康红岩 王凯锋
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江 哈尔滨 150066
摘要：镁合金是一种封闭型腔和复杂结构，其在低压铸造环节极易产生氧化烧坏情况，本文分析了一种航天领域镁合金机匣构件的低压铸造方式方法，并分析了燃烧情况。经防燃测试，得知砂型和砂芯于金属液充型与凝固环节发气量很大，这些气体没有彻底排出通道时会造成铸件出现燃烧。采用提升型腔排水水平和增添砂型、砂芯的透气性等方法，有效处理了逐渐燃烧情况。
关键词：镁合金；铸件；低压铸造；防燃措施
现阶段，航空铸件正向着轻量化、集成化趋势发展，铸件构造日益复杂，镁合金由其密度小、比强度大，在航空航天以及汽车等行业得到了广泛使用，而低压铸造可得到充型完整、框架清晰、力学性能良好的构件，在国防领域也得到了广泛应用，故镁合金低压铸造已变成航空发展领域一种核心技术。
1、工艺技术分析
制造一种镁合金机匣构件，结构见图1所示，构件材料型号是ZM6，轮廓尺寸是900×760×230毫米，主体壁厚9毫米，最小壁厚是5毫米。
图2 镁合金低压铸造产品结构
2燃烧现象与初期测试
2.1燃烧现象介绍
该部件在研究早期常常会出现燃烧情况，燃烧率为75%，燃烧频率很高，燃烧都出现在充型环节结束后的凝固保压过程，而且产生燃烧现象时具有如下几点特征：
燃烧基本上产生在凝固保压初期阶段120-480秒，燃烧出现时压力罐中坩埚合金液温度会急剧提高，而且，在低压控制结构内的压力跟踪曲线上将产生2-3MPa的压力值变化，2-5秒后铸型周边产生显著燃点。
在凝结保压480秒之后发生燃烧现象时，将在铸型周边突然产生明显烟气，之后整个铸型产生严重燃烧，严重时，整个铸件会由于燃烧出现较大的抬箱力，出现剧烈爆炸声音。
2.2研制早期采用的措施
该构件在凝固保压早期环节燃烧的次数很多，在生产阶段通常把下压力罐中的坩埚合金液气温急剧提高作为铸件出现燃烧现象的征兆，由此在逐渐研制早期，主要任务是管理坩埚液面起燃[2]。首先，集中环境、设备和生产环境等要素对下压力罐中起燃部位实现燃烧风险点辨别，并采用多种措施展开工艺测试验证，基本内容有：
检验起源干燥与否，如氩气不纯和含有水分，则会造成坩埚液面变成起燃点，故所采用的气源通过杜瓦罐降压缩后进到干燥设备内，保存于储气罐内，储气罐内的氩气经冷干机后才用作起源气体进行应用。对氩气纯度加以检查，氩气纯度是99%之上，而且定期开启储气罐上排水开关进行检测，排水开关并没有液体外流，所以确定氩气满足应用需要。
在升液环节，随着坩埚液面降低，在升液管壁和坩埚壁剩余的镁液变成起燃点，由此，在坩埚顶部设计了溶剂存放槽，槽中设计了若干个Ф8毫米的小孔，可确保溶剂慢慢覆盖液面，以确保在浇筑阶段对液面实现覆盖保护（图3），但使用该方式依旧没有防治坩埚中液面起燃。
图3 溶剂搁置槽
（3）为提升保护性气体的作用，在坩埚顶部设置了坩埚气体保护盖，该保护盖上设计了保护性气体通入管道，可以让保护性气体均匀全面的覆盖于镁合金液顶部和升液管外壁四周，在低压铸造环节利用坩埚气体保护杆，可是铸造环节依旧出现了燃烧问题。
3燃烧原因和处理方法
3.1燃烧原因介绍
通过多种工艺测试，排除了下压力罐中先出现燃烧的可能性，于坩埚中液面受到溶剂和六氟化硫与二氧化碳气体双重保护的条件下，依旧产生燃烧问题，肯定液面出现了剧烈搅动。在升液环节、充型环节平稳的基础上，只有当顶部铸型内出现燃烧时，铸型中镁溶液才会经升液管进入坩埚中，导致液面翻滚出现燃烧，则是什么原因导致顶部铸型中镁合金液出现燃烧现象？
在低压充型阶段，合金液是在型芯中的保护性环境下平稳充型，氧化燃烧问题很小，但砂芯被周边镁液围住，在充型环节受镁液长期冲刷。虽然型芯已经过烘烤，砂芯于高温镁合金的影响下，因水分蒸发和有机物的挥发、降解与燃烧，在浇筑后极短时间里会出现大量气体[3]。型腔中的保护性环境不能控制聚集的可燃性气体和熔融态的镁合金液出现反应，导致顶部铸型中镁液燃烧。随着镁液燃烧面积的不断扩散，造成型内压力上升，升液管中镁液顶部压力超过坩埚液面压力，造成型腔中镁液与气体回流，燃烧形成的大量气体将经过升液管损坏坩埚液面，从而导致坩埚液面燃烧。
3.2燃烧现象的处理
（1）把砂型的粘结物质由pepset树脂替换成高温强度良好的呋喃树脂，把砂型回温气温从200℃上升到290℃，经较高的回温气温，降低砂型内的残留树脂浓度，而且减少型芯在大气内的停留时间，避免砂型外表吸潮。
（2）设置了专门的金属排气板，安放于冒口砂型顶部，这个排气板设计了密布的凹槽用来排气，在确保型腔镁合金液密封的基础上，连通内部型腔和外界环境，有助于型芯中的气体迅速、彻底排出。
（3）在砂型套箱周边均匀打Ф12毫米的通孔，距离构件型面和浇道大概40毫米，形成均匀分布的排气口，砂型周边的排气孔不仅可以在砂型回温过程提升回温效果，降低残留树脂量，还有助于镁合金液充型和结晶环节铸型中气体的排出。
（4）把镁合金液包裹的砂芯内部构造加以改造，把原本的实心结构改成中空结构，把砂芯内部通过排气管道连接至外界环境中。
采取上述方法后开始该镁合金机匣制造，投产20余溶批，没有再出现因排气问题而产生铸件燃烧现象，燃烧率管控到了5%之内，有效处理了铸件燃烧现象，确保了科研生产工作的正常开展。
结论
通过文章的研究测试，有效处理了复杂镁合金构件低压铸造燃烧现象，并获得如下结论：
镁合金构件低压铸造的燃烧点一般出现在上部型腔中。
镁合金构件燃烧是因砂型和砂芯的发气量多、排气性差所造成的。
降低型芯的发气量、增加铸型的透气性和创建砂芯和型腔排气通道，有利于处理铸件燃烧现象。
参考文献：
[1]刘富初，姜鹏，黄映，李广，何家庆，蒋文明，刘鑫旺，樊自田.复杂镁合金铸件的水溶性砂芯材料及高效清理技术研究[J].铸造，2016，65（12）：1178-1184.
[2]韩国民，韩志强，霍亮，段军鹏，朱训明，柳百成.考虑固溶及时效处理的镁合金铸件微观组织模拟及力学性能预测[J].金属学报，2012，48（03）：363-370.
论文作者:康红岩,王凯锋
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/26
标签：镁合金论文; 坩埚论文; 砂型论文; 铸型论文; 铸件论文; 气体论文; 低压论文; 《防护工程》2018年第13期论文;