摘要：針對(duì)低壓鑄造大型耐熱鎂合金殼體鑄件的結(jié)構(gòu)及技術(shù)難點(diǎn)對(duì)其澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、砂芯及激冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析。利用ProCAST軟件對(duì)殼體鑄造工藝進(jìn)行數(shù)值仿真，模擬了鑄造缺陷并進(jìn)行了原因分析，采取了針對(duì)性措施并進(jìn)行了二次仿真驗(yàn)證。根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化了鑄造工藝參數(shù)，結(jié)果表明，澆注系統(tǒng)充型平穩(wěn)，補(bǔ)縮良好，采用低壓鑄造方法澆注了品質(zhì)優(yōu)良的殼體鑄件。

鎂合金具有低密度、高比強(qiáng)度，良好的加工性能等特點(diǎn)，使其在航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)彈飛行速度和最大射程均顯著提高，導(dǎo)致氣動(dòng)加熱進(jìn)一步加劇，對(duì)彈體材料輕量化和耐熱性能提出了苛刻的要求。耐熱鎂合金以其優(yōu)良的力學(xué)性能，特別是優(yōu)良的高溫性能，成為新型導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)材料的首選。近年來發(fā)展的新型高強(qiáng)度耐熱鎂合金系列，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到330 MPa以上，其綜合性能達(dá)到某些鑄造鋁銅合金的水平，在200~300 ℃下仍具有優(yōu)異的力學(xué)性能，而且其密度僅為鋁合金密度的70%，不到鈦合金的50%，材料輕量化和耐熱性能優(yōu)勢(shì)明顯。但是，目前耐熱鎂合金的應(yīng)用還存在一定問題，如耐熱鎂合金化學(xué)活性比較高，鑄造生產(chǎn)過程工藝難度較大等。本課題研究了某鎂合金殼體鑄件的工藝優(yōu)化，為其更進(jìn)一步的應(yīng)用提供參考。

1、殼體結(jié)構(gòu)及難點(diǎn)分析

殼體鑄件外表面形狀為錐體結(jié)構(gòu)，見圖1，前端框直徑為500 mm，后端框直徑為760 mm，高度約為2 000 mm。殼體需按HB7780-2005Ⅰ類鑄件要求100%進(jìn)行X光檢測(cè)及熒光檢測(cè)。

殼體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)壁上有多處環(huán)形加強(qiáng)筋且凸臺(tái)較多，殼體壁厚極不均勻，壁厚差大，且鎂合金材料化學(xué)活性比較高，在熔煉及充型過程中非常容易氧化、燃燒，凝固過程容易產(chǎn)生疏松、縮孔、裂紋、偏析等缺陷；殼體最薄壁厚僅3 mm，鑄造過程極易發(fā)生變形。

圖1：殼體結(jié)構(gòu)圖

2、殼體澆注系統(tǒng)

殼體澆注系統(tǒng)見圖2，由直澆道、橫澆道及立筒縫隙澆道組成。橫澆道分為外圓形橫澆道及內(nèi)“米”字形橫澆道，橫澆道截面為梯形結(jié)構(gòu)，可以提升澆注系統(tǒng)的擋渣能力，提高合金的流動(dòng)性及充型能力；8處立筒縫隙澆道均布在殼體外形面四周，均勻分配合金液的流量，減少合金過熱傾向，同時(shí)，立筒縫隙澆道可保證殼體澆注過程合金平穩(wěn)充型，使殼體鑄件凝固過程獲得極佳的補(bǔ)縮效果。

圖2：殼體澆注系統(tǒng)  

圖3：砂芯

3、殼體砂芯

考慮到殼體鑄件為鎂合金，且熔煉量約1 t，殼體砂芯采用整體粘土砂工藝。砂芯中間放置芯骨，澆注過程中，產(chǎn)生的大量氣體通過中間芯骨順利排出，避免發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氣孔、夾渣及疏松缺陷。

在殼體砂芯所有環(huán)筋、凸臺(tái)等熱節(jié)及厚大部位設(shè)置專用冷鐵，立筒縫隙澆口前放置冷鐵，在冷鐵工作面邊緣與粘土砂之間放置激冷砂，避免立筒縫隙澆口兩側(cè)過熱產(chǎn)生疏松缺陷，見圖3。

4、數(shù)值模擬

4.1 模型與材料熱物性參數(shù)

圖4：網(wǎng)格模型

采用Pro/E進(jìn)行三維建模，并以igs格式導(dǎo)入到ProCAST的Visual-Mesh(Cast)模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終劃分出221 810個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 410 192個(gè)單元格，網(wǎng)格化后的模型見圖4。

VW63Z耐熱稀土鎂合金化學(xué)成分見表1，物性參數(shù)見圖5。

表1：VW63Z合金化學(xué)成分

圖5：物性參數(shù)

4.2 澆注參數(shù)

數(shù)值模擬初設(shè)工藝參數(shù)見表2。鑄件與砂型之間的傳熱系數(shù)取500 W?m-2?K-1，鑄件與冷鐵之間的傳熱系數(shù)取1000 W?m-2?K-1，冷鐵與鑄型之間的傳熱系數(shù)取750 W?m-2?K-1，鑄型表面空冷。

表2：模擬初設(shè)工藝參數(shù)

4.3 模擬結(jié)果分析

利用ProCAST軟件對(duì)殼體的低壓鑄造過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。圖6為殼體鑄造的充型過程模擬，，殼體的模擬充型過程非常平穩(wěn)，8處縫隙澆口的液面高度基本一致，整個(gè)充型過程沒有明顯的合金紊流現(xiàn)象，殼體澆注工藝設(shè)計(jì)較為合理。

圖6：充型過程模擬

殼體采用底注式低壓澆注方法，澆注初始階段，合金液首先通過直澆道、橫澆道，然后進(jìn)入8處立筒縫隙澆道，當(dāng)縫隙澆道中的合金液面高于殼體型腔底部時(shí)，合金液開始充填鑄型型腔，直到充型全部結(jié)束。整個(gè)充型過程，立筒縫隙澆道中合金液溫度始終高于同高度鑄型型腔內(nèi)合金液的溫度，立筒縫隙澆道對(duì)殼體補(bǔ)縮通道暢通，使殼體按照順序凝固的方式凝固，減少了殼體鑄造缺陷，保證了殼體的內(nèi)部質(zhì)量。

圖7為殼體凝固過程模擬及固相分?jǐn)?shù)。固相率為0.7為縮孔、縮松形成的臨界值。伴隨合金液充型，型腔內(nèi)合金液凝固，立筒縫隙澆道內(nèi)合金固相分?jǐn)?shù)始終低于同高度的型腔內(nèi)合金固相率，利于殼體順序凝固過程的補(bǔ)縮。殼體凝固過程溫度場(chǎng)與充型過程的溫度場(chǎng)分布基本一致，立筒澆道之間的薄壁區(qū)合金液最先進(jìn)入固相區(qū)，固相率較大，而立筒前部位及環(huán)筋等厚大部位仍高于液相線，固相率較小，補(bǔ)縮已進(jìn)入固相區(qū)的部位，立筒澆道、凸臺(tái)及環(huán)筋等處最后進(jìn)入固相區(qū)，立筒澆道前及環(huán)筋等處具有形成疏松、縮孔的傾向，見圖7和圖8。

圖7：凝固過程模擬

圖8：疏松、縮孔缺陷

對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果初步分析可知：位于立筒澆道前部位及環(huán)筋等處是最后凝固部位，易出現(xiàn)疏松、縮孔缺陷；立筒澆道前屬于過熱區(qū)，環(huán)筋屬于殼體厚大部位，初步判斷為澆注過程中保壓壓力偏小、保壓時(shí)間偏短等因素造成。

4.4 模擬驗(yàn)證

按照初次數(shù)值模擬的分析結(jié)果，疏松、縮孔缺陷為澆注過程中保壓壓力偏小、保壓時(shí)間偏短造成的。因此將殼體澆注時(shí)的保壓壓力由35 kPa增加到50 kPa，保壓時(shí)間由300 s增加到360 s，并進(jìn)行模擬驗(yàn)證，見圖9。模擬驗(yàn)證結(jié)果顯示殼體鑄件凝固過程無明顯疏松、縮孔缺陷，同時(shí)也驗(yàn)證了模擬結(jié)果分析。

圖9：模擬驗(yàn)證無缺陷

5、低壓澆注

按照數(shù)值模擬的分析驗(yàn)證，調(diào)整后的澆注工藝參數(shù)見表3。

表3：低壓鑄造澆注工藝參數(shù)

采用優(yōu)化調(diào)整后的澆注工藝參數(shù)澆注了殼體鑄件，見圖10，殼體經(jīng)X光檢測(cè)及熒光檢測(cè)后沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，符合HB7780-2005Ⅰ類鑄件要求。

圖10：澆注的殼體鑄件

6、結(jié)論

(1)利用數(shù)值模擬手段驗(yàn)證了大型耐熱鎂合金殼體澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性，由直澆道、外圓形橫澆道、內(nèi)“米”字形橫澆道及立筒縫隙澆道組成的澆注系統(tǒng)充型平穩(wěn)，補(bǔ)縮良好。

(2)大型耐熱鎂合金殼體鑄造過程中易在殼體厚大部位、澆道前過熱區(qū)產(chǎn)生疏松、縮孔缺陷。

（3）采用低壓鑄造及合適的工藝參數(shù)澆注大型耐熱鎂合金殼體鑄件，可明顯改善疏松、縮孔缺陷，提升鑄件內(nèi)部質(zhì)量。

作者：崔恩強(qiáng) 劉穎卓 孫浩 何凱 王先飛 鄧小亮 秦康 秦解清
上海航天精密機(jī)械研究所

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第10期