现代熔模铸造方法在工业生产中得到实际应用是在二十世纪四十年代。当时航空喷气发动机的发展,要求制造象叶片、叶轮、喷嘴等形状复杂,尺寸精确以及表面光洁的耐热合金零件。由于耐热合金材料难于机械加工,零件形状复杂,以致不能或难于用其它方法制造,因此,需要寻找一种新的精密的成型工艺,于是借鉴古代流传下来的失蜡铸造,经过对材料和工艺的改进,现代熔模铸造方法在古代工艺的基础上获得重要的发展。所以,航空工业的发展推动了熔模铸造的应用,而熔模铸造的不断改进和完善,也为航空工业进一步提高性能创造了有利的条件。我国是于上世纪五、六十年代开始将熔模铸造应用于工业生产。其后这种先进的精密铸造工艺得到巨大的发展,相继在航空、汽车、机床、船舶、内燃机、气轮机、电讯仪器以及刀具等制造工业中被广泛采用,同时也用于工艺美术品的制造。
所谓熔模铸造工艺,简单说就是用易熔材料(例如蜡料或塑料)制成可熔性模型(简称熔模或模型),在其上涂覆若干层特制的耐火涂料,经过干燥和硬化形成一个整体型壳后,再用蒸汽或热水从型壳中熔掉模型,然后把型壳置于砂箱中,在其四周填充干砂造型,最后将铸型放入焙烧炉中经过高温焙烧(如采用高强度型壳时,可不必造型而将脱模后的型壳直接焙烧),铸型或型壳经焙烧后,于其中浇注熔融金属而得到铸件。
熔模铸件尺寸精度较高,一般可达CT4-6(砂型铸造为CT10~13,压铸为CT5~7),当然由于熔模铸造的工艺过程复杂,影响铸件尺寸精度的因素较多,例如模料的收缩、熔模的变形、型壳在加热和冷却过程中的线量变化、合金的收缩率以及在凝固过程中铸件的变形等,所以普通熔模铸件的尺寸精度虽然较高,但其一致性仍需提高(采用中、高温蜡料的铸件尺寸一致性要提高很多)。
压制熔模时,采用型腔表面光洁度高的压型,因此,熔模的表面光洁度也比较高。此外,型壳由耐高温的特殊粘结剂和耐火材料配制成的耐火涂料涂挂在熔模上而制成,与熔融金属直接接触的型腔内表面光洁度高。所以,熔模铸件的表面光洁度比一般铸造件的高,一般可达Ra.1.6~3.2μm。
熔模铸造最大的优点就是由于熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度,所以可减少机械加工工作,只是在零件上要求较高的部位留少许加工余量即可,甚至某些铸件只留打磨、抛光余量,不必机械加工即可使用。由此可见,采用熔模铸造方法可大量节省机床设备和加工工时,大幅度节约金属原材料。
金属精密铸造的设计原则:
1、公道壁厚。在满足铸件最小答应壁厚的条件下,尽量可能薄一点,即能保证熔融金属具有良好的活动性,又能避免产生因收缩量过大而引起的铸造缺陷(如缩孔)。
2、均匀壁厚。是指各部分的壁厚冷却速度均匀。内壁隔墙薄、四周壁应厚。目的:减小应力、变形和开裂;防止热节产生缩孔。
3、过渡连接。结构圆角:避免热节形成;改善应力分布;避免砂型损坏和产生砂眼。均匀交接:铸件上不同方向的壁或肋交接时,应避免造成金属聚集(热节),而产生缩孔。采用圆角、斜面、圆锥逐步过渡目的:防止应力集中而开裂。
4、大平面倾斜。目的:利用填充和排气排查。
5、减小变形。(同热处理)对称结构、增设加强肋。
6、自由收缩。目的:有利减小因收缩应力而引起的应力开裂和变形。
精密铸造裂纹缺陷的防治:
在有色金属精密铸造的过程中,有时候会因为材料或者外部的原因导致铸件出现裂纹的现象。特别是有些材质铸造性能较差,流动性差,体收缩和线收缩较大,热应力大,就很容易产生裂纹。下面就介绍一些怎么去尽量的减少裂纹现象。
1、铸件结构。铸造时要全面考虑铸件的结构、形状、大型、壁厚及其过渡等影响铸件液态和固态收缩的因素,选择适当的工艺参数,防止缩孔缩松等铸造缺陷。铸件的浇冒口系统设计要合理,若要采用冷铁等工艺措施,其安放的部位要合理,既要保证铸件内部组织的致密性,又要尽量避免应力集中的情况产生。
2、冶炼。冶炼过程中,尽量降低P、S等有害元素的含量,降低N、H、O等气体和夹杂物含量。通过采用低磷钢中间合金,可以起到很好的效果。
3、保温。通过适当延长铸件在砂型中的保温时间,主要是控制开箱温度低于70℃,保证铸件在砂型中充分完成液态和固态收缩,避免外力因素造成应力集中的情况发生。
4、落砂。在铸件落砂清理过程中,严禁打箱时向砂型和铸件浇水,严禁采用撞箱等较强外力冲击方式落砂,避免外力和铸件内应力相互作用产生裂纹。
5、切割冒口。根据铸件条件选择适当的热割浇冒口工艺方式,保证热割起始温度不低于300℃。操作时,气割枪和吹氧管采用振动切割。重要件气割后及时用石棉布盖住隔口或进炉热处理。对于上冠及轴流式叶片一类结构复杂、工艺上采取特殊措施的铸件,采用二次热割。
6、预热。在对不锈钢铸件进行缺陷处理时,要坚持预热原则。在吹、焊工序处理时,工件要预热至108℃以上方可操作。若发现较大的裂纹缺陷,应先进行去应力退火,再进行处理。
7、增加退火。对重大不锈钢铸件增加一次最终消除应力退火工序,严格控制保温时间和出炉温度。其目的是减少生产过程中产生新的应力集中,更加彻底地消除铸件内应力,防止裂纹产生。
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