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    近代化學固化砂鑄造工藝突出特點


     氣化模鑄造技術

      1.氣化模-負壓鑄造技術(EPC-V法)

      EPC-V法鑄造技術的關鍵為制造優質氣化模,配制涂掛性和透氣性好的涂料和負壓工藝等。

      (l)優質氣化模制造 氣化模在EPC-V法中占有極其重要的地位,其質量優劣直接影響鑄件的質量。

      目前用于制造氣化模的材料主要是聚苯乙烯珠粒(EPS),要求密度和粒度盡可能小,密度為0.015~0.025g/cm3,珠粒直徑參考值見表1。對于不同的鑄造合金,由于澆注溫度不同,對EPS模型的密度要求也有差異詳見表2。成模發泡時在型腔內要建立一定的負壓,以利EPS珠粒均勻充滿,獲得表面光潔、密度均勻的泡沫塑料模型。

      表 1 鑄件壁厚與 EPS 珠粒直徑關系

    鑄件壁厚 /mm

    EPS 原珠直徑 /mm

    預發泡后珠粒直徑 /mm

    3 ~ 4

    0.3 ~ 0.4

    0.9 ~ 1.2

    4 ~ 5

    0.4 ~ 0.5

    1.2 ~ 1.5

    > 5

    0.5 ~ 0.6

    1.5 ~ 2.5

      表 2 不同鑄造合金用 EPS 模型密度參考值

    鑄造合金

    澆注溫度 / ℃

    EPS 模型密度 /(kg/m3)

    鋁合金

    700 ~ 780

    24 ~ 25.6

    銅合金

    1030 ~ 126

    20 ~ 21.6

    灰鑄鐵

    1370 ~ 1450

    ≤ 20

    1590 ~ 1650

    ≤ 17.6

      (2)耐火涂料

      涂料必須具有良好的涂掛性、透氣性和強度。由于涂料涂在EPS模樣表面,在施涂方法上采用浸涂和淋涂,因此EPC-V法鑄造要求涂料在模樣上均勻流布附著并保持足夠的厚度,模組從涂料槽中取出后又要求粘度較快增長。具有這種性能的涂料必須是有一定屈服點值(7~12Pa)和較小觸變性的假塑性流體,才能使涂料具有良好的涂掛性。涂料一般以水作載體,分別以鋁礬土、石英粉、剛玉粉、誥英粉等與不同種類粘結劑如聚乙烯酸(PVA)、羧甲基纖維素(CMC)、聚醋酸乙烯乳液(PAL)、粘土、硅溶膠等配制而成。以PVA、CMC、PAL等作粘結劑的水基涂料具有觸變性,采用膨潤土和CMC配合作用或用<10μm的細粉來調節涂料的流變性。

      由于EPS模型的發氣量大,按EPS模壁厚不同發氣量波動于5~40cm3/g之間,所有這些氣體都必須通過涂料層排出,因此涂料層必須具有良好的透氣性和強度,這是獲得合格鑄件的關鍵。提高涂料透氣性的主要途徑:選用粒度較粗0.1~0.075mm(150~200目)顆粒較集中的耐火骨料、選用多孔的輕質材料作骨料、采用薄層涂料及微波干燥法均可改善涂料的透氣性。

      (3)無粘結劑干砂造型

      該造型法最重要的是要求鑄型具有良好的透氣性、足夠的緊實度。填砂造型時一般選用單篩砂,其粒度推薦值見表3,砂粒呈圓形或多角形的型砂,還必須經振動緊實,以獲得均勻和足夠的堆積密度。對于形狀簡單的部件,一維振動已足夠;對有深腔和凹槽多的復雜零件,要采用三維振動造型來緊實型砂。造型時選擇適當的振動強度。振動加速度在1.5~2.5g范圍內效果最好。

      表 3 型砂粒度推薦值

    澆注合金型砂粒度 /mm

    負壓造型

    常壓造型

    鑄鋼、鑄鐵件

    0.355 ~ 0.28(50 ~ 60 目 )

    鑄鋁件

    0.355 ~ 0.28(50 ~ 60 目 )

    0.355 ~ 0.154(50 ~ 100 目 )

    鑄銅件

    0.154 ~ 0.1(100 ~ 150 目 )

    0.355 ~ 0.154(50 ~ 100 目 )

      (4)鑄型負壓度的控制

      該法澆注及冷卻期間,鑄型必須保持一定的負壓度,其作用為:固定松散的干砂,保持鑄型有足夠的強度、消除澆注時EPS分解產物對鑄件、填砂及環境的污染、控制金屬液的充填。

      正確選擇真空泵的功率和排氣量是保證EPC-V法鑄型維持適當負壓度的前提條件。真空泵的動力消耗可按下式計算:

      W=Kn(V1+βmQ)

      式中 W——水環式真空泵電動機功率(kw);

      K——動力系數, K≈2~6(kw/m3);

      n——砂箱個數;

      V1——單個砂箱的體積(m3);

      β——安全系數(取β=3~10);

      m——每個砂箱內的EPS模型質量(kg);

      Q——EPS發氣量(澆注鋼鐵時,取 Q=0.5~1.0m3/kg)。

      在實際生產中一般都是依據真空罐上的真空表調節負壓度,為了保證鑄型有足夠的穩定性,要正確選擇初始負壓度,初始負壓度低于0.02MPa時鑄型強度不夠,極容易出現金屬噴濺現象,若高于0.05MPa時又容易產生滲透粘砂缺陷,一般鑄型負壓度控制在0.025~0.05MPa范圍內,澆注薄壁小件可取低值。

      2.氣化模-精鑄-負壓復合鑄造技術(EPC-CS法)

      該工藝的突出特點是用氣化模來代替蠟模,因此制造優質氣化模及超薄陶瓷型殼是EPC-CS法復合鑄造的關鍵,其次是振動緊實負壓工藝。

      (1)優質氣化模的制造

      該法氣化模用的原材料為聚苯乙烯珠粒(EPS),但與EPC-V法用的EPS珠粒不同,為獲優質氣化模要采用高密度、粒徑小而均勻的EPS珠粒,其粒徑為0.25~0.5mm,密度為 0.l~0. 3g/cm3。

      氣化模的成形包括:設計與加工氣化模用模具,聚苯乙烯珠粒的預發、干燥熟化、氣化模的蒸氣成形工藝。EPS珠粒的預發采用熱水預發工藝,將EPS珠粒放入連續式預發泡機中,加入適量的分散劑,為避免珠料預發時粘結,要嚴格控制預發溫度和時間,使預發后EPS珠粒的密度為0.059/cm3左右。此密度的預發珠粒具有較高的膨脹能力,成形后可得到表面光潔、尺寸精確的氣化模?砂l性EPS珠粒最佳熱水預發工藝見表4。預發后的可發性 EPS珠粒要在空氣中放置一段時間,讓空氣滲透到珠粒的泡孔內,使珠粒變得干燥而有彈性,這個過程為熟化。預發后的EPS珠粒含水量很高,必須進行干燥,干燥熟化工藝見表5。干燥熟化時,為加快速度可以吹風,風速以不使EPC珠粒沸騰為限。

      表 4 熱水預發工藝

    預發溫度 / ℃

    100 ~ 102

    熱水預發時間 /min

    2 ~ 3

    加料量 / 水量

    < 6

    分散加入量 / 水量

    > 0.03

      表 5 干燥熟化工藝

    干燥熟化溫度 / ℃

    50

    干燥熟化時間 /h

    > 12

    干燥后 EPS 珠粒含水量①( % )

    < 1

      氣化模成形應用最廣、使用效果最好的是蒸汽成形法。該法是用過熱水蒸氣作熱載體,將裝滿頓發的可發性EPS珠粒的母型(型壁裝有排氣篩的鋁等輕合金模具)放入蒸汽室,通入過熱蒸汽,熱蒸汽通過排氣篩進入母型內加熱珠粒,使其發泡并保持到EPS珠粒再發泡終了為止。氣化模蒸汽成形工藝見表6。

      表 6 蒸汽成形工藝

    噴料壓力 /MPa

    成形壓力 /MPa

    模具預熱時間 /s

    成形時間 /s

    0.34 ~ 0.44

    0.098 ~ 0.147

    10 ~ 15

    10 ~ 30

      (2)超薄陶瓷型殼

      EPC-CS法復合鑄造用超薄陶瓷型殼厚一般為3~4mm,因此型殼必須具有足夠的強度,為此選硅溶膠作為粘結劑,鋯英粉、鋁礬土粉作為涂料的填料,莫來石砂作為撒砂材料。采用如下精鑄制殼工藝制取超薄陶瓷型殼。

      1)嚴格控制涂料的質量,涂料按組元配制后,采用“L”型涂料攪拌機低速長時間攪拌,使粘結劑與填料充分潤濕。面層涂料粘度:(30±1)s,加固層涂料粘度:(15±2)s。

      2)制殼工藝:根據鑄件大小,型殼可掛3~4層,制殼工藝參數詳見表7,最后型殼再掛一遍涂料,干燥后待用。

      表 7 制殼工藝參數

    層次

    面層 ( 一、二層 )

    加固層 ( 三、四層 )

    撒砂粒度 /mm( 目 )

    0.45/0.22(40/70 目 )

    2.0/0.9(10/20 目 )

    干燥時間 /h

    4 ~ 6

    2 ~ 4

    環境溫度 / ℃

    18 ~ 20

    18 ~ 20

    相對溫度 (%)

    40 ~ 60

    40 ~ 60

      3)失模、型殼焙燒工藝:型殼在高溫焙燒前要將氣化模從型殼中融出,為此將模組放人帶托盤的低溫干燥箱中進行加熱,使氣化模變成融熔流體從型腔中脫出,較好的失模溫度為50~90℃,保溫30~40min。

      將失模后的超薄陶瓷型殼放入高溫爐中焙燒,在1000~1050℃下保溫lh,出爐用于澆注。由此不難看出,EPC-CS法復合鑄造在澆注前將氣化模熔失,再進高溫爐焙燒,因此在型殼中沒有殘存碳,可用于澆注任何合金鑄件,同時解決了氣化模燃燒時產生的煙霧,減輕環境污染。

      (3)振動緊實及負壓工藝

      將焙燒后的陶瓷型殼放人振動臺上的砂箱中,填入0.9mm/0.45mm(20目/40目)或2.0mm/0.9mm(10目/20目)的型砂,通過振動緊實和負壓物理過程,使型砂得到緊實,保證型殼具有足夠的抗變形、抗開裂能力,防止型殼因熱沖擊及合金凝固收縮應力作用產生破裂、跑火等現象。型砂振動緊實以共振狀態下緊實效果為最好,三維振動緊實效果優于二維、一維振動緊實效果。一維振動參數選擇合適仍能滿足生產要求,而且設備投資少,操作簡便。一維振動緊實型砂的最佳工藝參數如下:頻率為50Hz左右,振幅為0.lmm左右,加速度為1~1.5g左右,振動時間根據鑄件復雜程度確定。

      在鑄件澆注和冷卻過程中必須實施負壓,有利于型腔中氣體的排除和金屬液的充填,提高鑄件表面質量。適宜的真空度為0.03MPa左右,澆注后消除負壓,將鑄件從型砂中取出,除掉超薄陶瓷型殼,獲得優質鑄件。


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