合金壳体铸件低压铸造浇注工艺参数选择 l I 篇 低压铸造浇注工艺过程如图 3 ，它包括升液 、充 型、增压结晶、保压凝固、卸压冷却阶段 。其中浇注 工艺参数 的合理与否直接关系到能否生产
8、 出内部质 量合格 的铸件 ，各阶段浇注工艺参数的确定原则如 下 。 一 L- t 2 一t4 一 一i 墨 图 3 低压铸造 浇注工艺过程 1 3 维普资讯 http:/ 2 0 0 6年 1 O月第5期 航 天制造技术 5 1 升液阶段浇注工艺参数确定 升液将一定压力的干燥空气通入坩埚中，使 金属液沿着升液管平稳上升到铸型的浇道处。是充型 前的准备阶段 ，为了能使金属液在压缩型腔空间的过 程中，有利于型腔中的气体从排气道排出，应该尽量 使金属液能在升液管里缓慢上升，其升液速度一般控 制在 5 0 mm s 左右( 其加压速度 vl 为 0 0 0 1 4 MP a s ) 。 升液压力 P
9、 1 ： P 1 = H T g ( MP a ) 式中：H 从铸型的浇道处到密封罐 内坩埚中 液面的距离( m) ； r金属液密度 ( k g m )( 铝合金一般取 2 4 ) ； l I 阻力系数 ，通常取 1 O 1 5 。 升液时间 t l ： t 1 =P1 V 1 5 2 充型阶段浇注工艺参数确定 充型金属液 由浇道进入型腔直至充满铸型。 充型速度一般根据铸件壁厚来确定。对于厚壁铸件， 铸件充型成型不是限制性环节， 金属液可 以继续按升 液速度来充型 ( 即控制在 5 0 m m s 左右) ，以确保铸型 内气体的排出；对于薄壁铸件，在铸件壁厚较小的情 况下，金属液充型速度如果太
10、慢 ，铸件容易产生轮廓 不清 、冷隔、欠浇等缺陷，所 以对薄壁铸件的充型速 度应该比升液速度有所提高，其提高程度需根据铸型 冷却条件来定。在保证 能得到轮廓清 晰的铸件前提 下 ，以尽量缓慢的充型速度来进行 。充型速度一般为 5 0 mm s 8 0 mm s范 围 内选 择 ( 其加 压速 度 V2 为 0 0 0 1 4 MP a s “ - 0 0 0 2 2 MP a s ) 。 充型压力 P 2 ： P 2 = H T g ( MP a ) 式中：H 从浇注 后密封罐内坩埚中液面到铸 型最高处的高度 。 充型时间 t 2 ： t 2 = ( P 2 - P 1 ) V 2 5 3 增
11、压、凝固阶段浇注工艺参数确定 增压、凝固金属液充满型腔后，立即进行增 1 4 压，使金属液在高于升液、充型的压力下结晶凝固。 为了保证铸件及时得到结晶效果，需要的加压速度应 加快 ，否则由于铸型冷却太快，增压不及时而减小压 力结 晶的效果 ，加压速度 V3 一般为 0 O 1 MP a s 左右。 增压压力的确定与铸件结构特点有关，压力越高，铸 件致密度越高 ，砂型铸件 以不产生 “ 机械粘砂”和胀 箱 为 前 提 ， 一 般 在 充 型 压 力 的 基 础 上 再 增 加 0 0 2 MP a - 0 0 4 MP a ， 增加的压力主要是保证铸件组织 致密，减少疏松、缩孔缺 陷的发生，从而
12、使铸件不同 壁厚处的力学性能比较接近，而且能有效阻止合金中 气体的析出。保压时间的选择受合金种类、合金浇注 温度 、铸型温度、冷却条件等影响，很难找出一个简 单的公式计算生产条件下的凝固时间，生产中一般凭 经验来控制保压时间；或按铸件重量估计保压时间。 5 4 卸压、冷却阶段浇注工艺参数确定 卸压、冷却铸件凝固完毕，卸除坩埚 中的压 力，使升液管和浇道中尚未凝 固的金属液回落到坩埚 中，并冷却到一定时间，开型，落砂 。卸压时间 由低 压铸造放气 口直径和结晶压力的高低 决定，一般为 5 s - - 3 0 s 。开型时间受铸型冷却条件 、铸件大小、合金 种类、浇注温度等影响，一般为 2 h - 2 4 h 。 6 结束语 到 目前为止 ，我单位采用低压铸造工艺进行了 Z L l l 4 A和 Z L 2 O 5 A 合金各种形状、各种结构、各种 大小的壳体类铸件生产，生产的铸件进行 了化学成分 检测 、力学性能检测 ( 单铸、附铸和剖切) 、X 光透 视、荧光检查 以及各种地面试验和飞行试验的考核 ， 均能满足设计图纸和专用技术条件的要求。 作者简介 肖文丰 ( 1 9 6 7 ) ，男( 汉族) ，湖南人， 高级工程师，铸造专业；研究方向： 铸造工艺设计 。 金 维普资讯 http:/