一种大型高性能糊状凝固铝合金壳体锥铸件的制备工艺

技术领域

本发明属于铝合金铸造技术领域，具体涉及一种大型高性能糊状凝固铝合金壳体锥铸件的制备工艺。

背景技术

高性能铝铸件在航空、航天装备轻量化中具有重要作用，在有效载荷下，构件越轻，重量裕度越大，越有利于提高装备的机动性、远程化和效能。

目前，受制于难成形的特殊材质以及大型复杂变壁厚的结构，传统工艺在成形高端的轻质大型铸件中，主要存在共性问题亟待解决：

一是内部缺陷超标严重。糊状凝固特性合金结晶温度范围宽(固液区间接近100℃)，流动性差，顺序凝固极难实现，铸件内部易出现缩孔、疏松等质量问题；大气或负压下充型熔体析氢严重，导致内部针孔超标；熔炼及充型过程中高密度Cu等元素极易沉降造成比重偏析，同时变壁厚区域容易因局部热应力集中导致热裂，热裂纹附近的枝晶区域溶质浓度高，熔体补缩形成点状、线状或云雾状偏析。

二是组织粗大、性能差。糊状凝固特性合金冒口有效补缩距离短，铸件中下部的补缩效果差，补缩通道难建立，凝固组织不致密；型腔结构复杂，充型不平稳易氧化卷气；凝固时α固溶体过度生长，θ(Al

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型高性能糊状凝固铝合金壳体锥铸件的制备工艺，用于解决大型糊状凝固特性铝合金在铸造成形中存在的内部缺陷超标、组织性能差的技术问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种大型高性能糊状凝固铝合金壳体锥铸件的制备工艺，所述工艺包括如下步骤：

S1、在铝合金壳体锥铸件砂型铸造模具的工作面涂抹脱模剂后，进行造型处理和清洁处理，，之后在砂型工作面继续涂覆涂料、烘干；

S2、对上述涂料烘干后的铝合金壳体锥铸件砂型铸造模具进行精炼处理；

S3、将上述精炼处理完的铝合金壳体锥铸件砂型铸造模具降温后进行浇铸处理、热处理、时效处理后，获得成品铸件。

作为优选地，所述步骤S1中，所述铝合金壳体锥铸件砂型铸造模具的芯盒设计收缩率为0.75％-0.85％，外型设计收缩率为0.9％-1.05％；

优选地，所述芯盒设计收缩率为0.8％，外型设计收缩率为1％。

上述可以根据铸件的结构特征，利用三维绘图软件设计铸件的浇注系统，结合ProCast软件进行数值模拟，并优化浇注系统；根据浇注系统设计图纸制造铝合金壳体锥铸件砂型铸造模具。同时对于模具中设计数据的设定，是为了。

作为优选地，所述步骤S1中，所述脱模剂的涂抹厚度为0.5mm-0.7mm。

上述脱模剂来源：山东诸城市盛平铸造材料有限公司，砂芯(型)脱模剂。

作为优选地，所述步骤S1中，造型处理包括采用造型设备造型处理包括采用造型设备进行混砂、流涂、起膜、合箱等；

所述造型剂是由固化剂：呋喃树脂：干砂的质分数比为(30-40):1：(1-1.25)。

作为优选地，所述步骤S1中，清洁处理包括清砂、烘干和合型处理；

所述烘干温度为150-160℃，烘干时长为1.5-2h。

上述造型设备可以使用混砂效率20t/h的自动化造型设备进行造型。采用的自动化造型设备具备精确流量混砂、频率自适应振实造型、起模流涂合箱等功能，能有效保证砂型尺寸精度和表面粗糙度。

作为优选地，所述步骤S1中，在工作面继续涂覆的涂料为石墨基涂料，所述涂覆厚度为0.5-1.0mm。

作为优选地，所述步骤S2中，精炼处理包括使用精炼机将颗粒精炼剂和惰性气体，以旋转喷吹的方式配吹到铝合金壳体锥铸件砂型铸造模具上，保温处理；

所述精炼处理的时长为15-20min；精炼处理温度为720-740℃；

所述精炼处理完成后保温20-25min；

所述颗粒精炼剂为ZS-AJ

所述惰性气体为氦气、氩气、六氟化硫、氮气中的一种或多种。

作为优选地，所述步骤S3中，铝合金壳体锥铸件砂型铸造模具降温至680-700℃后进行浇铸处理；

所述浇铸处理采用底注式差压铸造法，所述底注式差压铸造法为在浇注温度为680-700℃；

压差设定计算：(型顶到型底高度+浇注系统升液管高度+20mm+升液管底部距下罐液面高度)/系数3800；

充型时间30-60s、保压时间600-1000s、铸件凝固后静置10-14h。

作为优选地，所述步骤S3中，热处理采用将浇铸完成的铝合金壳体锥铸件砂型铸造模具在400-500℃下、保温1.5-2h，升温至533-543℃，保温14-18h后，将铝合金壳体锥铸件砂型铸造模具在20-30s内放入50-60℃水池中，直到水不沸腾为止。

作为优选地，所述步骤S3中，热处理后放置8-24h，进行时效处理；

所述时效处理包括将浇铸完成的铝合金壳体锥铸件砂型铸造模具升温至150-160℃，保温8-10h后，取出空冷，获得成品铸件。

与现有技术相比，本发明至少具有如下技术效果：

本发明提供了一种大型高性能糊状凝固铝合金壳体锥铸件的制备工艺，该工艺，通过采用砂型差压铸造方法，选用底注缝隙式浇注系统，根据经过PROCAST仿真软件验证后的浇注系统设计图制备模具后进行铸型制备、合金熔炼、差压铸造、清砂、切浇冒口、铸件加工检验及修整、T5热处理，得到高性能糊状凝固铝合金壳体锥铸件。

附图说明

图1为对比例1实验结果示意图；

图2为对比例2实验结果示意图；

图3为对比例3实验结果示意图；

图4为对比例3实验结果示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围，实施例中未注明的具体条件，按照常规条件或者制造商建议的条件进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1：

对于铸件的结构特征分析：铸件为典型回转体类铸件，铸件壁厚均匀，呈现对称结构，有利于铸造工艺的设计与实施。铸件大、小端厚大的法兰结构增大了铸件该位置的热节，易形成铸造缺陷，但是，通过对这些部位设置合适的冷铁，减小热节，可以有效避免铸造缺陷的形成。同时，采用缝隙浇道以及大冒口补缩的浇注系统设计，也可以达到显著的补缩效果，减少铸件形成缺陷的可能性，保证铸件质量。

一种大型高性能糊状凝固铝合金壳体锥铸件的制备工艺括如下步骤：

步骤S1：利用三维绘图软件设计铸件的浇注系统，结合ProCast软件进行数值模拟，并优化浇注系统，根据浇注系统设计制造铝合金壳体锥铸件砂型铸造模具，芯盒设计的收缩率为0.8％，外型设计的收缩率为1％。

步骤S2：将步骤S1制备的铸造模具工作面上涂抹脱模剂，模具、砂箱清理干净，在模具上涂上脱模剂，按铸型制备工艺图把模具、冷铁、砂箱摆放在造型平台上，采用混砂效率20t/h的混砂机进行造型，其中呋喃树脂与干砂比例为0.8％，固化剂与呋喃树脂比例为30％。转入砂箱中，振实后放置2-4h后脱模。每个冒口顶部打1个Φ10mm通气孔。采用混砂效率20t/h的自动化造型设备进行造型，其中呋喃树脂与干砂比例为0.8％，固化剂与呋喃树脂比例为30％。

步骤S3：在砂型和型芯表面涂刷一层涂料后，静置30min，自然表干后，涂刷第二层涂料，涂料厚度控制在0.3-0.5mm，刷好涂料后，将铸型在烘箱烘烤160℃×2h。

步骤S4：熔炼ZL205A或ZL305A等糊状凝固特性合金，应环保要求，使用无钠精炼剂和惰性气体旋转喷吹精炼20min,精炼温度720-730℃；精炼后保温20min，降温至690±10℃进行浇铸。

步骤S5：采用底注式差压铸造方法。

步骤S6：对铸件进行加工检验及修整后，进行T5热处理。

测试结果：检测报告：

检测编号：22TN-285-1。检测样品品质情况：材质：ZL205A，状态：T5附铸，工艺：S，规格：Ф6。样本3件。

关于铸件X射线检测结果

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实施例2：

铸件的结构特征分析：铸件为典型回转体类铸件，主要铸造难点在于铸件大端直径达1200mm，高度达970mm，且铸件大、小端法兰厚度超过50mm增大了铸件该位置的热节，极易形成铸造缺陷，难以满足力学性能Rm≥440MPa，A≥4％，内部质量Ⅰ类铸件要求。

步骤S1：根据铸件的结构特征，利用三维绘图软件设计铸件的浇注系统，结合ProCast软件进行数值模拟，并优化浇注系统，根据浇注系统设计图纸制造铝合金壳体锥铸件砂型铸造模具，芯盒设计的收缩率为0.75％，外型设计的收缩率为0.95％。

步骤S2：将步骤S1制备的铸造模具工作面上涂抹脱模剂，模具、砂箱清理干净，在模具上涂上脱模剂，按铸型制备工艺图把模具、冷铁、砂箱摆放在造型平台上，采用混砂效率20t/h的混砂机进行造型，其中呋喃树脂与干砂比例为0.8％，固化剂与呋喃树脂比例为30％。转入砂箱中，振实后放置(2-4)h后脱模。每个冒口顶部打1个Φ10mm通气孔。采用混砂效率20t/h的自动化造型设备进行造型，其中呋喃树脂与干砂比例为0.8％，固化剂与呋喃树脂比例为30％。

步骤S3：在砂型和型芯表面涂刷一层涂料后，静置30min，自然表干后，涂刷第二层涂料，涂料厚度控制在(0.3-0.5)mm，刷好涂料后，将铸型在烘箱烘烤160℃×2h。

步骤S4：熔炼ZL205A或ZL305A等糊状凝固特性合金，应环保要求，使用无钠精炼剂和惰性气体旋转喷吹精炼20min,精炼温度720-730℃；精炼后保温20min，降温至690±10℃进行浇铸。

步骤S5：采用底注式差压铸造方法。

步骤S6：对铸件进行加工检验及修整后，进行T5热处理。

测试结果：检测报告：

检测编号：22TN-285-3。检测样品品质情况：材质：ZL205A，状态：T5附铸，工艺：S，规格：Ф6。样本6件。批号/编号：P1-22008-01。

关于铸件X射线检测结果

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实验例3：

根据铸件的结构特征，利用三维绘图软件设计铸件的浇注系统，结合ProCast软件进行数值模拟，并优化浇注系统；根据浇注系统设计图纸制造铝合金壳体锥铸件砂型铸造模具，芯盒设计的收缩率为0.8％，外型设计的收缩率为1％。

步骤S2：将步骤S1制备的铸造模具工作面上涂抹脱模剂，模具、砂箱清理干净，在模具上涂上脱模剂，按铸型制备工艺图把模具、冷铁、砂箱摆放在造型平台上，采用混砂效率20t/h的混砂机进行造型，其中呋喃树脂与干砂比例为0.8％，固化剂与呋喃树脂比例为30％。转入砂箱中，振实后放置(2-4)h后脱模。每个冒口顶部打1个Φ10mm通气孔。采用混砂效率20t/h的自动化造型设备进行造型，其中呋喃树脂与干砂比例为0.8％，固化剂与呋喃树脂比例为30％。

步骤S3：在砂型和型芯表面涂刷一层涂料后，静置30min，自然表干后，涂刷第二层涂料，涂料厚度控制在(0.3-0.5)mm，刷好涂料后，将铸型在烘箱烘烤160℃×2h。

步骤S4：熔炼ZL205A或ZL305A等糊状凝固特性合金，应环保要求，使用无钠精炼剂和惰性气体旋转喷吹精炼20min,精炼温度720-730℃；精炼后保温20min，降温至690±10℃进行浇铸。

步骤S5：采用底注式差压铸造方法。

步骤S6：对铸件进行加工检验及修整后，进行T5热处理。

测试结果：检测报告：

批号/编号：P2207-090(铸件3)。

关于铸件X射线检测结果

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对比例1：与实施案例1不同的是在步骤S2中。

将步骤S1制备的铸造模具工作面上涂抹脱模剂，模具、砂箱清理干净，在模具上涂上脱模剂，按铸型制备工艺图把模具、冷铁、砂箱摆放在造型平台上，采用混砂效率20t/h的混砂机进行造型，其中呋喃树脂与干砂比例为0.8％，固化剂与呋喃树脂比例为30％。转入砂箱中，未在工作面完整涂覆涂料，振实后放置2-4h后脱模。每个冒口顶部打1个Φ10mm通气孔。采用混砂效率20t/h的自动化造型设备进行造型，其中呋喃树脂与干砂比例为0.8％，固化剂与呋喃树脂比例为30％。

如图1所示，最终制备出的铸件存在表面粗糙度过高等问题，经加工后部分区域缺肉，无法满足技术要求。具体体现为由于铸型制备工艺不合适导致的缺肉。

对比例2：与实施案例2不同的是在步骤S5中。

如图2所示，未采用差压铸造方法，采用的是重力铸造，导致最终制备出的铸件存在充型不完整、内部质量差等严重问题。

对比例3：与实施案例3不同的是在步骤S4中。

使用无钠精炼剂和惰性气体旋转喷吹精炼10min,精炼温度720-730℃；精炼后保温20min，降温至705℃进行浇铸。

如图3所示，最终制备出的铸件存在多出偏析问题；

如图4所示，最终制备出的铸件内壁出现的多处疏松等问题。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。