连接套铸件的成分控制和铸造工艺研究

文/张丹，吉林电子信息职业技术学院装备制造技术学院

铝合金连接套作为引信的核心部件，在材质和工艺方面日益的更新，薄壁这个指标也不断推高。由于铝合金连接套铸件的外形较为复杂，铸件在顶出时极易顶碎。如何通过控制用材的成分变化和通过改变铸造工艺来实现连接套综合性能的提高，成为新一代高性能连接套的技术瓶颈。

1 试验选材与测试方法

1.1 试验选材

Al-Zn合金能较好地兼顾力学性能和铸造性能两方面的要求，由于Zn在Al中的溶解度大，自然时效倾向大，不需要热处理就能得到较高的强度，所以该类合金较适合用于连接套等零部件中。

1.2 试验方法

原料主要包括高纯铝（99.99%）、高纯镁（99.99%）、Al-Cu中间合金和Al-Si中间合金，采用金属型铸造工艺，浇注器件经表面喷涂处理，并采用Al-Sr合金进行变质处理，在预热好的模具中进行铸造成型，制备了不同成分的连接套铸件。

1.3 测试方法

在QX-W550微机控制电子万能试验机上进行抗拉强度的测试，拉伸速率为1.5mm/min，以3组试样的平均值作为测试结果；布氏硬度测试在MC010-HBS-3000数显布氏硬度计上进行；显微组织测试在Inspect S50 扫描电子显微镜上进行观察。

2 连接套的成分控制

在Al-Zn合金的基材上，添加Cu和Si元素，以抗拉强度和布氏硬度作为考核指标来优化成分，选取Mg元素含量为0.8%。

图1 Cu含量对连接套铸件的力学性能的影响

2.1 Cu含量

随Cu元素含量增加，铸件的抗拉强度降低，当含量从1.0%降低至4.0%时，抗拉强度从180MPa降低至125MPa，布氏硬度从80.5HB上升至93HB。Cu的添加在一定程度上可提高合金的硬度，但含量过高，成型性能较差，整个连接套铸件的抗拉强度会降低。综合因素，铸件中Cu元素的选2.5%左右。

图2 Zn含量对连接套铸件的力学性能的影响

2.2 Zn含量

随Zn元素含量的增加，铸件的抗拉强度和布氏硬度均呈先增而后降低的趋势，在Zn含量为4.5%时取得最大值。铸件的铸造成型性能较好。Zn含量选4.5%。

图3 Si含量对连接套铸件的力学性能的影响

随Si元素含量的增加，铸件的抗拉强度和布氏硬度先降低而后升高，在Si含量为5%时抗拉强度取得最小值；在Si含量为3%时布氏硬度取得最小值。Si含量选1%～3%。

基本确定连接套铸件主要元素的成分（质量分数，%）为：4.5 Zn、2.5Cu、0.8Mg和1Si，余量为Al。

3 连接套的铸造工艺

选取Al-4.5Zn-2.5Cu-1Si-0.8Mg合金为设计原型，通过锆英砂、石墨砂型和铁丸砂型三种不同的铸造工艺考察在铸造过程中不同凝固条件作用下连接套中的显微组织变化。

图6 不同铸造工艺下的连接套铸件的金相组织

锆英砂型铸件，晶粒尺寸较为粗大，组织中可见明显的枝晶组织且间距较大；石墨砂型铸件，在组织中可见晶界偏聚和枝晶组织，晶粒尺寸相对锆英砂型铸造铸件有所减小；铁丸砂型铸件，组织上晶粒尺寸进一步降低，枝晶间距也进一步减小。铁丸砂型铸件一定程度上能够满足高强度与高塑性的使用要求。

4 结论

4.1 以抗拉强度和布氏硬度为考核指标，确定适宜的连接套铸件主要元素的成分（质量分数，%）为：4.5 Zn、2.5Cu、0.8Mg和1Si，余量为Al。

4.2 铁丸砂型铸造得到的连接套铸件中的晶粒组织最为细小，枝晶间距最小，能够满足高强度与高塑性的使用要求。