“惠和”杯优秀论文二等奖-几例精铸件的防缩工艺措施

摘要：通过举例论述如补贴、温度梯度、充型等铸造的基本原理在熔模精密铸造中应用，在工艺设计时辅以计算机数值模拟平台，结合材质特性和铸件特征，综合性地调整工艺特性，减少浇（冒）口的用量，以达到较好的经济效益。
关 键 词  凝固方式  蓄热系数   补贴   温度梯度  充型

熔模精密铸造相对其它铸造的区别主要是红壳（1050℃左右）条件下浇注。它带来了良好的充型能力使铸件表面光滑，但给铸件的补缩也带来了诸多的问题，如：采用同时凝固时热节分散和孤立热节的补缩；将缩孔转移到补缩系统后补缩的距离和冒口的增大量的计算【1】等系列的工艺措施，因铸件的结构变化、模壳的厚度及适用的耐火材料不同，目前大多的工艺处理还是凭经验。由于熔模铸件小，一般状况下浇注系统中的内浇口也是冒口，同时还是制壳的支撑点，运用多变的工艺手段，使有限的浇（冒）口的用量综合性的解决问题，而且越少越好是本文论述的要点。

一 、 补贴
所谓补贴是通过向冒口敞开的扩张角，保证冒口和被补缩部位之间存在补缩通道【2】。图一阀座是个应用补贴的一个实例，质量 2.62Kg。由图一和图二所示便知热节区域，如箭头所指位置可设置为鞍马式的浇（冒）口，问题是不便打磨浇口余根的同时，由于位置有限还易出现反缩和制壳时易掉件的情况发生。据此设计的浇注补缩系统是转移，如图三所示一个补贴式浇（冒）口。按补缩距离、模数周界商法计算【2】，综合分析温度梯度分布后设置了如图一的组树方案一串两件。但再经模拟分析仍可见部分区域的

缩松现象，就是说补缩的能力还不够。为此工艺设计时将内浇口的设置高度调低到仅为11mm，补缩距离缩短的同时浇（冒）口区域的型壳厚度也增厚了，即提高了浇（冒）口区域的蓄热系数；制壳时在第第四、第五层，于内浇口附近和横顶注棒整体区域用石墨砂替代莫来砂【3】，用以保温和发热；浇注时模壳从焙烧炉中取去来后，迅速顺模壳的下部位（约孔的一半位）浸于水中使模壳降温【4】约150℃左右，浇注完后在浇口杯口撒冒口保温剂，以保证模壳的上部蓄热最大化，减缓散热速度，以保证浇注系统按照顺序凝固的原则进行。横顶注棒重4 Kg，工艺出品率56.7%。
图三  7904C  高菜盆螺母 质量52g  图四 原内浇口设置可能因为法兰边只有3.25mm厚，受蜡的强度限制，在制壳时不能挑起直径有φ53mm这样一个相对大面积的东西，按热节的需求设两个内浇口。采用四排竖模头组树24件，出品率23.78%，且对浇口的切割、打磨相当困难，变形严重【5】。图五采用仿补贴式内浇口，除补缩作用和加大金属液流入速度外，还有一个重要目的是增加蜡模的强度，以保证在制壳过程中，

不能因为内浇口的入水口太薄，粘浆、撒砂的过程中断裂或产生弹性使模壳层间破裂，导致浇注时“漏钢水”。图五箭头所指转角处的圆角R1mm，易出现缩松，酸洗钝化处理后有“吐酸”现象，后改为倒角1.25mm×45°【6】，彻底解决了这个问题。侧注竖三排直模头，组树60件，工艺出品率46.43%，比原方案提高了近一倍，切割、打磨效率则提高近3倍且几乎没有变形的问题，减掉了矫形这道工序。

二、温度梯度
金属材料的凝固区域宽、窄和凝固形态等因素影响是重要的工艺参数；铸件的结构特征影响也是至关重要的。凝固过程中要实现正向的温度梯度【4】，实质是对冷却速度的调整，对一个铸件而言不同的部位还应有不同的冷却速度，当中它的依据是由铸件的材质特性和特征来决定的。促使温度梯度的变更，应加强对承载体——型壳的变更，不是单纯地浇注系统变更。如制壳用浆粘度、耐火材料等做适当的调整，自然蓄热系数的大

小也就不同了；模壳的焙烧工艺实施有区别的对待，使其接触金属液时有不同的温度，随之冷却速度也就不同了；再加之在浇注成型和冷却的过程中，外部的条件和环境调整，铸件的同时凝固和顺序凝固就能够顺利进行了。
图六  65E8底座  质量 2.8Kg 。图示铸件大体由两个直径Ф105mm的圆柱体组        成，中心距101mm。采用复合式浇注系统，制壳4层+背浆，图示冒口的下部一半位置，在浇注前将红模壳浸水降温，清砂后在两圆柱交汇处出现缩裂，尤以上部更为严重，与计算机数值模拟截面（蓝色区域代表缩松倾向）基本吻合。简单的分析是由于此处的铸件厚度太薄，设置的内浇口太小形成的反缩所致。再进一步的分析其端倪是制壳时由于两圆柱交汇处，涂料浆形成的淤积和浮砂堆积使这个区域的模壳厚度增大，过厚的型壳不易散热使蓄热系数增大，促使温度梯度反向，顺序凝固变成了倒序凝固所致。也就是说设置的补缩系统成了累赘——反缩了，由铸件来补浇注系统。第二次试验时粘浆操作在第三和第四层分别重点关照，有意识的将此尖角部位一是先涂刷硅溶胶，以降低涂料浆的粘度和涂层厚度，上砂完毕后将多余的砂和浆拨掉。因铸件外表面有几处招牌标记字体较细小，为使字面清晰浇注温度设定为1650℃，浸水操作不变，铸件清理后再也看不到缩孔、缩裂和缩松吐酸的问题了。

图八  圆盘阀  要求承压50Mpa试验的耐高压铸件。 质量：4Kg 。从铸件的结构看，中间的圆柱明显偏小，其转角处平面有标记，就结构而言不允许调整。组树一串两件，制壳5层+背浆，第三层后流道部位灌砂，第四层后在中间圆柱和锥形浇（冒）口

处与横顶注棒用浆料将口封住，使之内部形成空隙保温【6】。意在通过箭头所指上部空隙保温，达到延缓内浇口的补缩时间但事实上达不到，铸件加工后出现了如图九所示的的缩孔。面对这种反顺序凝固的现象，认为问题出现在12mm厚的流道上。模壳焙烧一次性升温——保温，再到浇注的这样一个工艺过程。首先说模壳它的内外温度是同等的、一致的，当金属液进入型腔后，阀体12mm厚的流道受金属液的包覆很难散热，既是冷却也是由外到里的缓慢的一层层这样冷却下来的，尽管前所述的实施的温度梯度工艺措施，根本达不到正向的温度梯度方向所需的条件要求。据此作如下调整，一是制壳工艺，铸件流道灌砂后，在第四、第五层分别用炭砂和莫来砂，即浇注系统采用炭砂撒砂，铸件部分采用莫来砂浮砂粘附，这样的型壳是上下有别的；二是改变焙烧工艺，先将模壳烧透后从焙烧炉中取出来自然冷却至室温，浇注前20分钟再将模壳装入烧炉中焙烧，主要只给表面加温——这样模壳温度的分布状况也是内外有别的；三是浇注完后将铸件放入一个桶中，多加点燃烧剂，然后再迅速盖箱保温，在箱内形成一个气压态势的同时使模壳的外壳不易冷却，特别是对浇注系统的保温。通过上述系列措施，使铸件的补缩系统冷却时间迟于了阀体的流道部分时间，正向的温度梯度达到了顺序凝固的条件，自然反缩现象也就没有了。

三、充型
在金属液充型过程中，液—固—气界面张力和平稳充型能力强弱过程【2】，即影响铸件轮廓清晰与否，还影响内在质量，诸如缩孔、缩松和气孔等。
图七  322A/B螺母  材质 SCS13  质量 43g   外径φ40mm，内孔φ23.5mm，高15mm，图七剖面原内浇口设计的方案工艺设计考虑到模具的脱模问题，将内浇口平行设置在端面上，宽度16mm，厚度4.5mm，形成一个径向内浇口。问题出现如箭头所指一圈的位置上，缩松引起的吐酸现象。图八改进后的设计如图所示为轴向缝隙式内浇口，切割处高度8mm，厚度仍是4.5mm，但是打磨量却少了一半，关键是避免了吐酸和制壳时易断裂的问题。由此可以分析的问题是，别看高度只有15mm，壁厚也很薄只

有2.5mm厚，但从铸件的热节分析虽小还是有两个。由图七、图八前后内浇口的工艺设计原理来看，一个径向和一个轴向金属液的一个充填过程的90°方向变更，简单的看只是充型过程的变异，但它的内涵牵涉到的是凝固原则性问题。
图九  814B螺母  质量 0.24Kg  外径φ68mm，壁厚5.45mm，高14.3mm，板厚4mm，六方头对角32mm，高20mm，中间孔径φ21.6mm，即此处的壁厚与外圆的壁厚基本相等，铸造圆角客户只应许R0.5mm，从铸件的热节分析有两个。内浇口设置在外圆对应平面轮辐上，直模头的结合面和与铸件的结合处面积陡增大2.5倍，保障了金属液有一个强大的压头，通过轮辐这个平台，按两壁厚和轮辐板厚基本相等和轮辐不长来分析，在不增加其它工艺措施的条件下是可以补缩给六角头这个部位的。但图十的组树方案一是平浇工艺，金属液的充型过程由一边往六角头这个最低处往下淋，或者说是瀑布式的在六角头往下落，然后逐渐充填至充满型腔，问题就在靠内浇口的这边与对面的温差，轮辐的转角处就出现了缩松吐酸。“图十一方案二”只是将组树方案改平浇为倾斜式浇注。倾斜35°角度后金属液的充型过程是切线式的由下往上的旋转充型过程，局部过热和冷热不均现象得到了改善，因而铸件没有出现问题。图示浇注方案均采用直模头，组树21件，工艺出品率57%。

四、 铸造过程数值模拟
运用计算机数值模拟【7】分析到的铸造缺陷，找到关键点然后采用对应措施，可以事半功倍。图十二是“KO.040阀体”的解剖图，材质“SCS14”，质量  1.95Kg。图十三至十四是两种组树工艺方案，经数值模拟后，“组树方案一”的缺陷截面如图十五“a”、“b”、“c”三图所示，缺陷严重且又工艺补救措施不利实施；“组树方案二” 的缺陷截面如图十五“d”、“e”两图所示依然严重，但利于补救措施的实施。从缺陷“e”截面分析，问题严重的地方是在箭头所指的那个部位。就“组树方案二”而言这个最高点其它补救措施也很难到位，且在“图十七  组树方案三”所示“A”区域正对的两筋板，由于间隙太窄，易使型壳局部过热引起缩松或缩裂，靠上部的浇道很难消除这部分的缺陷。据此设计的浇注系统工艺方案如图“十七  组树方案三”所示，一串组树两件。但模拟分析的缺陷依然还有两个地方存在缩松区，在“图十七  组树方案三”所指的筋板“Ⅰ”区域和“Ⅱ”区域。“Ⅰ”区域所指的筋板“B”浇口是补缩不到这个热节点的；再从“Ⅱ”区域来看，于图“十八”剖面所示的流道由于转角位太尖、窄如箭头所指涂有红色的圆角位置，壳型不易散热而极易引起铸件的缩裂倾向产生，“A”浇口由于被流道隔开望尘莫及，“B”浇口

说明图中蓝色部分为“缩松倾向区”，黄色部分为“缩孔倾向区”。
位置有限也无法补缩到位。为此对“Ⅰ”和“Ⅱ”区域采用如“图五 65E8 底座”的工艺，在制壳第三、第四层时，用铁线将此圆角的砂扒掉，开约4mm宽的槽，虽然模壳的厚度约比其它区域约薄一点，但没有影响到壳型的基本强度；模壳的焙烧浇注工艺也

同“图八  圆盘阀”；金属浇注前将壳型的一半多一点的地方，即超过筋板的位置入水降温。这是个复合式的浇注系统，既要侧注，又有顶注；从凝固方式分析既有顺序凝固，又有同时凝固的方式；从补缩系统分析，既有集中，又有“分散、孤立”——这样一个综合式的补缩系统运用。

结语
铸造工艺的实施前，首先要弄清楚它的材质特性，再来分析铸件的结构特征，设计的浇口用量尽可能的少，借以数值模拟分析平台论证，以减少试制周期争取较好的经济效益。问题是在补缩系统的浇注工艺设计过程中，如何处理好“分散、孤立”、“转移、集中”的关系，这就需要有多手段的、灵活多变的工艺方法来克服“差一点”问题。所谓“差一点”主要是指铸件的结构，热节点多且设置浇口的位置有限，往往因加工难度或费用而要铸造来解决，但作为铸造工作者应尽量满足原设计者的理念，这就给我们提出了“更高、更好、更快”的新挑战，在诸多方面需有新的突破才可满足市场的需求。
  
参考文献
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[5]许运祥  熔模铸件变形的防止[J]第8届精铸年会
[6]许云祥  熔模铸钢件缩孔（松）的防止  2009年许云祥精密铸造论文集
[7]姜不居、周泽衡、陈冰、许云祥等 熔模铸造手册 2000年