作者简介：史开阳（1977-），男，贵州织金人，工程师，学士，研究方向为锻铸工艺，工作于中航力源液压股份有限公司。
0 前言
航空液压柱塞泵使用的壳体，通常都是用比重低、物理、机械等综合性能良好的铝合金铸造，是液压柱塞泵中的一个重要零件。若机械性能、气密性能下降后，将会导致壳体在使用过程中产生泄漏、裂纹等故障，造成不可估量的严重后果。某型号航空液压柱塞泵使用的壳体，在浇注过程中经常产生气孔、疏松、夹渣等冶金缺陷，造成机械性能、气密性能等达不到设计要求而报废，合格率只有10%左右。每年的废品损失达几十万元，大大增加了该壳体的生产成本，且严重影响产品的交付进度。下面就对上述冶金缺陷的产生原因进行分析，并通过相关试验进行验证和探索，寻求解决这些缺陷问题的一些方法，以提高该壳体铸件的冶金质量。
1壳体的结构特点和工艺方案
1.1结构特点
该壳体的结构如图1、图2所示，由于外形及内腔结构都较复杂，厚薄突变面多，壁厚悬殊较大，中间颈部尺寸小于两端，底部安装边又较为厚大。作为铸件时，浇铸过程中合金液的补缩通道很狭窄，补缩、排气不流畅，经常产生气孔、疏松、氧化夹渣等冶金缺陷，铸造难度很大，合格率很低。
1.2工艺方案
下面对该壳体铸件生产所使用的模具结构和采用的浇铸工艺方案进行简要介绍。
1）模具结构
该壳体铸件的模具结构是由底模和三块半模，两个抽芯组成外形，直浇道采用蛇形浇道，两个分型面互相垂直，开模后铸件留在底模上，铸件在金属型中有稳固的定位，分型时避免了铸件可能引起的拉裂和变形，外形如图3所示，模具与浇铸机连接情况如图4所示。
2）浇注及熔炼工艺
该壳体铸件采用金属型重力铸造。为了便于实现顺序凝固，有利于铸件的补缩，将冒口设置于顶部较为厚大的大圆盘上，合金液在重力的作用下由顶部冒口向下流动，对下部合金液的凝固和收缩进行补充，由于壳体内腔结构复杂，采用了如图5所示的壳芯形成内腔，并采用楔形方式定位在底模上。浇铸时，模具置于四开机上，合金液从直浇道注入，待合金液上升到冒口高度1/3时，从冒口进行浇铸和补水，从而形成如图6所示的铸件。该铸件的材料牌号及相应的熔炼工艺参数如表1所示。
表1 ZL105合金的熔炼浇注工艺参数
2铸件缺陷分析及措施
2.1气孔缺陷及措施
生产过程中，在该铸件如图7所示位置的三个螺栓凸台处（线圈内）出现大量皮下气孔，在X光底片上显示如图8所示。
解剖后查看，该处气孔的特征为球状，单独或几个集聚在一起，孔的内壁较光滑。经分析，该处气孔极有可能是由于以下原因引起：
（1）金属型浇铸系统设计不良,浇口杯尺寸过大，金属液浇铸时产生涡流，卷入大量气体。
（2）该部位壳芯在高温金属液的作用下形成的气体。
（3）金属液中吸入或反应产生的气体。
若这几种气体分子在此处受到阻碍而不能顺利从冒口或分型面逸出，继续留在合金液里，在高温下形成较大气泡，留存于铸件中。待铸件凝固后，便由于体积差而在铸件上形成内壁光滑的球状气孔。
通过对铸件结构和模具结构进行分析，由于铸件上部有细颈，气体难以由底部向冒口逸出。又由于受模具结构限制，在此位置开设排气槽更难实现，故只有从这几方面采取措施：
（1）调整铸件浇铸工艺，将原来的水平浇铸改为倾转30°浇铸，见图9所示。倾转浇铸有利于合金液由低向高平稳地充满型腔，不会产生紊流，尽量少地卷入气体，并有利于铸件内气体向上缓慢逸出。具体操作方法是，将合金液平稳的铸入浇杯内，待合金液上升到铸件高度的2/3时，再将模具放平。再从冒口补浇合金液，翻转速度不宜过快，系统压力控制在6～8MPa较好。
（2）壳芯烘烤制度由原来220℃烘烤1.5h，提高到240℃烘烤2.0h。减少壳芯水分和发气量。
（3）将原材料尽量烘干、烘透，吹砂并保持清洁，所有的熔炼工具严格喷涂料和预热，尽量缩短合金液的熔炼和浇铸时间，减少合金液吸气量。控制好精炼温度，因精炼过程中，合金液的温度会升高，从而使合金液氧化、吸气严重，最好在700℃～710℃加C2Cl6进行精炼。
采取以上措施并通过生产验证后，气孔缺陷得到解决。
2.2疏松缺陷及措施
由于该铸件外形及型腔结构复杂，厚薄突变较多，铸件壁厚悬殊较大，补缩通道不畅，顶部明冒口补缩能力不足，在铸件两处厚、薄壁相交部位经常出现疏松缺陷。
第一处疏松见图10所示（圆圈内）的两厚大肩膀和细小薄壁颈部交接处。
第二处疏松见图11所示（圆圈内）的底部厚大安装边与上部薄壁交接处。图12为该处疏松缺陷在X光底片上的显示。
经分析，该铸件在第一处产生疏松的可能原因是：
（1）浇冒口的设置未能达到充分补缩作用，大圆盘以下的细颈部位较薄，先行凝固，阻碍了合金液的下行补缩，造成该处疏松。
（2）模具准备时，该处的涂料厚度没有控制好，比下部还薄，没有严格遵守下薄上厚、铸件壁厚处薄、壁薄处厚的喷涂原则，未能达到自下而上的顺序凝固要求。故铸件上部先冷，阻碍了上部冒口对铸件下部的补缩，造成该处疏松。
该铸件在第二处产生疏松的主要原因是：
（1）由于该铸件结构和所使用材料的特点，不宜采用顶铸式，只宜用底铸式，不利于合金液自下而上实现顺序凝固，故在底部较厚大的部位没有先冷却，最后又得不到上部合金液的补缩，形成疏松甚至缩孔；
（2）浇注温度过高，下部接近浇口部位的厚大部位冷却较慢，铸件上部先冷却后，下部厚大部位得不到补缩，造成疏松。
经分析后，采取了如下的解决措施。
对第一处疏松采取的措施：
（1）在如图13所示（圆圈内）两厚大肩膀和细小薄壁颈部交接处增加暗冒口，对该处进行补缩。
（2）将铸件从肩膀处至明冒口处的涂料依次加厚，提高模具上部的保温性能，实现由下到上的顺序凝固，增加冒口对细小薄壁颈部和肩膀的补缩效果。有实验表明：涂料层厚度对铸件的凝固速度影响很大，涂料层厚度从0增加至1mm，铸件在金属型中完全凝固的时间延长了6倍左右。通过多次试验后，肩膀处涂料厚度控制在0.2～0.3mm、细颈部位控制在0.4～0.5mm时，效果明显。
（3）将冒口周围挖槽填满保温石棉纤维，确保细颈部到明冒口部位最后冷却，始终保持对肩膀疏松部位补缩通道的通畅。
对第二处疏松采取的措施如下：
（1）在铸件较厚下部的壳芯上、铸型上安放冷铁，见图14、图15所示部位（圆圈内）。人为控制浇铸过程中铸件下部先于上部冷却，及时得到上部合金液的补缩。以控制铸件整体的凝固方向符合自下而上的顺序凝固原则，让铸件下部如图16所示（圆圈内）的厚大处先冷却。
（2）控制浇铸温度在720℃～730℃之间，浇铸到合金液上升高度接近冒口高度1/3时，须从冒口处补浇，让接近浇口的部位得到较快的冷却。
通过采取以上措施后，疏松缺陷得到有效解决。
2.3夹渣缺陷
生产过程中，在铸件如图17所示的部位（圆圈内）经常出现夹渣缺陷，在X光底片上的显示如图18所示。
经分析，由于该处为铸件上突出的一个垂直于高度方向的小凸台，在模具型腔里形成一个死角部位。合金液充填该死角部位的过程中，如果将氧化夹渣、杂质等带入后，夹渣、杂质就被挡在里面，很难浮在合金液面上随合金液一起上浮至冒口处，就在该死角处形成夹渣，在X光底片上显示为孔洞，这就是所谓的渣孔。
根据缺陷产生的原因，采取的解决措施如下：
（1）改进浇铸系统，在铸件内浇口处设置集渣包，并在集渣包底部安放过滤网进行挡渣，避免氧化夹渣以及其他杂质通过合金液带入模具型腔内，改进后的浇注系统见图19所示。
（2）采用倾转浇铸法（如图9所示），让杂质、夹渣等缓慢上浮到合金液面上，并随合金液上升浮到冒口上。倾转速度不宜过快，否则，这些杂质、夹渣将来不及上浮就被合金液凝固包围，留在铸件内。液压系统的压力控制在6～8MPa为宜。
（3）严格执行合金液精炼工艺，最好在700℃～710℃加C2Cl6进行精炼，因为，精炼过程中，合金液的温度会升高。从而使合金液氧化、吸气严重，增加气孔、氧化夹渣等。
（4）保持熔炉周围清洁，熔化时不允许经常翻搅铝合金液，以免增加合金液的氧化。
（5）浇铸前应除净合金液表面的熔渣。
（6）浇铸后剩余的合金液不允许倒回坩埚内，以免带入气体和氧化皮，浇勺上残留的氧化皮应清理干净。
通过采取以上的措施后，夹渣缺陷得到了解决。
3效果
通过对该壳体铸件的铸造工艺、模具结构进行改进后，其冶金合格率从10%提高到了60%以上。将倾转浇注的工艺方法推广应用到类似结构的其他铝合金铸件上，解决了其他铝合金铸件的气孔和夹渣等问题，节约了生产成本，提高了经济效益。
参考文献
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（本文曾刊登于我刊第5期）
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