・796・
铸造技术
FOUNDRYTECHNOLOGYVol.30No.6Jun.2009
熔模石膏型真空增压铸造技术
王元庆,苏志权,孙昌建
(中国兵器工业第五九研究所,重庆400039)
摘要:论述了熔模石膏型真空增压铸造技术工艺过程和技术原理,、高气密性铝合金铸件。、改善铸件的内在质量的优点,适合于质量要求严、复杂程度高的铸件,关键词:熔模石膏型;真空增压;高气密性铝合金铸件
中图分类号:TG249.5 文献标识码:A 文章编号:100022InvestmentPlasessurizingCastingTechnique
,SUZhi2quan,SUNChang2jian
ofChinaOrdnanceIndustry,Chongqing400039,China)
Abstract:Theandprocessofinvestmentplastermouldvacuumpressurizingcasting
techniquearereviewedandthemanufacturingprocessofcomplicatedaluminumcastingswithhighdensityandhighairtightnessisintroduced.Thetechnologycanassurebettersurfacequalityandhighdimensionalprecisionandincreasethefillingabilityofthealloyandimproveinnerqualityofthecastingvaswell,soitcanbeadoptedforthemanufactureofthecastingwithbetterqualityandextremecomplexity,especiallyforhighintegrityandhighgas2tightaluminumcastings.
Keywords:Investmentplastermould;Vacuumpressurizing;Highgas2tightaluminumcastings
熔模石膏型真空增压铸造技术是专门针对航空航天及武器装备中常见的一类复杂、薄壁整体结合和高气密性铸件而开发的一种新技术[1～3]。集成了熔模石膏型工艺中尺寸精度高(尺寸公差可达±0.1mm)、表面粗糙度好(表面粗糙度可为Ra0.8～3.2μm)、薄壁化程度低(铝铸件最薄壁厚一般为0.8～1.5mm,局部可达0.5mm)和真空增压铸造技术中合金充填性能好、缩孔缩松程度低、铸件性能优良的优点,显示出强的生命力。1 熔模石膏型工艺的特点及过程1.1 熔模石膏型工艺的特点
(1)石膏浆料流动性和复制性良好,石膏导热性差,有利于金属液充填,其生产不受拔模的限制,铸件壁厚最小可达0.5mm。
(2)铸件尺寸稳定,精度高,可为IT6～7级;表面光洁度高,一般可为Ra0.8～3.2μm,一次性能整体铸出内腔复杂、尺寸精度和表面光洁度极高的铸件。
(3)铸件成品率高,可达90%以上。
收稿日期:2008212201; 修订日期:2009203203
),湖北孝感人,工程师.主要从事铝镁合金的作者简介:王元庆(19822
(4)石膏铸型残余强度低,溃散性良好,利于铸件
清理。
1.2 熔模石膏型工艺的过程
熔模石膏型工艺的过程如图1所示。
图1 石膏型生产铝合金熔模铸件的工艺过程
Fig.1 Manufacturingprocessofinvestmentplastermould
ofaluminumcastings
(1)石膏型浆料的配方
石膏型的制备首先是石膏型浆料配备,熔模石膏
型常用的石膏浆料成分如表1所示。其中附加物的作用为:硅石粉、砂、上店土粉均为加热膨胀的材料,起抵消石膏加热时收缩的作用。硅藻土用来增加石膏型的透气性。硫酸钾可以用来作石膏(硫酸钙)的形核剂,起促凝作用。此外,为了提高石膏型的强度,避免在焙烧时开裂,还可加入1%～2%耐火纤维材料[4]。
(2)石膏浆料配制与灌浆工艺石膏浆料配制时,加水量一般为石膏混合料重的30%～40%,水温以40～50℃为宜,因为在此温度范
精密铸造成形.
Email:[email protected]
《铸造技术》06/2009
王元庆等:熔模石膏型真空增压铸造技术
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围内半水石膏容易溶解。将石膏混料加入水搅拌,使混料充分浸润后再抽真空。浆料搅拌时间应控制在3min左右。浇灌时间不能太长,太长也会使铸型表面产生水纹。
表1 石膏型配方 w(%)
Tab.1 Compositionofplastermould
在外加压力条件下凝固成形。
真空增压铸造工作舱的铸型及金属液环境压力示意图如图3所示(图中压力数值的零点以大气压力为准)。
序号α石膏硅石粉硅砂上店土粉硅藻土硫酸钾133.529.035.52.00.15～0.[***********]50水分
30～5042～5535～5531 (3)石膏型的脱蜡、干燥与焙烧
1以上,,否现象。,也有用蒸汽或有机溶剂的。用热空气脱蜡是将石膏型置于预先加热至148～204℃的炉中保温2～3h。采用蒸汽脱蜡时,得先将脱蜡锅预热到85～100℃,再通蒸汽,否则会因蒸汽在铸型内凝结成水浸湿铸型表面,导致石膏回溶而使铸型表层剥离。
脱蜡后铸型要进行焙烧,但在焙烧前要经1～2天的自然干燥。石膏型的焙烧要求温度低,时间长,使石膏型各部位的升温和降温能均匀而缓慢地进行,还要严格控制炉内气氛。2 真空增压铸造技术原理及其工艺特性2.1 真空增压铸造技术原理
真空增压铸造技术是在借鉴了真空吸铸中的“真空浇注”和低压铸造或是差压铸造中的“加压凝固”的思想上发展起来的一种重力铸造方法,其技术核心在于“真空浇注”和“加压凝固”两方面[2,5]。真空增压铸造设备示意图如图2,其工艺过程如下。
图3 铸型及金属液环境压力示意图
Fig.3 Schematicofcastingmoldandpressureundermetalliquid
2.2 真空增压铸造技术特性
真空增压铸造技术是围绕着“真空浇注”和“加压凝固”这2个主题而开展的,它和其它铸造方法相比,
有以下3个重要特征。
(1)真空除气
在浇注以前,首先将熔炼好的金属液置于浇包内安放在工作舱里,通过真空储能罐和真空泵对工作舱抽气,达到设定的真空度后进行浇注和充型。在这种特定的真空条件下,熔炼过程中溶解于金属液中的气体易于从金属液中析出,使得随后成形的铸件中气体含量相对较少;在真空条件下,金属液表面也不易氧化形成氧化膜,这也有利于金属液的纯净化。另外,真空浇注时,由于铸型型腔内空气稀薄,可避免由浇注充型时金属液紊流卷气、型腔窝气造成铸件内部侵入性气孔和轮廓欠浇缺陷的产生。
(2)真空充填
与在大气环境下浇注相比,金属液在真空状态下充填时,受到型腔中气体的阻力大大降低,金属液前沿的氧化大大减少,金属液流表面张力也大大降低,因此金属液的流动性大幅提高。图4为实验合金在两种状态下流动性的对比(大约提高1倍左右)。
图2 真空增压铸造设备示意图
Fig.2 Schematicofvacuumpressurizingcastingappartus
(1)铸型和装有金属液的浇包安置在工作舱内,
图4 实验合金在两种状态下流动性的对比(材料:AC4A)
Fig.4 Comparisonoffluidityofexperimentalalloyattwo
states(material:AC4A)
并快速关闭舱门,实现工作舱的密封。
(2)启动设备,对工作舱快速抽真空,并在真空气氛下完成铸件的浇注、充型。
(3)对工作舱快速充压,并保压一段时间,使铸件
图5为实验铸件在两种状态下疲劳强度的对比结果。从试验结果可以看出,大气下浇注时,铸件强度值
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FOUNDRYTECHNOLOGYVol.30No.6Jun.2009
波动大,而真空浇注时,强度值均在大气时的上限;当应力值一定时,铸件的疲劳寿命相差5～l0倍。
属液内的氢析出需更高的内压力才能形核、成泡,同时,也增加气体在固相合金中的溶解度,使可能析出的分子氢减少,从而改善铸件内的针孔度。图7为铸件针孔度级别与外加压力的关系。
图5 :AC4AFig.5 Comparisonofofalloy
attwo(:(3)加压凝固
图7 铸件针孔度级别与外加压力的关系
Fig.7 Relationsofneedleholesclassofcastingsandap2
pliedpressure
加压凝固时,由于外力对枝晶间间隔液相金属的挤滤作用和使初凝枝晶发生显微变形,大幅提高了冒口的工艺补缩能力,结果使铸件内部缩松得到较好的改善;另外,还由于真空增压铸造法的加压方式是“立体加压”,不同于其它压力铸造“管道加压”方式,勿需整体补缩通道,在铸件分散热节上更能体现其改善缩松的效果。图6为棒状铸件内部缩松随加压压力的变化情况。
综上所述,真空增压铸造技术无论是对合金流动性,还是对铸件的力学性能都有较大的帮助。因此,借助于真空增压铸造技术再辅以熔模石膏型工艺,对实现铸件的薄壁化、复杂化和高品质化是有大有裨益的。3 典型的铝合金铸件
(1)结构特点
本体铸件结构特点如图8。(2)主要技术要求①化学成分 ZL101A(GB/T117321995);
σδ≥2%;HB(5/250/②力学性能 275MPa;b≥30)≥80;
图6 棒状铸件内部缩松与加压压力的关系(材料:AC4A)
Fig.6 Relationofshrinkageporosityofrod2shapedcastings
andpressure(material:AC4A)
③内部质量 针孔度:1～2级(GB10851289或
GB11346289);疏松度:2级(HB5376288、HB5377288);
④外观质量 “I类”铸件(GB9438288);铸造表面粗糙度:Ra12.5(GB6060.1285);
⑤机加后的综合检验 气密性:100%检,7MPa×3min,不开裂、无泄露;液压试验:抽检,整体7MPa×10min,压降≯0.5MPa,局部(进入不锈钢管前部分)70MPa×5min,压降≯0.1MPa。
另外,加压凝固时,铸件尤其是铝铸件内的针孔度
能得到有效的改善,原因在于金属液受压时,溶解于金
《铸造技术》06/2009
王元庆等:熔模石膏型真空增压铸造技术
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图8 Fig.8 Structural (3)成品件
图9体铸件。
,该技术无论是在技术装备还是在技术原理上都得到了较大的发展,这从以上分析的典型铸件上能看出来,但这种新兴的技术,仍然存在些不足之处,主要表现在:①该技术的CAE工艺数据库未曾建立,难以用现行成熟的CAE软件模拟该技术的充型凝固过程,导致投资风险相对较高;②该技术的铸造设备的自动化、机械化、系列化尚处于工程实验阶段,无法进行高效快捷的批量生产。
参考文献
图9 生产的本体铸件
Fig.9 Realitycastings
[1] 孙昌建,舒大禹,王元庆,等.大型复杂薄壁铝合金铸件真
空增压铸造特性研究[J].铸造,2008,57(5):4422445.
[2] 苏志权,孟照亮,孙昌建.真空增压铸造技术及其应用前
4 小结
熔模石膏型真空增压铸造技术是将熔模石膏型工
艺和真空增压技术有机结合起来的一种新技术,它既保持了熔模石膏型工艺能保证铸件优良的表面质量和高的尺寸精度,又承袭了真空增压技术能得到力学性能高、内在质量好的铸件的优点,因此,在对铸件要求越来越高的军品领域,显示出极强的生命力。随着该
景[J].四川兵工学报,2004,(4):16219.
[3] 张永红,蒋玉明,杨 屹,等.石膏型熔模特种铸造工艺
[J].铸造技术,2002,23(6):3472349.
[4] 叶久新,陈永泰.石膏型熔模铸造工艺研究[J].湖南大学
学报,2006,(3):49253.
[5] 孙昌建,舒大禹,王元庆,等.大型复杂薄壁铝合金铸件真
空增压铸造技术[J].铸造技术,2008,29(2):2322235.
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熔模石膏型真空增压铸造技术
王元庆,苏志权,孙昌建
(中国兵器工业第五九研究所,重庆400039)
摘要:论述了熔模石膏型真空增压铸造技术工艺过程和技术原理,、高气密性铝合金铸件。、改善铸件的内在质量的优点,适合于质量要求严、复杂程度高的铸件,关键词:熔模石膏型;真空增压;高气密性铝合金铸件
中图分类号:TG249.5 文献标识码:A 文章编号:100022InvestmentPlasessurizingCastingTechnique
,SUZhi2quan,SUNChang2jian
ofChinaOrdnanceIndustry,Chongqing400039,China)
Abstract:Theandprocessofinvestmentplastermouldvacuumpressurizingcasting
techniquearereviewedandthemanufacturingprocessofcomplicatedaluminumcastingswithhighdensityandhighairtightnessisintroduced.Thetechnologycanassurebettersurfacequalityandhighdimensionalprecisionandincreasethefillingabilityofthealloyandimproveinnerqualityofthecastingvaswell,soitcanbeadoptedforthemanufactureofthecastingwithbetterqualityandextremecomplexity,especiallyforhighintegrityandhighgas2tightaluminumcastings.
Keywords:Investmentplastermould;Vacuumpressurizing;Highgas2tightaluminumcastings
熔模石膏型真空增压铸造技术是专门针对航空航天及武器装备中常见的一类复杂、薄壁整体结合和高气密性铸件而开发的一种新技术[1～3]。集成了熔模石膏型工艺中尺寸精度高(尺寸公差可达±0.1mm)、表面粗糙度好(表面粗糙度可为Ra0.8～3.2μm)、薄壁化程度低(铝铸件最薄壁厚一般为0.8～1.5mm,局部可达0.5mm)和真空增压铸造技术中合金充填性能好、缩孔缩松程度低、铸件性能优良的优点,显示出强的生命力。1 熔模石膏型工艺的特点及过程1.1 熔模石膏型工艺的特点
(1)石膏浆料流动性和复制性良好,石膏导热性差,有利于金属液充填,其生产不受拔模的限制,铸件壁厚最小可达0.5mm。
(2)铸件尺寸稳定,精度高,可为IT6～7级;表面光洁度高,一般可为Ra0.8～3.2μm,一次性能整体铸出内腔复杂、尺寸精度和表面光洁度极高的铸件。
(3)铸件成品率高,可达90%以上。
收稿日期:2008212201; 修订日期:2009203203
),湖北孝感人,工程师.主要从事铝镁合金的作者简介:王元庆(19822
(4)石膏铸型残余强度低,溃散性良好,利于铸件
清理。
1.2 熔模石膏型工艺的过程
熔模石膏型工艺的过程如图1所示。
图1 石膏型生产铝合金熔模铸件的工艺过程
Fig.1 Manufacturingprocessofinvestmentplastermould
ofaluminumcastings
(1)石膏型浆料的配方
石膏型的制备首先是石膏型浆料配备,熔模石膏
型常用的石膏浆料成分如表1所示。其中附加物的作用为:硅石粉、砂、上店土粉均为加热膨胀的材料,起抵消石膏加热时收缩的作用。硅藻土用来增加石膏型的透气性。硫酸钾可以用来作石膏(硫酸钙)的形核剂,起促凝作用。此外,为了提高石膏型的强度,避免在焙烧时开裂,还可加入1%～2%耐火纤维材料[4]。
(2)石膏浆料配制与灌浆工艺石膏浆料配制时,加水量一般为石膏混合料重的30%～40%,水温以40～50℃为宜,因为在此温度范
精密铸造成形.
Email:[email protected]
《铸造技术》06/2009
王元庆等:熔模石膏型真空增压铸造技术
・797・
围内半水石膏容易溶解。将石膏混料加入水搅拌,使混料充分浸润后再抽真空。浆料搅拌时间应控制在3min左右。浇灌时间不能太长,太长也会使铸型表面产生水纹。
表1 石膏型配方 w(%)
Tab.1 Compositionofplastermould
在外加压力条件下凝固成形。
真空增压铸造工作舱的铸型及金属液环境压力示意图如图3所示(图中压力数值的零点以大气压力为准)。
序号α石膏硅石粉硅砂上店土粉硅藻土硫酸钾133.529.035.52.00.15～0.[***********]50水分
30～5042～5535～5531 (3)石膏型的脱蜡、干燥与焙烧
1以上,,否现象。,也有用蒸汽或有机溶剂的。用热空气脱蜡是将石膏型置于预先加热至148～204℃的炉中保温2～3h。采用蒸汽脱蜡时,得先将脱蜡锅预热到85～100℃,再通蒸汽,否则会因蒸汽在铸型内凝结成水浸湿铸型表面,导致石膏回溶而使铸型表层剥离。
脱蜡后铸型要进行焙烧,但在焙烧前要经1～2天的自然干燥。石膏型的焙烧要求温度低,时间长,使石膏型各部位的升温和降温能均匀而缓慢地进行,还要严格控制炉内气氛。2 真空增压铸造技术原理及其工艺特性2.1 真空增压铸造技术原理
真空增压铸造技术是在借鉴了真空吸铸中的“真空浇注”和低压铸造或是差压铸造中的“加压凝固”的思想上发展起来的一种重力铸造方法,其技术核心在于“真空浇注”和“加压凝固”两方面[2,5]。真空增压铸造设备示意图如图2,其工艺过程如下。
图3 铸型及金属液环境压力示意图
Fig.3 Schematicofcastingmoldandpressureundermetalliquid
2.2 真空增压铸造技术特性
真空增压铸造技术是围绕着“真空浇注”和“加压凝固”这2个主题而开展的,它和其它铸造方法相比,
有以下3个重要特征。
(1)真空除气
在浇注以前,首先将熔炼好的金属液置于浇包内安放在工作舱里,通过真空储能罐和真空泵对工作舱抽气,达到设定的真空度后进行浇注和充型。在这种特定的真空条件下,熔炼过程中溶解于金属液中的气体易于从金属液中析出,使得随后成形的铸件中气体含量相对较少;在真空条件下,金属液表面也不易氧化形成氧化膜,这也有利于金属液的纯净化。另外,真空浇注时,由于铸型型腔内空气稀薄,可避免由浇注充型时金属液紊流卷气、型腔窝气造成铸件内部侵入性气孔和轮廓欠浇缺陷的产生。
(2)真空充填
与在大气环境下浇注相比,金属液在真空状态下充填时,受到型腔中气体的阻力大大降低,金属液前沿的氧化大大减少,金属液流表面张力也大大降低,因此金属液的流动性大幅提高。图4为实验合金在两种状态下流动性的对比(大约提高1倍左右)。
图2 真空增压铸造设备示意图
Fig.2 Schematicofvacuumpressurizingcastingappartus
(1)铸型和装有金属液的浇包安置在工作舱内,
图4 实验合金在两种状态下流动性的对比(材料:AC4A)
Fig.4 Comparisonoffluidityofexperimentalalloyattwo
states(material:AC4A)
并快速关闭舱门,实现工作舱的密封。
(2)启动设备,对工作舱快速抽真空,并在真空气氛下完成铸件的浇注、充型。
(3)对工作舱快速充压,并保压一段时间,使铸件
图5为实验铸件在两种状态下疲劳强度的对比结果。从试验结果可以看出,大气下浇注时,铸件强度值
・798・
FOUNDRYTECHNOLOGYVol.30No.6Jun.2009
波动大,而真空浇注时,强度值均在大气时的上限;当应力值一定时,铸件的疲劳寿命相差5～l0倍。
属液内的氢析出需更高的内压力才能形核、成泡,同时,也增加气体在固相合金中的溶解度,使可能析出的分子氢减少,从而改善铸件内的针孔度。图7为铸件针孔度级别与外加压力的关系。
图5 :AC4AFig.5 Comparisonofofalloy
attwo(:(3)加压凝固
图7 铸件针孔度级别与外加压力的关系
Fig.7 Relationsofneedleholesclassofcastingsandap2
pliedpressure
加压凝固时,由于外力对枝晶间间隔液相金属的挤滤作用和使初凝枝晶发生显微变形,大幅提高了冒口的工艺补缩能力,结果使铸件内部缩松得到较好的改善;另外,还由于真空增压铸造法的加压方式是“立体加压”,不同于其它压力铸造“管道加压”方式,勿需整体补缩通道,在铸件分散热节上更能体现其改善缩松的效果。图6为棒状铸件内部缩松随加压压力的变化情况。
综上所述,真空增压铸造技术无论是对合金流动性,还是对铸件的力学性能都有较大的帮助。因此,借助于真空增压铸造技术再辅以熔模石膏型工艺,对实现铸件的薄壁化、复杂化和高品质化是有大有裨益的。3 典型的铝合金铸件
(1)结构特点
本体铸件结构特点如图8。(2)主要技术要求①化学成分 ZL101A(GB/T117321995);
σδ≥2%;HB(5/250/②力学性能 275MPa;b≥30)≥80;
图6 棒状铸件内部缩松与加压压力的关系(材料:AC4A)
Fig.6 Relationofshrinkageporosityofrod2shapedcastings
andpressure(material:AC4A)
③内部质量 针孔度:1～2级(GB10851289或
GB11346289);疏松度:2级(HB5376288、HB5377288);
④外观质量 “I类”铸件(GB9438288);铸造表面粗糙度:Ra12.5(GB6060.1285);
⑤机加后的综合检验 气密性:100%检,7MPa×3min,不开裂、无泄露;液压试验:抽检,整体7MPa×10min,压降≯0.5MPa,局部(进入不锈钢管前部分)70MPa×5min,压降≯0.1MPa。
另外,加压凝固时,铸件尤其是铝铸件内的针孔度
能得到有效的改善,原因在于金属液受压时,溶解于金
《铸造技术》06/2009
王元庆等:熔模石膏型真空增压铸造技术
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图8 Fig.8 Structural (3)成品件
图9体铸件。
,该技术无论是在技术装备还是在技术原理上都得到了较大的发展,这从以上分析的典型铸件上能看出来,但这种新兴的技术,仍然存在些不足之处,主要表现在:①该技术的CAE工艺数据库未曾建立,难以用现行成熟的CAE软件模拟该技术的充型凝固过程,导致投资风险相对较高;②该技术的铸造设备的自动化、机械化、系列化尚处于工程实验阶段,无法进行高效快捷的批量生产。
参考文献
图9 生产的本体铸件
Fig.9 Realitycastings
[1] 孙昌建,舒大禹,王元庆,等.大型复杂薄壁铝合金铸件真
空增压铸造特性研究[J].铸造,2008,57(5):4422445.
[2] 苏志权,孟照亮,孙昌建.真空增压铸造技术及其应用前
4 小结
熔模石膏型真空增压铸造技术是将熔模石膏型工
艺和真空增压技术有机结合起来的一种新技术,它既保持了熔模石膏型工艺能保证铸件优良的表面质量和高的尺寸精度,又承袭了真空增压技术能得到力学性能高、内在质量好的铸件的优点,因此,在对铸件要求越来越高的军品领域,显示出极强的生命力。随着该
景[J].四川兵工学报,2004,(4):16219.
[3] 张永红,蒋玉明,杨 屹,等.石膏型熔模特种铸造工艺
[J].铸造技术,2002,23(6):3472349.
[4] 叶久新,陈永泰.石膏型熔模铸造工艺研究[J].湖南大学
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[5] 孙昌建,舒大禹,王元庆,等.大型复杂薄壁铝合金铸件真
空增压铸造技术[J].铸造技术,2008,29(2):2322235.