低压铸造ZL201A铸件缺陷分析及工艺优化

■ 张西生，古良，张锐

ZL201A合金是一种传统的高强韧铸造铝合金，具有非常好的强度、塑性、韧性，因此在航空航天领域应用广泛。但由于该合金为Al-Cu-Mn系合金，结晶温度范围宽，以粥状方式凝固，铸造性能差，流动性不好，收缩大，在结晶时易产生缩松、裂纹和偏析等铸造缺陷，其中裂纹、缩松是Zl201A合金铸件最常见的缺陷。其化学成分见表1。

1. 铸件结构及铸件缺陷

该铸件为某产品出弹圆盘体，铸件材料为ZL201A，最大轮廓尺寸为f912mm×90mm，结构如图1所示。铸件最大壁厚为46mm，最小壁厚为13mm，铸件重量为96kg。由于铸件尺寸较大，且壁厚不均匀，考虑到铸件使用要求较高，要求整体X射线无损检测后无裂纹、缩松等铸造缺陷，生产中采用低压铸造，以此减少铸件凝固时产生的热裂倾向，提高铸件内部质量。

该铸件实际生产中，经X射线检测发现，铸件的缩松和裂纹常出现在铸件的受力拉筋上（见图2、图3），而且多出现在铸件薄厚壁过渡区域。

缺陷的主要特征如下：

（1）缺陷区域宏观组织形貌为线状缩松和裂纹掺杂在一起，断口有氧化现象。

（2）缺陷位置主要位于铸件里面与平面交界的根部应力集中部位，且接近厚薄变化部位。

（3）裂纹组织形貌为鱼骨状，且主要分布在晶界上。

2. 铸件原工艺设计及改进

图1 铸件实物

图3 铸件裂纹X射线检测

图2 铸件缩松X射线检测

表1 ZL201A化学成分（质量分数） （%）

通过对该铸件缺陷的出现位置和断口形貌分析，出现上述缺陷的原因主要是合金补缩不到位，造成铸件凝固时没有足够的铝液补充，从而使铸件壁厚较大的热节部位比内浇口后凝固，从而造成铸件该部位缩松、裂纹，进而导致铸件上出现穿透性裂纹，严重影响了铸件质量。

铸件原浇注参数及浇注系统设计：该铸件采用树脂砂低压铸造方式浇注来保证铸件质量，铸件在压力下充型及凝固，使铸件的致密性得到提高，减少铸件内部缺陷。浇注过程分为升液→充型→增压Ⅰ→结壳→增压Ⅱ→保压，具体参数见表2。

浇注系统采用底注充型，浇注系统主要结构为直浇道、横浇道、内浇道。浇注系统内浇道分布如图4所示。

内浇道数量为20个，大端截面尺寸为50mm×20mm，小端截面尺寸为50mm×12mm，高为40mm；对于热节较大的铸件上部，采用铝冷铁激冷，使铸件形成从上到下的顺序凝固，最后凝固的为热节最大的横浇道。

3. 铸造工艺方案的优化

根据上述缺陷分析，造成铸件缩松和裂纹的主要原因：①铸件凝固过程中增压压力不足。②铸件浇注系统中内浇道较少，且分布不合理。③热节较大部位冷铁激冷效果不好。

针对上述原因分析，主要采取以下措施来改善铸造质量。

（1）提高结壳速率，减少结壳时间，加大增压Ⅱ过程增压速率，使铸件得到充分补缩，防止铸件在凝固时因补缩不足引起的缩松、裂纹等缺陷。优化参数见表3。

（2）改变铸件浇注系统内浇道分布，让内浇道位置处于铸件的热节部位和壁厚突变部位，同时增加内浇道数量和尺寸，使单位时间内铸件的进铝量增加，以起到更好的补缩作用。将内浇道数量增加为45个，其中内浇口A为37个，大端截面尺寸为60mm×20mm，小端截面尺寸为60mm×12mm。内浇道B为8个，大端截面尺寸为120mm×20mm，小端截面尺寸为120mm×12mm，高度均为40mm。如图5所示。

（3）原铸件热节较大部位和壁厚较厚部位的冷铁为厚度15mm的铝合金冷铁，换成厚度为15mm的钢质冷铁，激冷效果更好，使铸件远离浇口和不容易补缩的部位先凝固，从而使铸件整体的凝固符合顺序凝固原则。

4. 生产验证

图4 浇注系统内浇道示意

图5 改进后浇注系统内浇道示意

图6 工艺改进后铸件X射线检测

表2 低压铸造浇注工艺参数

表3 低压铸造浇注优化工艺参数

按照优化改进后的工艺方案生产出的铸件如图6所示，外观质量良好。经X射线检测，铸件本体未见缩松、裂纹等缺陷，铸件尺寸及内部质量要求均满足设计要求。

5. 结语

通过对该铸件产生缩松、裂纹等缺陷进行分析，在原工艺的基础上加大了铸件凝固时铸件型腔的压力，增加了单位时间内的铝液进入量，使铸件凝固时得到充分补缩，对铸件不易补缩部位采取更好的激冷措施，能够有效地解决铸件厚大部位和壁厚突变等区域缩松、裂纹等缺陷，从而可大幅提高铸件的产品质量。

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