文：潍坊鑫安金具有限公司孙建才、孙汇洋
摘要: 为提高输变电线路金具的极端气候条件下的服役性能, 在不改变现有架空输电线路耐张金具产品结构的条件下, 合理选择高强韧铝合金材料以及研究压铸工艺的优化｡ 首先, 提出采用材料的强塑积来评价输变电金具抗冲击和长期失效的材料稳定性, 以确定材料选择; 其次, 通过有限元模拟铸造成形过程, 优化模具的进料口和溢出口的位置, 避免成形过程中的气体裹挟和输送缺陷, 以提高产品的材料强韧性和零件的抗疲劳失效特性; 然后, 在现有的压铸机上增加真空设备及真空阀辅助系统和模具结构, 实现真空压铸工艺; 最后, 优选采用水基氮化硼环保脱模剂, 解决A356 材料的脱模困难, 提高模具润滑性和表面质量｡ 用新材料和新工艺生产的耐张线夹真空压铸成形零件的抗拉强度不小于250MPa, 延伸率不小于 7%, 为提高现有的架空输电线路金具产品的运行可靠性奠定了基础｡
关键词: 输变电金具; 高强韧性材料; 真空压铸; 成形工艺
随着我国特高压输变电网建设的不断扩展, 线路所跨越的区域越来越多, 线路所处的气象条件亦越来越复杂多变｡ 为提高输变电线路金具在极端气候条件下的服役性能并降低事故发生率, 提高输变电系统的可靠性, 采用高强韧性的铝合金材料和先进的成形工艺技术, 是研发高性能､ 轻量化金具的关键｡
现有的铸造材料韧性较低, 如果压铸工艺控制不佳, 容易造成铸造铝合金金具产品的缺陷｡在高寒地区, 昼夜温差大的线路金具将承受更大的极限温度变化的影响, 这对服役线路金具的力学性能(特别是材料的韧性)提出更高的要求｡ 在导致电力系统突发事故的诸多原因中, 天气原因占非常大的比例｡ 尤其是极端天气的频繁出现, 给电力系统造成了巨大损害, 其中输变电金具的损坏因素中, 金具或金具零部件材料的低温强韧性不足､ 无法抵抗极端天气的变化影响是其中重要的原因｡
采用先进的材料和压铸工艺, 有助于提高对铸造铝合金的质量控制, 降低潜在缺陷的影响｡ 采用零件材料的强塑积来评价材料和成形工艺的适用性, 可以有效指导材料和成形工艺的改善方向｡
1、材料选择与工艺开发
现有的输变电金具多采用低压铸造或者高压铸造产品的零件｡ 在铝合金的精密熔炼过程中, 加入排气､ 出渣工艺, 降低铝合金溶液的气体和夹杂物, 是提高产品质量､ 减少缺陷的必要手段｡ 铝合金高压压铸生产效率高, 尺寸精度高, 是金具行业普遍应用的成形工艺｡ 现有的压铸机多为冷室或热室压铸成形, 其主要缺陷有气孔､ 缩松､ 冷隔和错流｡ 除收缩疏松外, 所有其他缺陷都与进料过程中截留的空气有关｡
图1 所示为典型的耐张线夹在拉力试验中断裂情况, 图2所示为缺陷处的显微组织｡
改进压铸成形工艺的最佳路径, 首先是在原有的压铸机系统上增加真空压设备, 在不改变原有生产线模式的情况下, 提高产品的质量和可靠性;其次是采用铸造成形模拟软件, 经过成形过程仿真, 预测成形过程的流动路径和缺陷, 从而优化成形模具的进料浇口和排气冒口的位置, 降低成形缺陷, 提高零件的抗拉强度和生产率｡
1. 1 产品的材料和成形工艺分析
1. 1. 1 通过有限元模拟优化浇注系统
理论研究方面工作的更加深入(尤其是计算机模拟技术的发展), 使金属填充型腔的流动形态,型腔内金属液体的凝固过程､ 流动压力, 模具的温度梯度､ 变形等方面有很大的理论突破｡ 压铸过程模具热平衡模拟分析技术, 是计算传热学在连续压铸生产过程中的数字化分析手段｡ 铸件凝固过程中, 局部区域由于补缩通道提前凝固, 压力无法传递至铸件热节处, 导致铸件热节处产生凝固收缩缺陷｡ 若铸件热节处加强冷却, 则会避免或减少缩松缺陷｡ 通过模拟计算压铸过程金属液体凝固行为, 以及对铸件与模具之间换热状态的评估, 可以获得铸件在型腔内随时间变化的凝固过程,以及后续铸件､模具的温度状态｡
基于 Flow3D 有限元的铸造成形模拟方法如下:
①过三维 CAD 建模, 生成 TSL 文件模型;
②在Flow3D 软件中导入 STL 模型文件,生成网格模型( 最小网格尺寸为1.00mm,总网格数为);
③设定材料参数(材料A365,合金密度2500kg/m3,质量1.26kg,体积502105.80mm3);
④设定工艺参数(初始温度670℃,凝固时间20s);
⑤进行计算模拟｡通过改变浇口位置和压铸参数反复计算模拟,分析比较不同工艺参数的结果,并据此选择最优化后的浇口位置､数量以及最佳工艺参数进行实际压铸生产试验,以避免铸件缩孔缺陷的产生｡
通过预设多个浇口位置参数,进行浇注系统优化设计验证,在增加1个浇口并对模具进行修改后,进一步的仿真结果证明排气系统路程缩短｡由于模具改动小,该优化可降低模具开发成本｡通过模拟铸造成形发现,现有耐张线夹(NLL⁃3)的材料和铸造工艺存在凝固收缩缺陷(如图3所示),仿真预测的凝固收缩位置与拉力试验的断裂缺陷的位置基本一致(见图1)｡针对这一缺陷,改变主浇口尺寸,改善主浇口的节流特性,从而改变流动填充的各支路的流动速度平衡,尽可能保证铝液在型腔内流动平衡,由此可改善铸件的冷却均匀性,避免缩松缺陷在原位置发生｡
1. 1. 2 铝合金材料及强塑积
材料强度的提高往往伴随着韧性的损失, 一些具有高强度的构件在服役过程中往往并没有体现出较好的疲劳性能, 如何选择材料的最佳强韧性匹配使其在服役过程中具有良好的安全服役性能, 成为工程上的难题｡ 夏比缺口冲击试验作为一种表征材料韧性的方法, 可以揭示金属材料在冲击载荷作用下的力学行为, 以及金属材料的低温脆性等; 但是, 由冲击试验得到的冲击韧性值也只能作为材料的参考值, 并不是材料本身的特性｡
在工程试验中, 用室温拉伸试验可以简便地获得材料的强度与伸长率, 用强塑积(抗拉强度与伸长率的乘积) 作为综合指标, 可以简明地表达材料在特定成形工艺条件下的强韧性｡
选择高强韧性的铝合金材料, 采用先进的成形工艺, 可以解决目前金具强韧性不足的问题｡ 以耐张线夹为例, 其常规的材料为 ZL102, 典型的成分见表1｡ ZL102 铝合金的金属压铸成形后的力学性能为抗拉强度Rm≥145MPa, 伸长率a≥4% , 其强塑积约为580MPa·% ,通过时效热处理后, 其强塑积约为750MPa·% ｡
运用纳米改性技术将碳纳米管弥散分布至铝基体中, 可以显著增强铝基体中的界面, 从而有效阻碍基体晶粒在受力状态下发生移动, 提升铝合金基体的机械强度｡ 现有的纳米改性铝合金材料强度虽然可以达到400MPa以上, 并且延伸率也可达到10% 以上; 但是这种纳米改性铝合金流动性不足, 难以采用常规压铸方式制造较为复杂金具零件, 因此只能采用锻造成形的方式, 原有的设备无法利用, 在大规模多品种金具制造中难以实现｡
架空输变电金具除了具有轻量化､ 高性能､ 低电磁损耗等特性外, 还需要考虑其在特殊地区条件下的抗腐蚀特性｡ 在铸态铝合金中, 随着 Cu 含量增加: 铝合金中 Al2Cu 相数量增加, 晶粒尺寸不断增大, 形貌由点状转为粗网状; 力学性能表现为强度提高但塑性降低,2.5%Cu 含量(质量分数,下同)的铝合金抗拉强度､ 屈服强度达到最高,分别为234.6MPa､173. 6MPa; 自腐蚀电流密度从1.19×10-7A/cm2增加到2.40×10-6A/cm2, 腐蚀速率从1.74μm/a 增大到35.14μm/a, 耐蚀性能大幅度下降｡ 经过 T6 热处理可以显著提升铝合金的强度, 但仍不能改善材料的抗大气腐蚀的性能｡ A356.2 铝合金(成分见表2)的 Cu 含量不大于0.10% , 其 Cu 含量低于ZL102铝合金( 不大于0.30% ), 有助于提高金具的抗大气腐蚀性能｡
对于铝镁合金的成形性和力学性能,还要考虑后期时效处理的效果｡通过对不同Mg含量的合金时效析出进行动力学分析,结果表明: Mg含量较少时, 时效强化效果不明显; 随着Mg含量的提高,时效强化效果逐渐提高｡ 高真空压铸AlSiMgMn合金零件经过T6热处理后, 其抗拉强度和屈服强度提高, 但是Mg含量超过0.42%后增长幅度趋于平缓｡
综合考虑以上因素, 研究拟用 A356 铝合金取代ZL102 铝合金｡ 通过精密熔炼除气排渣, 采用真空压铸成形方法,旨在提高特高压输变电金具材料的强韧性, 在克服裹挟气体和夹杂缺陷后, 可以使成形零件的Rm≥250MPa, 伸长率a≥5% , 强塑积达到1250MPa·% ,具有较为稳定的强韧性｡
1. 2 真空压铸工艺
1. 2. 1 孔隙率对压铸铝合金力学性能的影响
可以通过检测铸造零件的孔隙率, 鉴别其对铝合金力学性能的影响｡试验结果表明,压铸铝合金力学性能与气孔的孔径和孔隙率有关,伸长率随着孔隙率增加而下降｡ 试样中约为1. 3mm 的最大孔径对应于6.4% 的伸长率, 一旦其最大孔径减小到0.3mm 以下, 合金的伸长率就会提高9%~13. 5% ｡ 这表明孔隙率是机械性能变化的决定因素,其中小于0.3mm的孔径对合金的机械性能没有明显的不利影响｡ 压铸合金的伸长率提高归因于晶粒尺寸的细化(压铸合金晶粒尺寸平均值为10μm,而重力铸造铝合金晶粒尺寸平均值为500μm),以及随后晶粒尺寸细化导致的孔径减小和孔隙度均匀分布｡
AlSiMgMn 合金的熔化温度一般为610 ~ 660℃, 在此温度下, 液态铝液中含氢量约为固态的19 ~ 20 倍; 所以, 当铝合金凝固时, 便有大量的氢析出, 并以气泡的形态存在于铝合金压铸件中｡ 如果在铝熔液中减少气体的含量, 则凝固过程中析出气体量就会减少, 产生的气泡也将显著减少｡ 良好的精炼剂可以在660℃左右不断产生均匀气泡, 这些气泡与铝液充分接触, 通过物理吸附作用吸附了铝液中的氢, 并将其带出液面｡
在材料熔炼过程中, 应更加严格控制管理精炼和排气出渣过程, 降低铝合金熔液的含气量｡ 此外, 若压铸过程中液态铝合金裹挟混入了气体, 将会降低铸件的材料密度; 因此, 在上述的精密熔炼除气之后, 还要考虑在压铸工艺过程中防止气体的卷入｡
1. 2. 2 真空压铸工艺和脱模剂
在压铸过程中, 型腔及压室内存在大量的气体, 如果使用普通压铸, 不能完全排除型腔内气体, 气体被包卷至铸件内部, 会引起表面鼓泡, 导致铸件报废｡ 基于此, 开发使用真空压铸工艺,通过优化设计浇注系统, 尽可能保证铝液在型腔内平稳流动, 减少被包卷的气体, 使排气顺畅｡
在现有的 300T 压铸机上, 增加真空设备及真空阀辅助系统, 如图4所示｡ 采用气压为20 ~ 27kPa的真空罐, 当电磁阀1 动作后, 模具的排气端与真空罐联通, 在0.3 ~ 0.5s 内降低模具内的气压接近真空罐压力, 从而保持优良的压铸成形模腔内部条件｡ 初始压铸温度约650℃, 压铸保压时间设置为13s｡ 根据这些铝合金浇注成形模拟计算的参数, 确定充满型腔的终点位置, 设定模具的排气流道, 获得更加合理的压铸模具的进料口与溢流口位置, 从而防止气体的聚集｡ 在工程应用中,1 套真空发生器和真空罐设备可通过管路和控制阀连接多台现有的压铸机, 以提高设备的利用率, 降低成本｡
A356 铝合金的真空压铸过程中, 成形的铝合金零件易于与模具粘连, 造成脱模困难｡ 喷涂脱模剂是压铸生产过程中必不可少的工艺｡ 喷涂可以使模具表面形成隔离层, 防止合金液与模具直接粘附在一起, 有效减少金属液对模具的直接冲刷, 并提高压铸件表面质量, 使铸件表面光滑｡ 但在模具温度高于300℃时进行喷涂, 会使脱模剂完全与模具表面分离, 不能产生隔离层, 而失去了喷涂的作用｡ 试验表明, 模温在100 ~ 150℃ 时, 稀释剂(特别是水溶性稀释剂)能很快挥发掉, 不会增加型腔内气体｡ 为辅助 A356 铝合金压铸件的脱模, 采用新型水基润滑脱模剂, 可使得零件易于脱模, 并减少模具的磨损｡ 环境友好型润滑脱模剂的应用, 不但可改进铸件的表面成形质量, 而且将大大降低出模零件的变形和破损率, 提高批量生产的产品尺寸精度和稳定性｡
2、产品试制与性能检测
按照新材料和新工艺方案, 在 AG⁃IC 精密拉伸试验机上, 以2mm/ min 的拉伸速度, 对成形10h后的 A356 铝合金真空压铸零件NLL⁃3螺栓型耐张线夹铸件的取样试件进行测试｡ 取样位置和尺寸如图 5､ 图6 所示,
拉伸试样的实物照片如图7 所示, 拉伸断裂后的断面照片如图8所示｡
在提高精炼和除气排渣工艺质量控制标准的基础上, 采用真空压铸工艺降低压铸过程中裹挟气体形成孔洞或疏松的风险｡ 同时, 通过优化设计模具结构, 减少设计冗余造成的成形过程中热节处凝固缺陷｡
这些综合改进措施的试验结果证明, 与常规压铸工艺相比, 新工艺的压铸件组织结构有较大的改善, 产品缺陷不良比例由1%降低到0.15% ｡ 由于零件取样空间狭小, 取样厚度略小于标准试样尺寸, 因此测试数据按断面实际尺寸计算, 实际工程应力 应变计算结果见表3｡ 试验测试对应的拉伸曲线如图9所示, 其平均Rm= 249.67MPa, 强塑积为1772MPa·% ,平均断后伸长率A =7.20% ｡
材料的断裂韧性也会随材料表面微裂纹的扩展或内部疏松缺陷的破裂而降低｡ 从现有的线路金具事故统计数据可知, 铸造金具脆性断裂的占比较高｡ 采用高强韧材料和先进的成形工艺, 并提高零件的出模表面质量, 或者辅助以抛丸处理提高表面质量, 可以大大提高表面质量和抗疲劳力学特性,从而提高整个输变电线路工程的可靠性｡
3 、结 论
为提高铸造金具的强韧性, 采用材料的强塑积来评价输变电金具的抗冲击和长期失效的铝合金材料稳定性, 并通过试验合理选择材料和成形工艺提高材料的强塑积, 以及真空压铸模具结构的优化,以增加金具零件的变形吸收能, 提高抗冲击载荷性能, 降低断裂事故的发生率｡
a)工艺试验表明, 真空压铸工艺可以极大减少压铸过程中气体裹挟形成的气孔缺陷, 提高质量可靠性｡ 在极限温度条件下, 零件材料的断裂韧性将随材料表面裂纹扩展而降低, 对铝合金材料进行表面抛丸去除表面缺陷和微裂纹, 可以大大提高抗疲劳可靠性｡
b)试验测试 A356 铝合金真空压铸耐张线夹,结果表明其平均抗拉强度为249.67MPa, 平均断后伸长率为7.20% , 伸长率超过7% , 强塑积为1772MPa·% ,远高于 ZL102 铝合金的典型值750MPa·% ,其强塑性大大提高｡ 如果进一步做 T6 热处理, 其抗拉强度将接近300MPa, 平均伸长率将大于8% ｡
c)采用了更加环保的水基脱模剂, 解决 A356铝合金压铸件的脱模困难, 满足了批量生产的条件｡
