熔模精密铸造 冷铁工艺解难题

2016-01-19 134

 

熔模精密铸造 冷铁工艺解难题
 
 
【摘要】采用“铸造冷铁”新工艺解决熔模精密铸造中存在热节的精密铸造件成型困难的技术难题,是一种简单、经济、适用的铸造新工艺方法。特别是在存在较大热节的大型薄壁复杂铸件精密铸造成型中应用此方法,较好地解决了热节处成型困难,易产生缩孔、缩松的质量问题,降低了成本,提高了产品质量。
 
  一、概述 
 
  随着科学技术的发展,我国在铸造领域自主研发了许多先进的铸造成型技术,使铸造业有了飞速的进步。同时,铸件不断地向大型化、薄壁化、整体化发展,对铸件质量也提出了新的更高的要求。例如,对于存在热节的大型薄壁复杂铸件进行熔模精密铸造,由于铸件热节处成形困难,易产生缩孔、缩松的质量问题,因此热节补缩成为熔模铸造中的一个难题。目前,国内外大多都是通过采用复杂的浇注系统及增加浇冒口重量的方法来解决大型精密铸造件热节处成形困难的铸造难题。但是由于其浇注系统庞大,工艺出品率低,制造难度大,造成原材料和能源的极大浪费。为解决这一技术问题,我们通过大量的试验,研究成功对存在较大热节的大型薄壁复杂铸件进行精密铸造成形的新技术。不采用复杂的浇注系统,不增加浇冒口重量,而采用在热节处安放“铸造冷铁”的方法,较好地解决了存在较大热节的大型薄壁复杂铸件熔模精密铸造成形热节补缩问题。
 
  二、技术原理及试制过程
 
  熔模精密铸造又称“失蜡铸造”,这种方法是用熔模材料制成熔模样件并组成模组,表面涂敷多层耐火材料,待干燥固化后,将模组加热并熔出模料,经高温焙烧后浇入金属液既得熔模铸件。熔模精密铸造具有铸件尺寸精度高、表面粗糙度低;能铸造出其他工艺方法难以形成的大型复杂铸件或大型组合件;能铸造形状复杂小孔及薄壁铸件;可以铸造的合金不受限制。正因为熔模精密铸造有以上特点,所以在机械制造、石油化工、航空航天、兵器船舶等行业得到了广泛应用。
  实际生产中,有些铸件由于其形状存在局部的突起、尺寸的突变,形成在铸造时金属液凝固较慢的热节。热节处很容易产生缩孔、疏松、气孔等缺陷。
  在砂型铸造中,常采用安放冷铁的方法来解决热节问题。由于“铸造冷铁”具有高的导热性和蓄热性,并有较强的激冷作用,安放在铸件热节处,使金属液在此处凝固时形成激冷,组织致密,从而有效地防止铸件在热节处产生缩孔、缩松缺陷。
  但是,熔模精密铸造的型壳在浇注前要经过1000℃左右的焙烧,冷铁经高温焙烧后会产生氧化皮。浇注时氧化皮掉入壳模型腔内,会形成钢液夹杂物,严重影响产品质量。若用耐高温不锈钢制作冷铁,浇注后附在铸件上很难加工且不能循环使用,而且还增加了制造成本。因此,传统工艺大多是通过采用复杂的浇注系统及增加浇冒口重量来解决热节处成形困难的铸造难题。由于浇注系统庞大,工艺出品率低,制造难度大,造成原材料和能源的极大浪费且制造相当困难,所以此类零件熔模精密铸造成形受到限制。
  基于此,需要找到一种冷铁,使其既能在高温焙烧时不产生氧化皮,又能在浇铸后容易加工。或者采取某种工艺措施,使普通的冷铁在高温焙烧时不产生氧化皮。
  于是,我们在新工艺研究过程中,为了有效防止冷铁在1100℃左右的高温和长时间焙烧环境下被氧化,并将钢液与冷铁隔离开,防止冷铁与金属液直接接触,避免冷铁在起冷却防缩松作用的同时又产生其他的副作用,经过多次试验,研制了一种“铸造冷铁”专用耐热涂料,将冷铁保护起来,防止冷铁氧化。
  我们还对存在较大热节的大型薄壁复杂铸件的冷铁材质、形状、尺寸、表面处理、嵌入方式等进行了系统的研究,最后终于采用“铸造冷铁”的方法解决了熔模精密铸造铸件热节处缩孔、缩松铸造缺陷问题,研发成功了对存在较大热节的大型薄壁复杂铸件的精密铸造成形新技术。
 
  三、工艺流程
 
  精密铸造成形新技术的工艺过程如下:
  零件图 → 工艺设计 →压型设计(在压型设计时考虑冷铁设置) → 制造压型(压型返修) → 制备蜡料 → 制造蜡模 → 修蜡模 → 蜡模检验 → 制造浇口棒 → 制作冷铁 →冷铁加工 → 冷铁涂料 → 冷铁涂料干燥 → 组焊蜡模(包括冷铁组合) → 涂料配制 → 制造型壳 → 熔失蜡模 → 型壳焙烧 → 熔炼浇注(炉前化验) →  脱壳、清理(冷铁回收)→ 切割浇冒口 → 热处理 → 清理 → 检验 → 入库。
 
  四、关键技术
 
  该工艺技术的关键是在熔模精密铸造铸件热节处安放“铸造冷铁”,并保证冷铁在高温焙烧环境下不被氧化,在浇注时不与金属液接触。
  为了有效防止冷铁在950~1100℃的高温和长时间焙烧环境下不被氧化,同时,将钢液与冷铁隔离开,防止冷铁与钢液直接接触,应注重涂料的质量和涂敷质量。
  我们研制的 “铸造冷铁”专用耐热涂料为水基涂料,其主要性能为:耐热温度为850~1300℃,密度为1.9~2.0g/cm3,外观为水性粘胶液体,涂覆用量为1.0~2.0m2/kg。
  在试用该涂料过程中,采用浸涂的方法,涂层数为1~2层,涂层厚度为0.3~0.8mm,试用结果比较理想,成功地起到了防止冷铁氧化的作用。
 
  五、应用实例及效果
 
  某锥管结构大头的锥壁较薄,壁厚<4mm,并且在其外壁上有沿圆周均布的6个支耳。
 
 
 
  该零件用锻造或切削加工等方法都很难成形,且价格昂贵。采用精密铸造成形工艺,是一个降低生产成本的方案,但存在技术难题。6个支耳是明显的热节部位,存在缩孔、缩松问题。如果采用熔模精密铸造浇冒口补缩的方法来解决,浇注系统将会相当复杂且制造难度大。
  于是我们决定采用在支耳热节处安放冷铁补缩的工艺方法解决上述难题。
  (1)进行工艺对比试验来检查冷铁的使用效果。对铸件上的6个支耳,在其中3个支耳处安放冷铁,其余3个支耳处不安放冷铁。试验结果表明:凡是安放了冷铁的支耳部位,均没有发现缩孔、缩松,而未放冷铁的支耳部位明显存在缩孔,因此在熔模铸造中,用安放冷铁来防止缩孔、缩松缺陷是有效的。
  (2)为防止冷铁在1000℃左右的高温和长时间焙烧环境下氧化产生氧化皮掉入型壳中形成钢液夹杂物,在冷铁表面涂敷耐热涂料,起到了防止冷铁氧化的作用。我们对该工艺方案进行深入研究,并对冷铁的材质、形状、尺寸、表面处理及嵌入方式等进行了改进,较好地解决了铸造锥管6个支耳热节处缩孔、缩松缺陷问题。
  (3)通过精密铸造成形工艺研究,解决了锥管铸造性能较差的技术难题,生产出了合格的锥管铸件,实现了锥管整体精密铸造的批量生产。后来又推广应用于生产同类产品,大大降低这些产品的生产成本,获得了较大的经济效益。
 
  六、几点体会 
 
  (1)该工艺技术保留了传统熔模精密铸造的基本工艺及特点,在熔模铸造件的热节处设置冷铁使充入型壳的金属液在激冷状态下结晶凝固,大大简化了传统熔模铸造的浇注系统,提高了工艺出品率和铸件合格率。该工艺应用于大型薄壁复杂且存在热节铸件熔模精密铸造成形效果很好,在高强度铸造铝合金、铜合金、合金钢、碳钢等相关零件的精密成形中都可得到广泛应用。
  (2)对于大型、薄壁、复杂熔模精密铸造件,为了充型平稳,利于排气和补缩,大多采用底注式或阶梯式浇注系统。由于铸件大、壁薄且较复杂,金属液在充型过程中,温度会下降很多,造成型腔内热量分布不均匀,上下相差太多,上端冒口内的金属液温度最低,使冒口很难对铸件远端进行补缩,特别铸件热节处易产生缩孔、缩松缺陷。有些厂家尽量加大、加高冒口尺寸,以提高冒口的补缩能力,但因铸件大、壁薄且较复杂,补缩效果甚微,反而显著降低工艺出品率,增加了铸造成本,浪费了资源。我们研发的大型薄壁复杂且存在较大热节铸件精密铸造成型新技术,利用在热节处安放“铸造冷铁”,不采用复杂的浇注系统,不需增加浇冒口重量,较好地解决了此类铸件热节处成形困难的铸造难题,大大提高了工艺出品率。这对于提高其铸造质量及综合性能,降低产品成本,提高经济效益,具有十分重要意义。
  (3)采用低碳钢“铸造冷铁”有很强的激冷特征,可使热节处金属液快速凝固。在激冷、重力的共同作用下,金属液的流动性增强,充型速度加快,保证了铸件热节处凝固结晶的形核率,使铸件内部组织细化,可以生产普通熔模精密铸造不能或难以生产的大型、薄壁、复杂的铸件。
  (4)该工艺技术的适用性强,适用于各种合金铸造,特别是大型、薄壁、复杂铸件。且技术改造投资小,操作简单,技术易推广。
  (5)该工艺技术在我公司电力机车高强度铝合金铸件等产品中的应用,现已创造效益687万元。使许多不能用熔模精密铸造成形或成形困难的零件可以顺利进行生产,并大大提高了材料的利用率。
                                             
 
 
 
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