长孔、窄槽类铸件熔模铸造工艺方法

2017-03-03 22:03:04 来源: 点击:

长孔、窄槽类铸件熔模铸造工艺方法

包玉秋  张大伟  鲁蕊  秦磊

蓬莱金创精铸阀业有限公司

摘要  长孔、窄槽类铸件是熔模铸造常见结构之一。由于长孔、窄槽内不易上涂料和撒砂,孔槽内跑火、缩松缺陷经常出现。本文论述的几种方法:浸浆法、长孔内插木条法、型壳局部保温法、陶瓷型芯法、自硬型芯法,可在一定程度上解决这个问题,而且工艺简便,具有较强的可操作性。

关键词 长孔、窄槽类铸件;浸浆法;长孔内插木条法;型壳局部保温法;陶瓷型芯法;自硬型芯法。

Investment Casting Technics Way on the Castings

with the Long Hole and Narrow Groove

Bao Yuqiu  Zhang Dawei  Lu Rui  Qin Lei
(PENGLAI JINCHUANG INVESTMENT VALVE INDUSTRIAL LTD.)

 

Abstract: The castings with the long hole and narrow trough is one of the familiar structures . Because of the coating and stuccoing isn′t easy to be operated in the long hole and narrow trough , run-out and dipersed shrinkage defects ofen occur. The several ways stated in the article: dipping slurry, inserting the batten in the long hole,keeping warm in the partial shell., the ceramic core and the self-hardening core, can solve the question in a certain extent. The technics are easy and have strong maneuverability.

Key Words: The Castings with the Long Hole and Narrow Trough, Dipping Slurry, Inserting the Batten in the Long Hole; Keeping Warm in the Partial Shell ; the Ceramic Core ; the Self-hardening Core


 

长孔、窄槽类铸件熔模铸造工艺方法
熔模铸造型壳是“上涂料——撒砂——干燥”这一过程的重复。但对于具有长孔、窄槽这样结构的铸件而言,由于长孔、窄槽内部不易上涂料、撒砂,当通孔的孔深和孔径之比H/d>51,窄槽的槽深或长与宽之比大于一定比例时很难铸出,往往采用机械加工的方法实现。对于直径略大的长孔,虽然型壳可以做出,但已被浆料、型砂填满,增加了缩孔、缩松缺陷发生的几率。本文即讨论该类铸件熔模铸造的几种方法。
 
1.      浸浆法
1.1浸浆法:在制壳二层或三层后,将型壳浸入到浆料中,使浆料充满长孔或窄槽中型壳余下的空间,待其中的浆料干透后,再进行下一层型壳的制作。目的是增加孔内型壳的强度,防止出现跑火现象。
1.2实例:接头A
接头A结构见图1。其上有一个Φ4×25细长孔,呈135°相交,孔壁厚1mm,头部0.7mm,件小而轻,质量为9.5g。资料【1】介绍:当孔径Φ3~Φ5时,最大可铸出孔深为5~10mm,即孔深与孔径之比为1.4~3.3,而该件孔深与孔径之比为6.25,可见Φ4孔制壳是该件的难点。
                   

图1
该件一、二层型壳均采用锆英材料,一层型壳厚约0.5mm,二层型壳厚约0.75mm。制壳两层后,Φ4孔口只有约Φ1.5mm。三层正常制壳时,撒30~60目莫来砂,粒径为0.2~0.6mm。且长孔呈135°相交,孔内正常上涂料撒砂已无法实现。但两层锆英材料型壳强度较小,无法抵抗1600℃以上高温钢水冲刷,会产生跑火现象形成废品。在制壳二层后采用了“浸浆法”,增加了型壳的强度,满足批量生产要求。
1.3工艺要点
1.3.1 浸浆浆料:硅溶胶+莫来粉(200目),粘度20±2S。粘度大,浸浆时流动不好,不易充满;粘度小,浸浆时看起来已满,但干透后由于水分蒸发会留下较多的空洞,影响强度。
1.3.2 浸浆前吹净长孔内的浮砂。
1.3.3 浸浆后型壳一定要干透,以保证强度。接头A三层浸浆后干燥时间为24小时,干燥条件:温度24±2℃,湿度40~60%,吹风。
 
2. 长孔内插木条法
2.1 长孔内插木条法:在制壳三层或四层后,在长孔余下的空间插入木条,随后进行正常制壳、封浆、脱蜡等操作。型壳焙烧时,插入的木条烧掉形成空洞,从而改善型壳浇注后的散热条件,消除缩孔、缩松缺陷的 方法。
2.2实例 接头B
   接头B的结构见图2,虚线为浇口,其上均布Φ7.8×23的长孔六个。工艺设计采用一字型横模头组树,正常制壳四层半后浇注,并采用“型壳局部淬水”2工艺,即在型壳浇注前,将型壳下部淬入水中2~3秒,形成自上而下的温度梯度和凝固顺序。但在浇口下部的两个孔内出现大比例的缩松现象,严重的已缩透。分析认为:这两个孔位于浇口下部,浇注时钢水经此处流入型腔,有过热倾向,而Φ7.8mm孔正常制壳四层半后已被浆料和型砂填满,恶化了此处散热和冷却条件,加剧了缩松产生倾向。在制壳三层后,采用插入木条法,消除了孔内的缩松缺陷。
                             

图2
2.3 工艺要点:
2.3.1 插入木条可根据孔大小在制壳三层后或者四层后进行,此时应保证型壳有一定强度抵抗钢水冲击。
2.3.2 插入木条直径应与余下型壳孔洞接近,这样既方便操作,又保证能插住。
2.3.3 插入木条应在制壳2~3小时后进行。过早,型壳强度低,易损坏;过晚,型壳有一定强度,凹凸不平的撒砂平面,阻碍了木条的插入。
2.3.4 木条长度足够,以保证插透。
2.3.5 为便于操作,组树时蜡模六孔中心与模头夹角大于60°。
 
3. 型壳局部保温法
3.1 型壳局部保温法:焙烧前,在型壳的局部敷贴保温材料,延缓此处的冷却、凝固时间,打开钢水的补缩通道,以达到消除缩孔、缩松缺陷的目的。
3.2 实例   DN15法兰阀盖
法兰阀盖结构见图3,虚线为浇口。该件结构特点:上下两个较厚法兰盘间有较长的流量口,孔径Φ15mm,长51.4mm,壁厚3mm。铸造工艺设计:上法兰盘一个浇口,一字横模头组树, 四层半型壳,浇注时下法兰盘处采用“型壳局部淬水”工艺,浇注温度为1600~1610℃。但在浇注后,有部分铸件在流量孔内中部产生缩松现象。
分析认为:该件流量孔长且壁薄,铸件浇注后的凝固补缩状态见图4。下法兰盘及附近的Ⅲ区,因型壳淬水的激冷作用,最先凝固而得到致密的组织;靠近浇口Ⅰ区,钢水的收缩有来自浇口的热钢水补充,也得到致密的组织;处在中间的Ⅱ区,上部的钢水补充及下部的激冷作用都无法到达该处,而在制壳完成后,流量孔基本上已被浆料和型砂填满,散热及冷却条件极差,于是在流量孔的中部产生了缩松缺陷。在流量孔的外部型壳处涂敷保温材料后,延缓了Ⅰ区的凝固时间,打开了自上而下的补缩通道,使来自浇口的热钢水通过Ⅰ区补充到了Ⅱ区,解决了孔内的缩松问题。
 
              

图3                                                              图4
3.3 工艺要点
3.3.1 保温材料可以使用保温石棉、石棉布、耐火泥或其它的耐火材料。
3.3.2 对两法兰盘间有筋的阀盖,保温材料应让出筋部,以防止筋部产生缩松缺陷。
  
4. 陶瓷型芯法
4.1 陶瓷型芯法:即将预制的具有一定常温和高温强度、线膨胀系数小、高温下具有化学稳定性的型芯放在压型中压制蜡模,然后正常制壳做出带有型芯的型壳,经浇注后再去除型芯,从而得到复杂内腔铸件的方法。
4.2 实例 连接器
连接器结构见图5。其上有约4×12.5×32.5的腰圆形窄槽,并与Φ8孔相交,在铸件内部形成一个垂直的流道。该流道窄而长,正常制壳已不可能,故采用陶瓷型芯方法。陶瓷型芯外购,压制出蜡模见图6。
  

图5                                      图6
为保证陶瓷型芯定位准确,设计了长10mm的两个芯头,即伸出蜡模之外不与金属接触部分,见图6的A、B部位。为防止陶芯与型壳材料热膨胀系数不同,导致在型壳焙烧或浇注过程中,二者因长度变化不一,引起型芯变形甚至断裂,修蜡模时将其中一个芯头端部涂上一薄层修补蜡,这样在型壳脱蜡后,型壳与芯头之间有一定间隙,防止型芯受力损坏。正常制壳四层半,浇注温度1600~1610℃。
陶芯去除采用碱煮或碱爆的方法。
    4.3 工艺要点
4.3.1 陶芯芯头与模具间留有0.2~0.8间隙,方便陶芯安放。
4.3.2 当陶芯偏长或下芯受阻时,可用细砂纸打磨芯头或受阻部位,保证陶芯平稳安放在模具中。当陶芯偏短或定位不是很牢时,可在芯头端部涂抹修补蜡,增加陶芯与模具间的粘结力。
4.3.3 当陶芯较大时,组树后蜡模的清洗改在组树前。可用软布沾有清洗剂的清洗液擦拭蜡模,防止树组清洗时芯头吸潮,影响型壳干燥。
4.3.4 去除陶芯有个别残留时,可采用机械法或手喷砂辅助去除。
5.自硬型芯法
5.1 自硬型芯法
    制壳2~3层后,在窄槽口部尚未被涂料和型砂填满之前,灌注配制好的以水溶性磷酸盐为粘结剂的专利制芯材料J×R-2浆料。浆料灌入后自硬成型,形成含水磷酸盐结晶体,随后正常制壳浇注,再除去型芯得到窄槽的方法【3】
5.2 实例 阀体塞头
   阀体塞头结构见图7。其上有Φ165×11的窄槽,上表面为曲面,槽深处为54mm,该槽能否顺利铸出是该件的关键。工艺试制中,曾先后采用正常制壳五层半,制壳三层后填30~60目莫来砂的方法,但均因槽内严重跑火失败,采用“自硬型芯法”后,窄槽顺利铸出。

图7
5.2.1 浆料配制工艺
     a. 浆料配制比例:100g芯料+25ml硅溶胶,粉液比:4
     b. 浆料搅拌时间:人工搅拌1~2分钟
5.2.2 制壳工艺:一、二层型壳采用锆英材料,三层采用莫来砂粉料。此时11mm宽的窄槽约有5~6mm的窄缝,三层干燥后,灌注已调配好的J×R-2浆料,10分钟后,浆料自硬成型,1小时后浆料强度已较高,再制四层后的型壳,并正常脱蜡。
     型壳焙烧30分钟后浇注,在铸件表面形成气孔,延长焙烧时间到60分钟以上,气孔基本消除。
     浇注后的J×R-2自硬型芯,呈浅绿色,溃散性良好,正常喷砂基本去除,边角残余部分,可人工清理。
5.3 工艺要点
5.3.1 资料【3】介绍:浆料配比100g芯料加硅溶胶19~24ml,粉液比约为4.2~5.2。随粉液比降低,浆料流动性变好,但固化时间加长。根据该件结构,兼顾两个方面因素,我们选择粉液比4。
5.3.2 浆料调配好后,要尽快灌注。时间长时,由于固化原因,流动性会急剧下降,影响操作。
5.3.3 灌注浆料前,吹净槽内浮砂,减少浆料流动阻力,同时有利于提高自硬型芯的密度和强度。
5.3.4 灌浆料时宜倾斜型壳,避免卷入气体。
5.3.5 该件因窄槽深浅不一,采用两次灌浆,尽可能使槽内灌满浆,以减少制壳难度,避免跑火缺陷产生。
5.3.6 严格控制浆料灌注后的固化时间。因浆料固化过程伴有体积膨胀,时间长会胀裂型壳,导致型壳报废。
 
6.讨论与分析
6.1 有资料介绍,对于碳钢材质,熔模铸件外形尺寸为10~50时,可铸出壁厚一般是2.0~2.5,最小1.5【4】,不锈钢材质由于含Cr量高,钢液易氧化,流动性变差,但适当提高浇注温度,增加钢水的过热度,延长液态金属的流动时间,可以铸出壁厚0.7~1mm铸件。
6.2 接头A上细长孔Φ4×25,呈135°相交,一般情况下应采用陶瓷型芯,采用“浸浆法”后,在保证铸件质量前提下,降低了使用陶瓷型芯的成本,又避免了清壳困难,是一种经济实用的工艺方法。
6.3 对孔径约Φ6~Φ15的铸件长孔,正常制壳可以实现,但涂料和型砂填满了长孔的所有空间,变成了不透气的死孔,形成新的热节,具有热节效应,容易形成开放式的缩孔缺陷【5】。长孔内插入木条,型壳焙烧时,木条烧掉留下空间,消除了热节,改善了钢水浇注后的冷却和散热条件。“型壳局部保温法”延缓了钢水的冷却时间,打开了钢水的补缩通道,同时采用“型壳局部淬水”工艺,形成了自上而下的顺序凝固条件,可以消除长孔内的缩孔缩松缺陷。
6.4 阀体塞头窄槽长宽之比47,深与宽之比约为5,已超出了表1所列黑色金属熔模铸件铸槽尺寸【6】。如果应用陶瓷型芯,会存在下列三个问题:


 
     型芯为Φ165×11圆环状,上表面呈曲面,尺寸大,分量重,成本高。
     型芯尺寸大容易变形,受结构及工艺限制不好定位,这样使槽尺寸难以符合铸件图要求。
     陶瓷型芯去除一般采用化学方法:氢氟酸腐蚀法、碱煮或碱爆,污染环境,有一定危险。
采用自硬型芯后,克服上述问题,生产出铸件尺寸精确,清壳容易,成本低廉。
7.结语
长孔、窄槽类铸件是熔模精密铸造常见结构之一,生产中经常因为孔槽内跑火、缩松等缺陷造成返修,甚至报废。本文所述几种工艺方法,在某种程度上可解决这些问题,生产出符合要求的铸件。
 
 
   考 文 献
【1】       姜不居、周泽衡、陈冰等.熔模铸造手册[M].北京:机械工业出版社,2000:73.
【2】       包玉秋、鲁蕊、张大伟.熔模铸造“型壳局部淬水”工艺探讨.中国铸造协会精铸分会第十届年会,中国西安,2007[C] .中国西安:年会论文集编委会,2007.
【3】       闵小俊、黄红宇、胡德超.JX、J×R系列浇注成型自硬精密型芯用于熔模铸造的生产实践,[J]今日铸造,2005(8):123-129.
【4】       姜不居、周泽衡、陈冰等.熔模铸造手册[M].北京:机械工业出版社,2000:70.
【5】       华德俊.型壳局部增厚对铸件缩孔的影响(J),特种铸造及有色合金,2003(3):43.
【6】       《熔模精密铸造》编写组,熔模精密铸造 上册[M]北京,国防工业出版社,1981 189.


 

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