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1、近代化学固化砂铸造工艺近代化学固化砂铸造工艺1气化模-负压铸造技术(EPC-V 法)EPC-V 法铸造技术的关键为制造优质气化模,配制涂挂性和透气性好的涂料和负压工艺等。(l)优质气化模制造 气化模在 EPC-V 法中占有极其重要的地位,其质量优劣直接影响铸件的质量。目前用于制造气化模的材料主要是聚苯乙烯珠粒(EPS),要求密度和粒度尽可能小,密度为 0.0150.025gcm3,珠粒直径参考值见表 1。对于不同的铸造合金,由于浇注温度不同,对 EPS 模型的密度要求也有差异详见表 2。成模发泡时在型腔内要建立一定的负压,以利 EPS 珠粒均匀充满,获得表面光洁、密度均匀的泡沫塑料模型。表 1
2、 铸件壁厚与 EPS 珠粒直径关系 铸件壁厚/mmEPS 原珠直径/mm预发泡后珠粒直径/mm344550.30.40.40.50.50.60.91.21.21.51.52.5表 2 不同铸造合金用 EPS 模型密度参考值 铸造合金浇注温度/EPS 模型密度/(kg/m3)铝合金铜合金灰铸铁钢7007801030126013701450159016502425.62021.62017.6(2)耐火涂料 涂料必须具有良好的涂挂性、透气性和强度。由于涂料涂在 EPS 模样表面,在施涂方法上采用浸涂和淋涂,因此 EPC-V 法铸造要求涂料在模样上均匀流布附着并保持足够的厚度,模组从涂料槽中取出后又要
3、求粘度较快增长。具有这种性能的涂料必须是有一定屈服点值(712Pa)和较小触变性的假塑性流体,才能使涂料具有良好的涂挂性。涂料一般以水作载体,分别以铝矾土、石英粉、刚玉粉、诰英粉等与不同种类粘结剂如聚乙烯酸(PVA)、羧甲基纤维素(CMC)、聚醋酸乙烯乳液(PAL)、粘土、硅溶胶等配制而成。以PVA、CMC、PAL 等作粘结剂的水基涂料具有触变性,采用膨润土和 CMC 配合作用或用10m 的细粉来调节涂料的流变性。由于 EPS 模型的发气量大,按 EPS 模壁厚不同发气量波动于 540cm3/g 之间,所有这些气体都必须通过涂料层排出,因此涂料层必须具有良好的透气性和强度,这是获得合格铸件的关
4、键。提高涂料透气性的主要途径:选用粒度较粗 0.10.075mm(150200 目)颗粒较集中的耐火骨料、选用多孔的轻质材料作骨料、采用薄层涂料及微波干燥法均可改善涂料的透气性。(3)无粘结剂干砂造型 该造型法最重要的是要求铸型具有良好的透气性、足够的紧实度。填砂造型时一般选用单筛砂,其粒度推荐值见表 3,砂粒呈圆形或多角形的型砂,还必须经振动紧实,以获得均匀和足够的堆积密度。对于形状简单的部件,一维振动已足够;对有深腔和凹槽多的复杂零件,要采用三维振动造型来紧实型砂。造型时选择适当的振动强度。振动加速度在 1.52.5g 范围内效果最好。表 3 型砂粒度推荐值 型砂粒度/mm 浇注合金 负压
5、造型常压造型铸钢、铸铁件铸铝件铸铜件0.3550.28(5060 目)0.1540.1(100150 目)0.1540.1(100150 目)-0.3550.154(50100 目)0.3550.154(50100 目)(4)铸型负压度的控制 该法浇注及冷却期间,铸型必须保持一定的负压度,其作用为:固定松散的干砂,保持铸型有足够的强度、消除浇注时 EPS 分解产物对铸件、填砂及环境的污染、控制金属液的充填。EPC-V 法铸造用的真空系统如图 1 所示。正确选择真空泵的功率和排气量是保证 EPC-V 法铸型维持适当负压度的前提条件。真空泵的动力消耗可按下式计算WKn(V1mQ)式中 W水环式真空
6、泵电动机功率(kw);K动力系数, K26(kw/m3);n砂箱个数;V1单个砂箱的体积(m3);安全系数(取 310);m每个砂箱内的 EPS 模型质量(kg);QEPS 发气量(浇注钢铁时,取 Q0.51.0m3/kg)。在实际生产中一般都是依据真空罐上的真空表调节负压度,为了保证铸型有足够的稳定性,要正确选择初始负压度,初始负压度低于 0.02MPa 时铸型强度不够,极容易出现金属喷溅现象,若高于 0.05MPa 时又容易产生渗透粘砂缺陷,一般铸型负压度控制在 0.0250.05MPa 范围内,浇注薄壁小件可取低值。2气化模-精铸-负压复合铸造技术(EPC-CS 法)该工艺的突出特点是用
7、气化模来代替蜡模,因此制造优质气化模及超薄陶瓷型壳是 EPC-CS 法复合铸造的关键,其次是振动紧实负压工艺。(1)优质气化模的制造 该法气化模用的原材料为聚苯乙烯珠粒(EPS),但与 EPC-V 法用的 EPS 珠粒不同,为获优质气化模要采用高密度、粒径小而均匀的 EPS 珠粒,其粒径为 0.250.5mm,密度为 0.l0. 3g/cm3。气化模的成形包括:设计与加工气化模用模具,聚苯乙烯珠粒的预发、干燥熟化、气化模的蒸气成形工艺。EPS 珠粒的预发采用热水预发工艺,将 EPS 珠粒放入连续式预发泡机中,加入适量的分散剂,为避免珠料预发时粘结,要严格控制预发温度和时间,使预发后 EPS 珠
8、粒的密度为 0.059/cm3左右。此密度的预发珠粒具有较高的膨胀能力,成形后可得到表面光洁、尺寸精确的气化模。可发性 EPS 珠粒最佳热水预发工艺见表 4。预发后的可发性 EPS 珠粒要在空气中放置一段时间,让空气渗透到珠粒的泡孔内,使珠粒变得干燥而有弹性,这个过程为熟化。预发后的 EPS 珠粒含水量很高,必须进行干燥,干燥熟化工艺见表 5。干燥熟化时,为加快速度可以吹风,风速以不使 EPC 珠粒沸腾为限。表 4 热水预发工艺 预发温度/热水预发时间/min加料量/水量分散加入量/水量1001022360.03表 5 干燥熟化工艺 干燥熟化温度/干燥熟化时间/h干燥后 EPS 珠粒含水量(%
9、)50121 指质量分数。气化模成形应用最广、使用效果最好的是蒸汽成形法。该法是用过热水蒸气作热载体,将装满顿发的可发性EPS 珠粒的母型(型壁装有排气筛的铝等轻合金模具)放入蒸汽室,通入过热蒸汽,热蒸汽通过排气筛进入母型内加热珠粒,使其发泡并保持到 EPS 珠粒再发泡终了为止。气化模蒸汽成形工艺见表 6。表 6 蒸汽成形工艺 喷料压力/MPa成形压力/MPa模具预热时间/s成形时间/s0.340.440.0980.14710151030(2)超薄陶瓷型壳 EPC-CS 法复合铸造用超薄陶瓷型壳厚一般为 34mm,因此型壳必须具有足够的强度,为此选硅溶胶作为粘结剂,锆英粉、铝矾土粉作为涂料的填
10、料,莫来石砂作为撒砂材料。采用如下精铸制壳工艺制取超薄陶瓷型壳。1)严格控制涂料的质量,涂料按组元配制后,采用“L”型涂料搅拌机低速长时间搅拌,使粘结剂与填料充分润湿。面层涂料粘度:(301)s,加固层涂料粘度:(152)s。2)制壳工艺:根据铸件大小,型壳可挂 34 层,制壳工艺参数详见表 7,最后型壳再挂一遍涂料,干燥后待用。表 7 制壳工艺参数 工艺参数 层次 撒砂粒度/mm(目)干燥时间/h环境温度/相对温度(%)面层(一、二层)0.45/0.22(40/70 目)莫来石砂4618204060加固层(三、四层)2.0/0.9(10/20 目)莫来石砂24182040603)失模、型壳焙
11、烧工艺:型壳在高温焙烧前要将气化模从型壳中融出,为此将模组放人带托盘的低温干燥箱中进行加热,使气化模变成融熔流体从型腔中脱出,较好的失模温度为 5090,保温 3040min。将失模后的超薄陶瓷型壳放入高温炉中焙烧,在 10001050下保温 lh,出炉用于浇注。由此不难看出,EPC-CS 法复合铸造在浇注前将气化模熔失,再进高温炉焙烧,因此在型壳中没有残存碳,可用于浇注任何合金铸件,同时解决了气化模燃烧时产生的烟雾,减轻环境污染。(3)振动紧实及负压工艺 将焙烧后的陶瓷型壳放人振动台上的砂箱中,填入 0.9mm0.45mm(20 目/40目)或 2.0mm0.9mm(10 目/20 目)的型
12、砂,通过振动紧实和负压物理过程,使型砂得到紧实,保证型壳具有足够的抗变形、抗开裂能力,防止型壳因热冲击及合金凝固收缩应力作用产生破裂、跑火等现象。型砂振动紧实以共振状态下紧实效果为最好,三维振动紧实效果优于二维、一维振动紧实效果。一维振动参数选择合适仍能满足生产要求,而且设备投资少,操作简便。一维振动紧实型砂的最佳工艺参数如下:频率为 50Hz 左右,振幅为0.lmm 左右,加速度为 11.5g 左右,振动时间根据铸件复杂程度确定。在铸件浇注和冷却过程中必须实施负压,有利于型腔中气体的排除和金属液的充填,提高铸件表面质量。适宜的真空度为 0.03MPa 左右,浇注后消除负压,将铸件从型砂中取出,除掉超薄陶瓷型壳,获得优质铸件。