精铸管件的技术探究

2019-09-27 10:46 来源：钢铁世界网作者：dengys

1 ．熔模铸造工艺流程图1为熔模铸造工艺流程图。从流程图上分析，精铸件质量受到多个环节的制约，一旦其中某一环节失控，那么将导致以后的所有工序失去意义。因此，作为工程技术人员，斟酌和协调工艺设计、压型设计、模料配制、涂料配制、配制硬化剂、焙烧、熔炼、浇注等所有环节，将对铸件质量起着至关重要的作用。1．2 熔模铸造的特点铸件尺寸精度高、表面粗糙度值细。熔模铸件尺寸精度可达4～6级，表面粗糙度可达Ra0．4～3．2um，可以最大限度地减小铸件的切削加工余量，甚至可实现无余量铸造。可铸造复杂的铸件。熔模铸造能铸出形状十分复杂，并难以用其它方法加工的铸件，如叶轮、空心叶片等，给零件结构设计很大的自由度；也能铸造出壁厚为0．5mm，最小孔径为 lmn'l以下，铸件轮廓尺寸小到几毫米、大到上千毫米，重量轻到1g、最重接近1000Kg的铸件。还可以将原来由许多零件组合、焊接的部件进行整体铸造。总之，熔模铸造能最大限度地提高毛坯与零件之间的相似程度，铸件尺寸精度高和表面粗糙度值因而可减少机械加余量、甚至无余量铸造和降低生产成本。合金材料不受限制。各种合金材料，如碳素结构钢、不锈钢、合金钢、铸铁、铝合金和铜合金等，包括难以锻造、焊接和切削加工的合金材料，都特别适宜熔模铸造。生产灵活性高、适应性强。熔模铸造的工装模具可采用多种材料和工艺方法制造，使它既适用于大批量、小批量生产，也可单件生产。大批量生产采用金属压型，小批量生产可采用易熔合金压型等，而样品研制可采用快速原型蜡模。熔模铸造的不足在于工艺流程繁琐(见图1)，生产周期长，尺寸不能过大和铸件冷却速度慢。所以，熔模铸造(又称失蜡铸造)是一种近净成形而又具有发展前景的、几乎应用于所有工业部门的先进工艺。随着我国工业，尤其是航空、航天、汽车等行业的高速发展，对管件的需求有了新的发展趋势：向薄壁型、大型化、复杂化、整体化、轻量化方向发展；因此，对新技术、新工艺的探索也摆在了工程人员的面前。如我公司二分部的自揽(军品)精铸管件——摇臂(图号：Z8—5210—14／154)。熔模铸造工艺流程

2 铸件的结构分析及存在的问题图2为Ⅱ类中型管状精铸重要结构件。轮廓尺寸为300xl5Ox3Omm，壁厚1．5mm，局部约14mm，铸件内外有多个凸台、凹槽，尺寸精度为CT5，100％磁粉、局部x探伤检查，其结构工艺性差(压蜡模具由客户提供)。2．1 铸件壁薄且长虽然熔模铸造因型壳内表面光洁、干燥，并且一般为热型壳浇注而允许壁厚设计较薄，但是该铸件最薄处为1．5mrn／单边，并且长达300mm，使得充型困难；同时由于壁厚无过渡设计，造成整体凝固(即糊状凝固)，不利于浇注补缩系统对铸件进行补缩，给促成理想的定向凝固或同时凝固带来了难度。2．2 结构复杂从图3上看，该管铸件内部侧凹多，即芯子数量多，抽芯难度大；并且孔的深度长为275mm，也加大了抽芯难度和涂料制壳时倒料撒砂的难度，并且易产生内壁鼓瘪等铸造缺陷。2．3 内经小且深度深内径最大处为 25ram，最小处为 6．5mm，虽为通孔，但是深度在15～275mm之间，给抽芯和涂料、制壳(倒料撒砂)造成困难，易产生内壁鼓瘪铸造缺陷；而且由于内径的涂料、撒砂层数减少，致使模壳强度降低而导致壳变；同时在制模过程中，由于模料挤压作用，而导致尿素芯子偏离，即产生蜡模壁厚不均而报废。2．4 壁的连接过急管壁的连接处无过渡设计，即壁厚突然加厚(由1．5mm／单边越到14mm／单边)，导致铸件各部分的冷却速度不同，致使铸件各部分的温度不同，抗形变能力也就不同，热节部位将产生集中变形。总之，铸件各部分的连接越不平缓，铸件的温度分部就越不均匀，热节集中变形就越严重，产生热裂的可能性就越大。综上所述，此精铸管件存在的主要问题有：欠浇、缩孔(松)、壁厚超差、壳变、气孔等铸造缺陷(见图4、图5)。

3 原因分析3．1 欠浇液态金属的充型能力(液态金属充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的能力，称为液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力)，首先取决于金属本身的流动能力即金属的流动性；同时又受到外界条件：铸型性质、铸件结构、浇注条件等因素的影响。而液态金属的流动性与金属成分、温度、杂质含量及其物理性质有关，并且液态金属的流动性对气体、杂质的排出以及补缩、防裂等有很大影响。预热铸型能够减少液态金属与铸型的温差，从而提高金属的充型能力；当然浇注温度对液态金属的充型能力有决定性的影响，浇注温度越高，充型能力就越好，但是不利于晶粒的细化；在相同条件下，提高充型压头有利于提高充型能力。铸件的折算厚度(铸件体积与散热表面积之比)和复杂程度也影响充型能力。该管件壁薄且较长(也就是折算厚度小)，是造成铸件浇不满的主要原因。壁薄，加之热量散失较快，直接导致浇注通道在液态金属凝固的过程中过早封闭，从而阻碍液态金属的流动，造成铸件浇不满，同时也阻碍了液态金属的补缩，造成铸件缩孔(松)。3 2 缩孔(松)铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞，容积大而集中的孔洞，称为集中缩孔或简称缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。孔洞体积为：V=VL[avL(tL—ts)+￡vs—avs(ts—tF)／2]V——缩孔容积；V。 ——薄壳在t 时包围的液态金属体积近似等于型腔内的液态金属体积；aVL——金属的液体收缩系数；￡ ——金属液的凝固体收缩系数；avs——金属的固态体收缩系数；t． ——金属液的平均温度ts——凝固温度t ——凝固后某一温度铸件中产生缩孔的基本原因，是合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值，产生缩孔的基本条件是铸件由表及里逐层凝固，在最后凝固位置形成缩孔。铸件中产生缩松的基本原因和产生缩孔一样，是合金的结晶温度范围宽，趋向于体积凝固，或者铸件断面的温度梯度小，凝固区域宽，及糊状凝固，因此铸件的凝固区域越宽，就越易形成缩松，一般在厚大部位的中央位置。缩松和缩孔的转化规律对于一定的合金，缩松和缩孔的数量可相互转化，但总容积基本上是一致的，即V缩总=V缩橙+V缩孔提高浇注温度，合金的液态体收缩增加，缩孔容积增加，但对缩松的容积影响不大；铸型的激冷能力加强，铸件的凝固区域变笮。缩松减少，缩孔容积相应增大，缩孔的总容积不变或有所减少；在凝固过程中增加补缩压力，可减少缩松而增加缩孔。3 裂纹裂纹分为热裂纹和冷裂纹。3．3．1 热裂纹目前国内热裂纹的形成机制有液膜理论和强度理论，并且是在凝固温度范围内邻近固相线形成的，即合金处于热脆区。热裂纹形成的主要条件是：合金处于热脆区的断裂应变8和铸件因收缩受阻碍产生的应变￡，当￡>8时，发生热裂纹。研究表明，合金在热脆区的断裂应变8远大于合金在该温度的自由收缩率，因此，即使铸件受到刚性阻碍，如果铸件均匀变形，也不会产生热裂纹。但在实际生产中，由于铸件结构特点或其他因素导致铸件各部分的冷却速度不一致，致使铸件各部分的温度不同，抗变形能也就不同，热节部位将产生集中变形；铸件的温度分布越不均匀，热节集中变形越严重，产生热裂纹的可能性越大。合金的热脆区越大，铸件在此温度范围内的收缩越大，形成热裂纹的趋向性就越大。因此，凡是扩大热脆区的元素含量都要降低。3．3．2 冷裂纹铸件在凝固和以后的冷却过程中所产生的热应力、相变应力和机械阻碍应力的总和大于金属在该温度下的断裂强度，即产生冷裂。因此，冷裂纹产生在逐渐冷却过程中承受拉应力的部位，尤其是在应力集中的部位。从图3的结构来分析，铸件在凝固过程中，势必受到型壳的阻碍。所以，型壳的退让性将直接影响铸件裂纹的产生。3．4 气孔气孔是铸型或金属液中的气体在金属液中形成的气泡、未能浮出而留在铸件内的一种铸造缺陷。气体在合金液中的溶解过程包括吸附、离解和扩散三个过程，而影响气体在合金液中的溶解度的因素有：气体在合金液表面上的分解压、温度和合金成分。在一定的温度下，气体在合金中的溶解度与该气在合金液表面上的平衡分解压的平方根成正比，即[HJ =K：Ic PH2[H]——溶解平衡时，氢在合金中的溶解度PH ——氢在合金液面上的分压力由于气体在绝大多数合金中的溶解过程是吸热反应，因而气体在合金液中的溶解度随温度升高而增大。3．5 管壁超差主要原因是在制模过程中，尿素芯子受到模料挤压作用，使得尿素芯子偏离轴心，导致蜡模壁厚超差。

4 实施4．1 欠浇4．1．1 金属方面首先，在不影响铸件使用性能的前提下，根据铸件的大小、厚薄和铸型性质等因素，将合金成分调整到实际共晶成分附近，或选用结晶温度范围小的合金；同时对某些合金进行变质处理使晶粒细化。其次，选择合理的熔炼工艺，去除原料上的锈蚀、油污，烘干熔剂；在熔炼中尽量使金属液不接触或少接触有害气体；对某些合金要充分脱氧或精炼出气，减少其中的非金属杂质和气体，少使用回炉料(多次熔炼的铸铁或废钢含较多的气体)。第三，在脱氧时，要先加入锰铁后加入硅铁，以形成易排出的低熔点的硅酸盐，钢液流动就好；如先加人硅铁后加人锰铁，则会形成不易排出的大量细小的尖角形Si02，钢液流动性就差。4．1．2 铸型方面减小铸型的储热系数，预热铸型和通过降低铸型的含水量、发气物质的含量，以及提高铸型的透气性或在远离浇注端或最高部位设出气孔。4．1．3 浇注方面首先，设计合理浇注系统(图略)，对于薄壁铸件，应正确选择浇注位置，增大折算厚度，促使铸件定向凝固。其次，适当提高浇注温度，对于壁薄铸件或流动性差的合金，提高浇注温度可改善充型能力；但是，随着浇注温度的提高，铸件一次结晶组织粗大(铸件的晶体组织主要是在凝固过程中形成的，

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