V法铸造生产超高压开关承压铝合金罐体的方法

摘要

本发明公开了一种V法铸造生产超高压开关承压铝合金罐体的方法，包括以下步骤：制做模型、薄膜加热、薄膜成型(吸膜)、喷涂料、放砂箱、加砂震实、覆背膜、起膜、下芯、合箱、浇注、脱箱落砂。工艺改进后用中频感应炉熔化+坩埚保温炉变质精炼。在中频感应炉熔化时补加稀土等微量元素，采用了不搅拌熔化和精炼新技术，减少合金液中的氧化夹杂物的含量。在坩埚保温炉变质精炼处理使铝液纯净度和成分精度较高，使用洁净的铝合金液就能增大获得了合格耐压罐体铸件的机率。

说明书

技术领域

本发明属于铝合金罐体铸造技术领域，具体涉及一种V法铸造生产超高压开关承压铝合金罐体的方法。

背景技术

超高压开关承压铝合金罐体是高压输变电装备关键部件，耐压铝合金罐体铸件整体品质要求高。由于高压输变电器设备要求15年不检修，故技术规定要对铸件逐件进行水压、气压强度试验和SF6气密性检漏试验。该种零件材质为铝合金ZL101A-T6。壁厚在10-14mm之间，体积为1800×1500×800之间。属于大型薄壁件。工作时里面充满SF6气体。故其外在内在组织不允许有缺陷，尤其法兰密封面连小于φ0.1mm的针孔都不允许存在。耐压铝合金罐体由于其体积大，只能用焊接和铸造两种工艺生产，而焊接件的耐压、密封和外观都比不上铸造件。

可以生产铸造铝合金耐压罐体的技术有：传统的粘土砂造型，近期的树脂砂造型。和V法造型。目前，由于铸造铝合金耐压罐体的技术不过关，所以超高压耐压壳体部分采用焊接件。而能生产铝合金耐压罐体的企业，采用的是粘土砂造型，和树脂砂造型。产品质量不高，成品率低。价格偏高。满足不了耐压罐体技术要求和环境需要。特别是国内几大高压开关厂每年约需要铸造铝合金耐压罐体百万套以上。传统的技术显然满足不了需要，当务之急是找到一种能生产铸造铝合金耐压罐体的方法。

V法铸造是真空密封造型或负压造型铸造工艺的简称，其原理是利用塑料薄膜覆模造型并密封砂箱，依靠真空泵抽出型内空气，造成型内箱外压力差，使干砂紧实，形成所需型腔。V法铸造的最大优势是型砂不使用粘结剂，落砂简便，使造型材料的耗量降到最低限度，减少废砂，改善了劳动条件。其干砂回用率高达95％以上，而且铸件表面品质和尺寸精度大大提高，降低了铸件的生产能耗，是一种绿色环保铸造工艺。目前，V法铸造主要用于铸钢和铸铁等大、中型零件。V法铸造生产铝合金铸件的难点是塑料薄膜燃烧和树脂砂芯产生的气体使铸件有气孔、渣孔和针孔等铸造缺陷。V法铸造生产铸钢和铸铁零件，由于其熔炼温度高，其气体能快速蒸发，所以不会产生上述缺陷。而铝合金零件由于熔点低，故容易产生上述缺陷。有上述缺陷的铸件，可以做一般的结构件用。但远远达不到超高压开关承压铝合金罐体的要求。耐压罐体铸件轮廓尺寸较大，型腔壁厚和法兰壁厚差异较大，易产生缩裂、缩松造成气密性差，罐体处存在圆弧面弥散性针孔和大片网状气缩缺陷。如何解决缺陷，尚待进一步研究。铸造生产超高压开关承压铝合金罐体的合适工艺方法还没有成功案例。

发明内容

本发明提供一种V法铸造生产超高压开关承压铝合金罐体的方法，本发明主要解决的关键问题：如何将V法造型用于超高压开关承压铝合金罐体的铸造，关键问题是铝合金罐体的质量满足超高压技术和环境要求及成品率低等问题，也就是超高压开关承压铝合金罐体V法铸造工艺的研究。

一种V法铸造生产超高压开关承压铝合金罐体的方法，包括以下步骤：

a).制做模型：它包括制作带有抽气箱和抽气孔的真空箱，具有零件外形并带有抽气孔的模型，具有零件内形带有抽气孔的芯盒，工作时将模型与真空箱固定在一起后，放置在震动台上，在罐体的法兰密封面位置和厚大位置放置铸铁冷铁，目的是激冷并防止针孔产生，冷铁的工作面留排气槽并刷桐油挂砂烘干后使用；冷铁要放在薄膜内，以防止薄膜产生的气体直接进入法兰密封面；

b).薄膜加热：将EVA薄膜放置在烤模架上快速加热，加热温度100℃～150℃，使EVA膜出现镜面下垂即可，在使用冷铁时要确保薄膜在足够的温度下均匀加热；

c).薄膜成型(吸膜)：将烘烤呈塑性状态的塑料薄膜覆盖在具有零件外形并带有抽气孔的模型上，此时真空箱处于抽真空状态，真空泵抽气使薄膜密贴在型板上成型，覆膜则要动作迅速，让薄膜尽可能地覆到模具上，这样在薄膜冷却前就可以得到充分变形，再将冒口和出气口用胶带纸固定在模型上；

d).喷涂料：将涂料均匀的喷吐在塑料薄膜上，涂料厚度为0.5mm左右，用加热器将涂料烘干，确保涂料对薄膜有良好的粘着力；

f).放砂箱：V法造型的砂箱除四壁要密封外，砂箱内部必须装设抽气、过滤装置，砂箱结构采用钢板焊接；

g).加砂震实：向砂箱内充填没有粘结剂与附加物的干型砂，开启震动台，借微震使砂紧后刮去多余沙子，使沙子与砂箱平；

h).覆背膜：放上密封薄膜、打开砂箱阀门抽去型砂内空气，使铸型内外存在压力差(约300～400mmHg)；

i).起膜：关闭真空箱内的真空，然后在起模斜度为1°的基础上进行起模，起模后薄膜与干砂形成了零件型腔，铸型要继续抽真空直到浇注的铸件凝固为止；

j).下芯：将下模型腔翻转180度，把制好的树脂砂内芯放置在下模型腔内；

k).合箱：将上模型腔与下模型腔合在一起，并紧固；

l)浇注：在保证浇注温度700-720℃的前提下，将熔炼好的铝液用坩埚直接吊入可倾转吊包进行浇注；浇注时铝液倒入浇口盆内，待浇口盆内铝液达到2/3时拔去浇口塞，让铝液平稳流入浇注系统和型腔，浇注速度7～10kg/s，当看到冒口内铝液上升到其三分之二的高度时，还应在各冒口内补注高温铝水；

m).脱箱落砂，待金属凝固后，停止对铸型抽真空，型内压力接近大气压时，铸型就自行溃散，然后吊出零件。

V法铸造中四个主要气体的来源：1)型腔内的空气；2)薄膜蒸发产生的气体；3)芯子产生的气体；4)金属液中的气体。在V法铸造中四个主要气体的来源型应采取不同的方法来解决，型腔内的气体可以从出气冒口和冒口排出，一般大小应为直浇道连接区域的2～3倍，这样气体就能从一个比较容易的路径逸出，改变出气孔的位置，应被安置在距型腔最高处有一定距离的地方。薄膜蒸发产生的气体、芯子产生的气体，因为真空能把所产生的气体抽走。金属液中的气体问题，可以通过正确的熔炼和浇注进行解决。

中频感应炉熔化+坩埚保温炉变质精炼的双联熔炼方法，铝液的浇注温度700-720℃，提高铝合金液质量问题倍受人们所关注，为提高熔体质量净化铝液，应尽量减少铝液吸氢量和夹杂物。一般说，决定铸件质量最重要的因素是铝液的质量，即使后续的铸造各个环节多么出色，铝液质量若不好，就不能有好的铸件。影响铝液质量的主要因素是：主成分、微量成分、含气量、夹杂物、温度。要提高铝液质量首先要从原材料抓起，在熔化和铝液处理、浇注、炉前检查、全过程中加强管理，来保证工艺的有效实施。

工艺改进后用中频感应炉熔化+坩埚保温炉变质精炼。在中频感应炉熔化时补加稀土等微量元素，采用了不搅拌熔化和精炼新技术，减少合金液中的氧化夹杂物的含量。在坩埚保温炉变质精炼处理使铝液纯净度和成分精度较高，使用洁净的铝合金液就能增大获得了合格耐压罐体铸件的机率。

通过对V法造型铸造大型铝合金耐压罐体铸件的工艺试验研究，采用中频感应炉熔化+坩埚保温炉变质精炼的双联熔炼方法，缩短了熔炼过程，降低了烧损，节省了能源，降低熔炼总成本，还能显著提高铝合金铸件的力学性能和铸件整体质量水平。采用V法造型加自硬树脂砂芯联合铸造工艺，采用阶梯底注和侧注式浇注系统工艺，减少了铝液二次氧化带来的夹渣，消除了法兰密封面弥散性针孔和大片网状气缩缺陷，解决了因壁厚不均产生缩松造成气密性差的问题，SF6气体一次检漏合格率平均达到92％。用V法铸造工艺生产的铝合金耐压罐体铸件，比砂型铸造工艺提高生产效率2倍并简化了铸造工序，取得了良好的经济效益，为我们今后生产铝合金耐压罐体铸件提供了技术参数和经验积累。在和近期的树脂砂造型和传统的粘土砂造型相比，生产铸件毛坯尺寸精度高，表面质量好，可使铸件清理工作量减少60％以上，并缩短铸件的生产周期。

表1V法与树脂砂型铸造技术指标对比

从表1可以看出，V法浇注的铸件具有五点优点：1)力学性能高，组织致密，即内在质量高；2)表面粗糙度值低，即表面质量好；3)尺寸精确，加工余量小，即金属利用率高，机加工工时少；4)铸型不用粘结剂与附加物，辅消材料用量降低，劳动量和运输量减少；5)水气压一次检漏合格率高。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步地说明：

图1是本发明中浇铸系统的结构示意图。

具体实施方式

结合附图实例对本发明方法做进一步阐述。

所述浇铸系统包括由分型面3将系统分为上模2和下模1，所述上模2内设置胃口4、通气孔5和立筒6；下模内设置内浇道7。生成的耐压罐体的材质为铝合金ZL101A-T6，罐体总体尺寸为1272mm×862mm×720mm，铸件重量：167kg、要求内腔表面粗糙度Ra值不大于6.3μm。设计压力为：0.6Mpa(20℃表压)；耐受压力为：1.2Mpa(20℃表压)；破坏压力为：3Mpa(20℃表压)；例行试验：充以SF6或氦气0.4Mpa(20℃表压)定量检漏，漏气率不大于0.5Pa.cm³/3。

该铸件轮廓尺寸较大，型腔壁厚和法兰壁厚差异较大，易产生缩裂、缩松等缺陷造成气密性差。对该零件，采用了V法造型+自硬树脂砂芯铸造工艺方案。采用中频感应炉熔化+坩埚保温炉变质精炼的双联熔炼方法。用可倾转吊包浇注，铸件落砂后采用抛丸机对铸件内外表面进行清理。

此零件模型、芯盒、真空箱采用木质材料。外模采用V法真空造型。内芯采用V法自硬树脂砂造型。该零件各法兰和厚大面均设置冒口，及通气口。

确定主要工艺参数为：缩尺1.2％，加工余量3-4mm，起模斜度1°，浇注温度700-720℃，浇注速度7-10kg/s。

众所周知铸造是一个系统工程，他还包括浇注系统设计、熔炼工艺、浇注工艺。其中每个环节不合理。都浇注不出合格铸件。

铸造的关键在与浇注系统的设计和铸造工艺的实施。根据该零件特点采用采用阶梯底注和侧注式浇注系统，即采用的二箱造型、底注式浇注加侧注式方案，内浇道从铸件下部的法兰处引入。下层内浇道和立柱的截面积必须与直浇道截面及相应压头有适宜的比例关系。其比例为：内∶横∶直＝1∶1.8∶3。在造型时在下箱分型面处增加陶瓷过滤网对应于网状缺陷处加大侧冒口和增加纤维过滤网。其目的一是补缩，二是引出型腔中的气体。

熔炼工艺：装炉料时加2％铝稀土，浇注前半小时，熔化温度达750℃～770℃，先加晶粒细化剂0.25％，然后加入2％变质剂，取样查气、查彩虹。用可倾转吊包浇注，浇注时间为50-60秒。变质后30分钟内浇完。

采用阶梯底注和侧注式浇注系统的指导思想是：浇注开始时，铝液通过最下层的内浇道引入，随着型腔内液面的上升，当达到分型面时因内浇道截面加大，且下部型腔内铝液温度降低、粘度增大，大部分铝液通过立柱从中层内浇道浇入；型腔内液面继续上升达到最上层内浇道高度时，通过立柱又从该层内浇道注入了温度较高的铝液。这样不但保证了型腔上部及顶部冒口的铝液温度，形成正温度梯度，有利于冒口补缩及型腔中的气、渣的上浮和排出，也避免了底注时全部铝液都通过下型腔，造成不必要的紊流、二次造渣及型腔局部过热，同时还具备了底注时浇注初期的充型平稳性；还有一个好处就是，浇注初始瞬间因流态相对不平稳而卷入的气体可通过立柱排出。开始浇注的瞬间不能让铝液充满立柱，否则就会在该瞬时上、下内浇道同时进铝液，而此时型腔液面还很低，上、下两层内浇道所进铝液因落差较大而造成严重地二次氧化、夹渣及吸气。经过计算我们认为该浇注系统是可行的，并多次试制验证了该铸件铸造工艺，经过水、气压试验一次通过。检查发现此铸件已完全消除了网状气缩缺陷。V法造型工艺中铸件表面的冷却速度要比湿型的快。在浇注时浇注速度较快该铸件的浇注时间为56-60s，如果浇注过慢，很可能在薄膜部分蒸发掉以后还没有熔融金属来替代薄膜的位置，这可能会引起铸型移动(塌型)，因为这样铸型和型腔的压力差就无法继续维持。因为金属液开始凝固时，从金属液凝固时吸入的气体可能会扩大针孔缺陷，通过从铸型上方观察孔观察，发现充型基本平稳。

铸件性能检测

铸件机加工后密封面无铸造缺陷，铸件进行了水压例行破坏性实验SF6气体检漏三项检测合格，结果如表2所示。

表2铸件性能检测结果

  试验项目  实验条件  实验结果  例行水压实验  压力1.72MPa，保  压5min不泄露  一次合格率100％  破坏水压0.60×5  压力≥3.0MPa  在4.8MPa压力下未  破裂  SF6气体检漏  压力0.60MPa，保  压1h不泄露  一次合格率92％  抗拉强度  ≥260MPa  310MPa  伸长率  ≥4％  5％  硬度HB  ≥90  95