圖1：典型殼體類零件三維圖

原標(biāo)題：鎂合金殼體低差壓鑄造常見(jiàn)缺陷及防止措施

鎂合金由于其質(zhì)輕高強(qiáng)的特性，在航天航空領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。低差壓鑄造作為一種反重力鑄造工藝，可以減少鑄件氣孔、縮孔、縮松、針孔缺陷；提高鑄件表面品質(zhì)；差壓鑄造的補(bǔ)縮壓力較大，補(bǔ)縮效果明顯，降低疏松缺陷產(chǎn)生傾向，可同時(shí)降低鑄件凝固時(shí)的熱裂傾向，因此，低差壓鑄造得到了廣泛的應(yīng)用。隨著大型鎂合金殼體鑄件在航天、航空領(lǐng)域應(yīng)用不斷擴(kuò)大，為了獲得高品質(zhì)鑄件，低（差）壓鑄造技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。航天航空用ZM5、ZM6鎂合金和稀土耐熱鎂合金殼體類鑄件大多為I類鑄件，需要100%進(jìn)行X射線探傷，鑄件內(nèi)部質(zhì)量要求較高。ZM5、ZM6合金殼體型芯一般采用粘土砂表干型，外型采用粘土砂濕型；稀土耐熱鎂合金殼體型芯采用樹(shù)脂砂，外型采用粘土砂濕型，采用差（低）壓鑄造工藝生產(chǎn)，澆注的鑄件經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)疏松、裂紋、偏析、氣孔和熔劑夾渣等鑄造缺陷。。

本課題結(jié)合殼體鑄件的生產(chǎn)特點(diǎn)，總結(jié)差(低)壓鑄造中經(jīng)常遇到的鑄造缺陷并提出相應(yīng)的解決措施。

一、鑄件分析

圖1為殼體類零件三維圖。材料為ZM5，尺寸為為Φ420 mm×700 mm，要進(jìn)行100% X射線探傷，屬I(mǎi)類鑄件。鑄件常見(jiàn)缺陷有疏松、偏析、裂紋、熔劑夾雜以及氣孔缺陷。

二、常見(jiàn)缺陷產(chǎn)生與防止

1、疏松的產(chǎn)生和防止

疏松是鎂合金鑄件出現(xiàn)的主要缺陷，分布面廣，難于補(bǔ)縮。鎂合金結(jié)晶溫度區(qū)間較寬，凝固收縮率大，凝固時(shí)糊狀凝固的傾向很大，常常導(dǎo)致液態(tài)收縮和凝固收縮所形成的微孔分散并且得不到外部合金的液體補(bǔ)充，形成疏松，有時(shí)候甚至由于凝固收縮時(shí)晶間拉應(yīng)力過(guò)大而出現(xiàn)縮裂現(xiàn)象。

在鎂合金殼體鑄造中疏松主要出現(xiàn)在鑄件厚、薄過(guò)渡區(qū)和縫隙澆道附近，以及冷鐵與芯砂的交接處。通過(guò)對(duì)出現(xiàn)的縮松評(píng)級(jí)，普遍為4級(jí)縮松，有的甚至達(dá)到了嚴(yán)重的5級(jí)縮松。而鑄件屬于I類鑄件，要求最高別只能是3級(jí)，必須嚴(yán)格控制疏松等級(jí)。

工藝設(shè)計(jì)

殼體鑄件的工藝大多采用順序凝固的原則，系統(tǒng)內(nèi)由縫隙澆道、過(guò)渡澆道、橫澆道到連接升液管口的直澆道順序凝固，從而保證鑄件補(bǔ)縮通道暢通，充分發(fā)揮差（低）壓鑄造的補(bǔ)縮優(yōu)勢(shì)[3]。圖2為鎂合金殼體鑄件澆注系統(tǒng)。采用設(shè)置冷鐵、石墨砂調(diào)節(jié)局部冷卻速度，增設(shè)縫隙澆道和過(guò)渡澆道縮短補(bǔ)縮距離等措施。

圖2：鎂合金殼體澆注系統(tǒng)

圖3為鎂合金殼體鑄件冷鐵布置示意圖。縫隙澆道前要設(shè)置冷鐵，冷鐵位置和厚度對(duì)減輕澆口前疏松尤為重要，縫隙澆道不僅要對(duì)準(zhǔn)冷鐵，錯(cuò)開(kāi)冷鐵間隙，而且要保證縫隙澆道兩側(cè)冷鐵有足夠的寬度，縫隙澆道前冷鐵還要由厚到薄逐漸過(guò)渡，冷鐵邊緣用石墨砂過(guò)渡，石墨砂也要由厚到薄逐漸過(guò)渡。

圖3：鎂合金殼體冷鐵布置示意圖

在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，在凸臺(tái)部位一般都設(shè)置冷鐵加強(qiáng)激冷以減小熱節(jié)，但當(dāng)凸臺(tái)過(guò)厚時(shí)容易產(chǎn)生疏松缺陷，即使增加冷鐵厚度也很難消除。在凸臺(tái)部位設(shè)計(jì)補(bǔ)縮澆道增加補(bǔ)縮，可有效消除疏松缺陷。

澆注溫度

降低澆注溫度可減輕鑄件過(guò)熱，有利于降低疏松等級(jí)，但不是溫度越低越好，溫度過(guò)低會(huì)降低補(bǔ)縮效果。一般情況下，當(dāng)澆注大直徑立筒時(shí)可適當(dāng)降低澆注溫度，澆注小直徑立筒時(shí)，澆注溫度要適當(dāng)提高。

澆注工藝

在保證鑄型充滿的前提下，充型速度一般選下限，既可以避免充型時(shí)產(chǎn)生紊流、飛濺造成卷氣，又能延長(zhǎng)金屬液對(duì)澆道的烘烤時(shí)間，從而調(diào)整鑄件凝固速度，強(qiáng)化順序凝固效果。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，升液速度要高于充型速度。

增加保壓壓力可以強(qiáng)化合金凝固期間補(bǔ)縮能力，從而填充枝晶間的微縮孔，但壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致鑄件變形、粘砂和跑火等，因此壓力也不是越大越好，一般保壓壓力為30kPa~60kPa。

2、偏析的產(chǎn)生和防止

鎂合金的偏析一般是成分偏析，常會(huì)導(dǎo)致鑄件直接報(bào)廢。合金熔煉工藝和鑄件凝固條件都會(huì)引起鑄件產(chǎn)生偏析缺陷。通過(guò)調(diào)整精煉溫度、改善激冷能力以及降低澆注溫度，可有效降低偏析缺陷產(chǎn)生傾向。

精煉溫度

鎂合金熔煉過(guò)程中，相對(duì)鎂合金熔點(diǎn)高的其他金屬是重金屬。重金屬元素偏析的現(xiàn)象是由于重金屬元素未能完全融入合金液中，提高精煉溫度，重金屬元素能夠更好地熔入合金液中，鑄件中重金屬元素的偏析現(xiàn)象明顯減少。

激冷能力及澆注溫度

成分偏析易產(chǎn)生于厚壁冷鐵間隙處和厚壁間的薄壁處，在這些部位放置石墨砂加強(qiáng)激冷，減輕局部過(guò)熱可有效防止偏析缺陷的產(chǎn)生。降低澆注溫度，縮短合金凝固時(shí)間，降低合金過(guò)冷度，防止重金屬在凝固過(guò)程中析出，減輕了偏析的產(chǎn)生。在耐熱鎂合金殼體的生產(chǎn)中，降低澆注溫度，偏析缺陷得到了極大改善。

3、裂紋的產(chǎn)生和防止

裂紋是鑄件致命的鑄造缺陷，在鑄件上呈現(xiàn)直的或者曲折的隙縫與裂口，斷面處被氧化呈黑色或者深灰色，易產(chǎn)生在凸臺(tái)的厚薄交接處和下端框處，工藝設(shè)計(jì)、原材料質(zhì)量和冷鐵位置都會(huì)導(dǎo)致裂紋缺陷。

工藝設(shè)計(jì)

當(dāng)鑄件設(shè)計(jì)多個(gè)相鄰較近的凸臺(tái)時(shí)，見(jiàn)圖4，在凸臺(tái)間的薄壁處易產(chǎn)生裂紋缺陷。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的防裂拉筋，可有效消除裂紋缺陷。

圖4：裂紋產(chǎn)生處

控制原材料質(zhì)量

由金屬的遺傳性可知，原料鎂錠的成分決定了鑄件的質(zhì)量。鎂錠的一系列缺陷，在鑄造后能遺傳給澆注后的鑄件。當(dāng)原生鎂錠有裂紋缺陷時(shí)，澆注的鑄件會(huì)產(chǎn)生批次性裂紋缺陷，因此加強(qiáng)對(duì)原生鎂錠裂紋缺陷的控制可有效消除批次性裂紋缺陷的產(chǎn)生。

冷鐵位置

稀土耐熱鎂合金收縮大，凝固時(shí)受阻礙極易產(chǎn)生裂紋缺陷，裂紋一旦產(chǎn)生就會(huì)發(fā)展并貫穿到底，是一種致命缺陷，因此，造型時(shí)冷鐵間隙要足夠大，否則會(huì)阻礙合金的收縮而產(chǎn)生裂紋。一般冷鐵間隙不小于5 mm，圓弧面冷鐵要向心，防止后部相抵住。

4、熔劑夾雜的產(chǎn)生和防止

鎂合金熔煉中熔劑起著很重要的覆蓋和精煉作用，使用不當(dāng)，會(huì)在鑄件澆注位置的下部、內(nèi)澆口附近及死角處產(chǎn)生熔劑夾雜缺陷，是鎂合金鑄件的常見(jiàn)缺陷之一，主要來(lái)源于精煉劑及熔煉工具的洗滌劑。合金液靜置時(shí)間、熔劑的使用和澆注條件都會(huì)導(dǎo)致熔劑夾雜[4]。

鎂合金精煉后要有一定的靜置時(shí)間，將合金液精煉后靜置時(shí)間由20 min延長(zhǎng)至30 min,延長(zhǎng)靜置時(shí)間后，保證了熔劑能夠有充足的時(shí)間從合金液體中分離出去，鑄件的熔渣夾雜程度會(huì)得到明顯改善。

合金采用氬氣精煉，精煉熔劑用量取下限，僅用于覆蓋，減少熔劑用量；熔劑坩堝的溫度控制在800 ℃，使熔煉工具和升液管上的熔劑容易流下，這些措施都可以減輕熔劑夾雜缺陷的產(chǎn)生。

升液管距離坩堝底部要有足夠的距離，防止?jié)沧r(shí)將熔劑吸入升液管而澆入鑄件。

5、氣孔的產(chǎn)生和防止

氣孔是殼體中常見(jiàn)缺陷。一般分為卷入性氣孔和侵入性氣孔，升液管使用情況、冷鐵質(zhì)量、型砂透氣性、鑄型烘烤質(zhì)量和澆注速度等因素都會(huì)影響鑄件氣孔缺陷的形成。

升液管使用情況

升液管經(jīng)過(guò)多次使用，由于長(zhǎng)期浸泡在合金液中會(huì)腐蝕，局部腐蝕過(guò)快會(huì)形成凹坑，隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)，凹坑會(huì)加深直至漏氣，因升液管漏氣而產(chǎn)生的氣孔較大，因此升液管在使用之前必須經(jīng)過(guò)認(rèn)真檢查，發(fā)現(xiàn)有凹坑要及時(shí)更換。

冷鐵品質(zhì)

若氣孔出現(xiàn)在與冷鐵接觸的鑄件表面，則可能是冷鐵表面有油污或冷鐵表面未烘烤透造成的。冷鐵掛砂前要經(jīng)過(guò)吹砂處理，掛砂后要烘烤透，未烘烤透的冷鐵表面掛砂發(fā)黃。對(duì)激冷面積過(guò)大的冷鐵可在表面開(kāi)通氣槽，增強(qiáng)冷鐵在澆注時(shí)的排氣能力。

型砂透氣性和鑄型烘烤

控制原砂的含泥量，將原砂的粒度由70/140目調(diào)整為40/70目，提高型砂的透氣性；對(duì)鑄型進(jìn)行兩次烘烤，提高鑄型的烘烤質(zhì)量，這些措施可有效減輕鑄件表面氣孔的產(chǎn)生。

在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，在殼體的薄壁處，特別是當(dāng)薄壁面積較大時(shí)，容易產(chǎn)生皮下氣孔，在X光檢查時(shí)呈黑色斑點(diǎn)，往往被誤判為熔劑夾雜。通過(guò)在薄壁位置的泥芯上開(kāi)設(shè)淺的排氣槽，減輕了表面氣孔缺陷。

選擇合理的充型壓力

鑄件在澆注過(guò)程中常常出現(xiàn)卷氣等缺陷，主要原因是由于充填過(guò)程中充填速度過(guò)快而造成的。同時(shí)由于艙體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄件突變壁厚也會(huì)引起液體流動(dòng)瞬時(shí)速率不斷變化，加大了卷氣的可能性。降低充型速率可有效防止卷入性氣孔的產(chǎn)生。

三、結(jié)束語(yǔ)

（1）在鎂合金殼體低差壓鑄造中，對(duì)原材料、熔化工具、金屬液質(zhì)量、熔化過(guò)程和細(xì)化精煉等每個(gè)環(huán)節(jié)須進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證金屬液合格，是生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鑄件的前提。

（2）合理的鑄造工藝是解決鎂合金殼體低差壓鑄造缺陷的關(guān)鍵，可有效降低生產(chǎn)成本。

作者：
遲秀梅，何凱，崔恩強(qiáng)，張娜，朱輝，王林
上海航天精密機(jī)械研究所

本文素材來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志社2019年第39卷第02期