长孔窄槽类铸件熔模铸造工艺方法样本.doc

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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>5【1】, 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, 虽然型壳能够做出, 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, 从而改进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经过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 保温材料能够使用保温石棉、 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, 能够铸出壁厚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, 正常制壳能够实现, 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, 改进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, 能够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:

①     型芯为Φ165×11圆环状, 上表面呈曲面, 尺寸大, 分量重, 成本高。
②     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。
③     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。