一种铝合金薄壁舱体铸件的铸造工艺及凝固组织调控方法

摘要

本发明提供了一种铝合金薄壁舱体铸件的铸造方法，采用三级充型，所述三级充型中的第二级和第三级是在电磁场中充型。其为提高熔体充型能力、增强补缩效果、晶粒细化的铝合金薄壁舱体铸件的铸造工艺及凝固组织调控方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金薄壁舱体铸件的铸造工艺及凝固组织调控方法。

背景技术

在航空航天、武器装备、汽车、电子、船舶等领域，为满足轻量化和整体化的设计要求，铝合金薄壁舱体铸件的需求和应用正越来越广泛。该类铸件具有“大型、薄壁、复杂、高性能”等特点，主体壁厚2～4mm，薄壁占比超过80％，充型时型腔气阻大，盲腔及截面突变结构处出现紊流，导致铸件出现浇不足、卷气、冷隔等缺陷。重力下凝固，粗大等轴晶将熔体分隔为孤立的小熔池，铸件众多厚大、分散热节区得不到补缩，将形成缩孔疏松等缺陷。同时，由于凝固过冷效果差，传热不畅，导致枝晶过度生长，恶化铸件组织和性能。目前，国内针对铝合金薄壁舱体铸件的浇不足、组织性能差的问题也展开了相关研究，主要集中在真空增压/差压铸造、熔模石膏型铸造等新工艺的开发，超声波、电磁场细化晶粒等方面，并取得了一定的效果，但对铸件的充型和凝固组织改善效果有限。

发明内容

本发明目的在于提供一种提高熔体充型能力、增强补缩效果、晶粒细化的铝合金薄壁舱体铸件的铸造工艺及凝固组织调控方法。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的：

一种铝合金薄壁舱体铸件的铸造方法，采用三级充型，所述三级充型中的第二级和第三级是在电磁场中充型。优选的，所述电磁频率为50～100Hz。进一步的，第一级充型加压速率为1.3～1.5KPa/s，第二级充型加压速率为1.0～1.2KPa/s，第三级充型加压速率为0.8～1.0KPa/s。

上述三级充型后进行二级加压凝固。所述加压凝固中的电磁频率为150～250Hz，以0.6～0.8KPa/s的加压速率将压力为升至4～6KPa，保压时间为15～30s；第二级加压凝固是以1.2～1.5KPa/s的加压速率将压力升高至450～500KPa，保压时间为1500～1800s。

上述铝合金薄壁舱体铸件的铸造方法，包括以下步骤：

(1)将精炼好的铝熔体转入保温炉中，保温温度690～720℃，搅拌；

(2)抽真空：采用真空泵抽真空压力将至20～30KPa；

(3)一级充型：加压速率为1.3～1.5KPa/s；

(4)二级充型：开启磁场发生器，电磁频率为50～100Hz，加压速率为1.0～1.2KPa/s，熔体流至铸型中部时二级充型结束；

(5)三级充型：加压速率降至0.8～1.0KPa/s，熔体流至铸型顶部时三级充型结束；

(6)一级加压凝固：将磁场发生器的电磁频率提升至150～250Hz，按0.6～0.8KPa/s的加压速率，将压力升高4～6KPa，保压时间为15～30s；

(7)二级加压凝固：按1.2～1.5KPa/s的加压速率，将压力升高至450～500KPa，保压时间为1500～1800s；

(8)卸压：关闭磁场发生器，打开排气阀卸压至常压。

更具体的，上述铝合金薄壁舱体铸件的铸造方法，包括如下步骤：

(1)浇注前准备步骤：将精炼好的铝熔体转入保温炉中(保温温度690～720℃)待用，开启电磁搅拌器，盖上中隔板，插入4～6mm喷涂耐火涂料的升液管；将熔模石膏铸型放置在中隔板上，砂箱选材为不锈钢，减少对电磁场的屏蔽作用；在砂型顶部放置磁场发生器，调压器放置在差压铸造设备外部，砂型顶部用压板压紧，确保铸型与升液管密封良好；然后将型低、型中、型顶和跑火线接入液位监控系统中，盖好上罐，通过液压锁紧机构锁紧。

(2)抽真空步骤：首先打开上下罐互通阀，采用真空泵对上、下罐同时抽真空，当压力将至20～30KPa时，停止抽真空，关闭互通阀。

(3)一级充型步骤：采用下罐进气的方式，一级充型加压速率为1.3～1.5KPa/s，熔体在气压作用下沿升液管流至铸型底部，型底信号灯亮，一级充型结束。

(4)二级充型步骤：开启磁场发生器，电磁频率为50～100Hz，对进入型腔的铝熔体实施微观扰动，二级充型加压速率为1.0～1.2KPa/s，熔体流至铸型中部时，型中信号灯亮，二级充型结束。

(5)三级充型步骤：为保证熔体充型平稳，防止升液速率过快熔体从铸型顶部冒出，造成炮火现象，三级充型加压速率降至0.8～1.0KPa/s，电磁频率为50～100Hz，熔体流至铸型顶部时，型顶信号灯亮，三级充型结束。

(6)一级加压凝固步骤：将磁场发生器的电磁频率提升至150～250Hz，增强电磁脉动力；然后按0.6～0.8KPa/s的加压速率，将下罐压力升高4～6KPa，保压时间为15～30s，保证型腔表面的熔体结壳。

(7)二级加压凝固步骤：对上、下罐按1.2～1.5KPa/s的加压速率，将压力升高至450～500KPa，依靠PID控制数字组合阀，保持上、下罐压差不变，实现铝熔体在高压下凝固结晶，结晶保压时间为1500～1800s。

(8)卸压步骤：保压时间到后，关闭磁场发生器，开启上下罐互通阀，然后打开排气阀，同时对上下罐卸压，当压力降至常压后，打开上罐，吊出铸型和升液管，清理铸造设备。

有益效果

1.本发明借助液位监控系统设计了型底→型中→型顶的三级真空变压差充型模式，优化真空充型流态，提升熔体的薄壁充型能力，ZL114A铝合金700℃浇注温度时的流动性由325～355mm提升至385～410mm，保证薄壁铝合金舱体铸件的长流程平稳顺序充型，抑制紊流、卷气、氧化等充型缺陷。

2.本发明设计了结壳加压+结晶加压的二级加压凝固模式，熔体表层形成2～5mm的外壳，减少机械粘砂，改善铸件表面质量；熔体在500～550KPa凝固结晶，提高熔体补缩效果，消除缩孔、缩松缺陷，铸件内部质量提升II～III质量等级。

3.本发明设计了磁力场+压力场的复合外场凝固组织调控模式，通过下室的电磁搅拌器对铝熔体进行二次均匀化处理，保证充型熔体成分均匀性，实现铝合金(如ZL205A)的Cu元素成分偏差≤±5％；上室的磁场发生装置对凝固中的铝熔体实施微观扰动，破碎枝晶臂，晶粒细化至25～45μm；借助高凝固压力打通铸件补缩通道，实现凝固组织的致密化，相比重力铸造铸件本体力学性能提升30％以上。

5.本发明制得的铝合金(如ZL205A)铸件本体指定部位抗拉强度达到500MPa，延伸率8％，针孔度I级，疏松度I级。

6.对于铝合金薄壁舱体铸件来说，目前在研制和生产中存在的两大技术难题：一是大面积的薄壁结构引起的浇不足，二是铸件众多厚大、分散热节区的体积收缩得不到补充，导致的组织性能差。而本工艺和组织调控方法可以彻底解决上述问题，获得性能优异铸件，已实现了批量生产，具有流程清晰、稳定性高、适用性强等特点，推广应用价值较高，工业潜力巨大。

附图说明

图1铝合金薄壁舱体铸件的铸造工艺曲线；

图2充型及凝固阶段磁力外场的设置示意图：1.上罐；2.铸型；3.中隔板；4.下罐；5.保温炉；6.电磁搅拌器，7.磁场发生器；8.真空阀；9.液位监控系统；10.放气阀；11.加压阀；12真空阀；13铝熔体。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只能用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

以某铝合金薄壁舱体铸件为应用对象，具体轮廓尺寸：高1453mm，小端圆Φ286.5mm，大端矩形500mm×420mm，主体壁厚3.0mm，薄壁占比超过90％，内腔多凸台、筋，材料：ZL114A。

铸型可以按照以下步骤制备：

(1)根据铸件组型图，按照蜡型制备步骤组焊蜡型；组焊完成后，将蜡型居中放置到灌浆垫板上，用石膏浆料封堵砂箱与灌浆垫板件间的缝隙，待封堵层(2～5mm)固化后，在灌浆垫板上平缓注入液态蜡，完成蜡型的装箱和固定。

(2)称量高强度α石膏(270目)345Kg，高铝矾土粉(270目～320目)458Kg，石英粉(40目～70目)115kg，石英砂(20目～40目)86kg，硫酸镁68kg，玻璃纤维(60～80μm)2.8kg，采用混料机混制石膏型粉料，并密封保存。

(3)称量水344Kg，柠檬酸5.3Kg，正辛醇3.3Kg；先将称量好的水倒入搅拌桶中，再加入称量好的1％柠檬酸溶液、正辛醇，采用手持搅拌机(300～500n/min)搅拌，边搅拌边加入称量好的粉料进行浆料混制，混制完成后，检查均匀性，将未搅混均匀的块状石膏料分散，每桶搅拌时间约2～2.5分钟。

(4)将混制好的石膏浆料静置1min，在砂箱对角同时灌浆，在浇灌过程中，蜡模易集存气泡的部位，设法用手工消除气泡，同时观察蜡型内外浆料液面的高度差小于20mm，浇灌完毕后室温下静置自然干燥36h。

(5)将浇灌的石膏铸型吊入铸型焙烧炉中，焙烧工艺为：室温→150℃(保温7h)→250℃(保温10h)→350℃(保温2h)→450℃(保温2h)→550℃(保温2h)→650℃(保温2h)→700℃(保温12h)→300℃(保温36h)，焙烧中每个升温平台，升温时间为30min。

(5)称量硅砂(40目～70目)155Kg，铬铁矿砂(50目～100目)127Kg，钛铁矿砂(70目～140目)119Kg，刚玉砂(90目～150目)85Kg；采用混砂机混合后，装入不锈钢桶中，然后放入箱式干燥箱内进行干燥处理，在300±10℃环境下保温4h待用；吊出焙烧好的石膏铸型，将干燥好的激冷砂从石膏铸型顶部的排气通道装入，完成铸型的制备。

铸型性能效果：焙烧后的石膏铸型强度提高至14～16MPa，减少石膏焙烧开裂，通过形成微小孔、穴，提高石膏的透气性和溃散性；导热率提升至650～850W·m^-2·K^-1，铸型的散热效果得到有效改善；铸件的缩孔、疏松等缺陷得以改善，ZL114A薄壁铝合金铸件的本体指定部位抗拉强度提升至300～330MPa，内部质量由II～III级提升至I级。

铝合金薄壁舱体铸件的铸造方法，按如下步骤进行：

(1)浇注前准备步骤：将精炼好的铝熔体转入保温炉中(保温温度690～720℃)待用，开启电磁搅拌器，盖上中隔板，插入4～6mm喷涂耐火涂料的升液管；将熔模石膏铸型放置在中隔板上，砂箱选材为不锈钢，减少对电磁场的屏蔽作用；在砂型顶部放置磁场发生器，调压器放置在差压铸造设备外部，砂型顶部用压板压紧，确保铸型与升液管密封良好；然后将型低、型中、型顶和跑火线接入液位监控系统中，盖好上罐，通过液压锁紧机构锁紧。

(2)抽真空步骤：首先打开上下罐互通阀，采用真空泵对上、下罐同时抽真空，当压力将至20～30KPa时，停止抽真空，关闭互通阀。

(3)一级充型步骤：采用下罐进气的方式，一级充型加压速率为1.3～1.5KPa/s，熔体在气压作用下沿升液管流至铸型底部，型底信号灯亮，一级充型结束。

(4)二级充型步骤：开启磁场发生器，电磁频率为50～100Hz，对进入型腔的铝熔体实施微观扰动，二级充型加压速率为1.0～1.2KPa/s，熔体流至铸型中部时，型中信号灯亮，二级充型结束。

(5)三级充型步骤：三级充型加压速率降至0.8～1.0KPa/s，电磁频率为50～100Hz，熔体流至铸型顶部时，型顶信号灯亮，三级充型结束。

(6)一级加压凝固步骤：将磁场发生器的电磁频率提升至150～250Hz，增强电磁脉动力；然后按0.6～0.8KPa/s的加压速率，将下罐压力升高4～6KPa，保压时间为15～30s，保证型腔表面的熔体结壳。

(7)二级加压凝固步骤：对上、下罐按1.2～1.5KPa/s的加压速率，将压力升高至450～500KPa，依靠PID控制数字组合阀，保持上、下罐压差不变，实现铝熔体在高压下凝固结晶，结晶保压时间为1500～1800s。

(8)卸压步骤：保压时间到后，关闭磁场发生器，开启上下罐互通阀，然后打开排气阀，同时对上下罐卸压，当压力降至常压后，打开上罐，吊出铸型和升液管，清理铸造设备。

主要工艺参数：浇注温度720℃，真空度20KPa，一级充型加压速率1.3KPa/s，二级充型加压速率1.1KPa/s，三级充型加压速率1.0KPa/s，电磁频率220Hz，一级加压凝固加压速率0.8KPa/s，结壳时间20s，二级加压凝固加压速率1.3KPa/s，结晶时间1800s。

实施效果：

浇注时流动提升至385～410mm，薄壁铝合金舱体铸件的长流程平稳顺序充型。合金的Mg、Ti、Be等元素成分偏差≤±3％；晶粒细化至25～45μm；力学性能提升30％以上。

铸件本体指定部位抗拉强度达到320MPa，延伸率3.0％，针孔度I级，疏松度I级。

实施例2

以某铝合金薄壁舱体铸件为应用对象，具体轮廓尺寸：小端圆Φ295mm，大端圆Φ340mm，高710m，主体壁厚3.5mm，薄壁占比超过85％，呈翁形结构，材料：ZL101A。

铝合金薄壁舱体铸件的铸造方法，按如下步骤进行：

(1)浇注前准备步骤：将精炼好的铝熔体转入保温炉中(保温温度690～720℃)待用，开启电磁搅拌器，盖上中隔板，插入4～6mm喷涂耐火涂料的升液管；将熔模石膏铸型放置在中隔板上，砂箱选材为不锈钢，减少对电磁场的屏蔽作用；在砂型顶部放置磁场发生器，调压器放置在差压铸造设备外部，砂型顶部用压板压紧，确保铸型与升液管密封良好；然后将型低、型中、型顶和跑火线接入液位监控系统中，盖好上罐，通过液压锁紧机构锁紧。

(2)抽真空步骤：首先打开上下罐互通阀，采用真空泵对上、下罐同时抽真空，当压力将至20～30KPa时，停止抽真空，关闭互通阀。

(3)一级充型步骤：采用下罐进气的方式，一级充型加压速率为1.3～1.5KPa/s，熔体在气压作用下沿升液管流至铸型底部，型底信号灯亮，一级充型结束。

(4)二级充型步骤：开启磁场发生器，电磁频率为50～100Hz，对进入型腔的铝熔体实施微观扰动，二级充型加压速率为1.0～1.2KPa/s，熔体流至铸型中部时，型中信号灯亮，二级充型结束。

(5)三级充型步骤：电磁频率为50～100Hz，三级充型加压速率降至0.8～1.0KPa/s，熔体流至铸型顶部时，型顶信号灯亮，三级充型结束。

(6)一级加压凝固步骤：将磁场发生器的电磁频率提升至150～250Hz，增强电磁脉动力；然后按0.6～0.8KPa/s的加压速率，将下罐压力升高4～6KPa，保压时间为15～30s，保证型腔表面的熔体结壳。

(7)二级加压凝固步骤：对上、下罐按1.2～1.5KPa/s的加压速率，将压力升高至450～500KPa，依靠PID控制数字组合阀，保持上、下罐压差不变，实现铝熔体在高压下凝固结晶，结晶保压时间为1500～1800s。

(8)卸压步骤：保压时间到后，关闭磁场发生器，开启上下罐互通阀，然后打开排气阀，同时对上下罐卸压，当压力降至常压后，打开上罐，吊出铸型和升液管，清理铸造设备。

主要工艺参数：浇注温度700℃，真空度20KPa，一级充型加压速率1.2KPa/s，二级充型加压速率1.0KPa/s，三级充型加压速率0.8KPa/s，电磁频率180Hz，一级加压凝固加压速率0.8KPa/s，结壳时间15s，二级加压凝固加压速率1.2KPa/s，结晶时间1500s。

实施效果：

浇注时流动提升至390～420mm，薄壁铝合金舱体铸件的长流程平稳顺序充型。合金的Mg、Ti等元素成分偏差≤±3％；晶粒细化至30～50μm；力学性能提升30％以上。

铸件本体指定部位抗拉强度达到290MPa，延伸率8.0％，针孔度I级，疏松度I级。

实施例3

以某铝合金薄壁舱体铸件为应用对象，具体轮廓尺寸：高度720mm，小端圆Φ610mm，大端圆Φ750mm，主体壁厚4.0mm，薄壁占比超过80％，内腔多加强筋、厚大凸台等，材料：ZL205A。

铝合金薄壁舱体铸件的铸造方法，按如下步骤进行：

(1)浇注前准备步骤：将精炼好的铝熔体转入保温炉中(保温温度690～720℃)待用，开启电磁搅拌器，盖上中隔板，插入4～6mm喷涂耐火涂料的升液管；将熔模石膏铸型放置在中隔板上，砂箱选材为不锈钢，减少对电磁场的屏蔽作用；在砂型顶部放置磁场发生器，调压器放置在差压铸造设备外部，砂型顶部用压板压紧，确保铸型与升液管密封良好；然后将型低、型中、型顶和跑火线接入液位监控系统中，盖好上罐，通过液压锁紧机构锁紧。

(2)抽真空步骤：首先打开上下罐互通阀，采用真空泵对上、下罐同时抽真空，当压力将至20～30KPa时，停止抽真空，关闭互通阀。

(3)一级充型步骤：采用下罐进气的方式，一级充型加压速率为1.3～1.5KPa/s，熔体在气压作用下沿升液管流至铸型底部，型底信号灯亮，一级充型结束。

(4)二级充型步骤：开启磁场发生器，电磁频率为50～100Hz，对进入型腔的铝熔体实施微观扰动，二级充型加压速率为1.0～1.2KPa/s，熔体流至铸型中部时，型中信号灯亮，二级充型结束。

(5)三级充型步骤：电磁频率为50～100Hz，三级充型加压速率降至0.8～1.0KPa/s，熔体流至铸型顶部时，型顶信号灯亮，三级充型结束。

(6)一级加压凝固步骤：将磁场发生器的电磁频率提升至150～250Hz，增强电磁脉动力；然后按0.6～0.8KPa/s的加压速率，将下罐压力升高4～6KPa，保压时间为15～30s，保证型腔表面的熔体结壳。

(7)二级加压凝固步骤：对上、下罐按1.2～1.5KPa/s的加压速率，将压力升高至450～500KPa，依靠PID控制数字组合阀，保持上、下罐压差不变，实现铝熔体在高压下凝固结晶，结晶保压时间为1500～1800s。

(8)卸压步骤：保压时间到后，关闭磁场发生器，开启上下罐互通阀，然后打开排气阀，同时对上下罐卸压，当压力降至常压后，打开上罐，吊出铸型和升液管，清理铸造设备。

主要工艺参数：浇注温度690℃，真空度20KPa，一级充型加压速率1.3KPa/s，二级充型加压速率1.0KPa/s，三级充型加压速率0.9KPa/s，电磁频率200Hz，一级加压凝固加压速率1.0KPa/s，结壳时间15s，二级加压凝固加压速率1.0KPa/s，结晶时间1680s。

实施效果：

浇注时流动提升至280～320mm，薄壁铝合金舱体铸件的长流程平稳顺序充型。合金的Cu、Mn、Ti等元素成分偏差≤±5％；晶粒细化至20～40μm；力学性能提升35％以上。

铸件本体指定部位抗拉强度达到500MPa，延伸率8％，针孔度I级，疏松度I级。