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消失模大型铸件的工艺措施

消失模大型铸件的工艺措施

中国铸造科工贸 桂林消失模与V法培训中心

张玉芳

一、涂料

随着汽车工业的飞速发展,大型冲压件的生产和使用量急剧增加,相应地中大型模具的需求量也大幅度增加。近年来大量的研究和实践表明,球墨铸铁屈服强度比普通钢还要高,基体组织与钢相同,球状分布的石墨不易产生应力集中,另外球墨铸铁能够浸入润滑油,组织中的石墨具有自润滑作用,能有效地减轻拉伸中的摩擦。理论上讲,凡对钢可以进行的热处理工艺基本上都适用于球墨铸铁。因此,可通过适当的热处理来改变球墨铸铁的组织状态,以提高其性能,球墨铸铁材料是替代合金模具钢的优选材料,而高强度灰铸铁材料也可以代替部分碳素钢。

FM法即粘结剂自硬砂实型铸造法,区别于干砂无粘结剂的抽真空造型法,在我国已有多年生产历史和成熟经验。在铸铁件生产上通常使用呋喃树脂自硬砂充填铸型去覆盖汽化泡沫模,待铸型硬化后把铁液浇入型腔,泡沫模在砂型里面烧失殆尽后便形成铸件。此法省去了一般砂型铸造中的起模、翻箱、下芯及合箱工序,提高了铸件整体尺寸精度,降低了劳动强度,缩短了生产周期,是铸造中大型单件铸铁模具的适用方法。

实型铸造过程中如何选择合适的涂料是比较关键的一步。以往在涂料配置过程中会根据铸件的要求来调整骨料的不同材质、粒度分布等,来获得涂料不同的耐火度、涂层强度、烧结性能和透气性能的技术指标要求。考虑到模具铸件大小和壁厚不一,球铁的糊状凝固与灰铁的层状凝固的不同特点等因素,因而最为合适的涂料往往需要定制。这种方式在目前涂料普遍商品化的条件下很难实现。为此我所试验了采用两种或以上不同类型的涂料,在使用现场根据需要复合配置的工艺方式来满足现场使用的需求。这样既兼顾了商品化、标准化,又满足了个性化的需求。

 1、 涂料的混合使用性能测试

根据铸铁消失模的普遍要求,我们选用两种涂料作为基本涂料。一种是专门针对铸铁件使用的石墨矾土基涂料(G5桂林五号的简称),另一种是以棕刚玉基为主要骨料的高耐火度、高透气性涂料(G6桂林六号简称),作为后续试验和测试的基础涂料。

1.1、 耐火度

耐火度又称耐熔度,它是指材料在高温作用下达到特定软化程度的温度,表征材料抵抗高温作用的性能,是评定耐火材料的一项重要技术指标。耐火度不是物质的物理常数,而是一个技术指标,它的高低由物料的化学组成、分散度、液相在其中所占比例以及液相黏度等所决定。

耐火度所表示的意义与熔点不同。熔点是结晶体的液相与固相处于平衡时的温度。耐火度是多相体达到某一特定软化程度的温度。对绝大多数普通耐火材料而言,都是多相非均质材料,无一定熔点,其开始出现液相到完全熔化是一个渐变过程,在高温下相当宽的

范围内,固液相并存。故欲表征这种材料在高温下的软化和熔融的特征,只能以耐火度来度量。

耐火度的测定标准依照GB/T 7322-2007耐火材料耐火度试验方法,试验原理是将耐火材料的试验锥与已知耐火度的标准测温锥一起栽在锥台上,在规定的条件下加热并比较试验锥与标准测温锥的弯倒情况来表示试验锥的耐火度。

试验参数为:额定温度1800℃,升温速度0-20℃/min,锥台回转速度3r/min,控制方式为微机自动测控。

耐火度仪控制系统如图1所示,在试验过程中的试样和标准锥如图2所示,图2中显示出不同温度的标准锥弯曲情况。


                    

                     1                                                 2

经过试验发现,涂料G5耐火度为1550℃,G6的耐火度为1680℃,两种材质涂料的耐火度均已大于铸铁件一般的浇注温度。考虑到实际使用时由于铸件壁厚以及热节点的不同,会对涂料的耐火度有进一步的要求,所以可以根据铸件实际使用要求来复合配比这两种涂料,已达到理想状态。

1.2、 透气性

影响涂层透气性因素有很多,在选择相同粘结系统和一样的涂层厚度的情况下,涂料中耐火骨料的种类和组分的变化对透气性有着重要影响。通过将三种有代表性的不同骨料制成试验样品,测定样品的透气性来验证。试验方法采用目前普遍的金属网片上涂挂涂料,干燥后在型砂透气性试验仪中测定其透气性数据。

从图3可知,粉料的粒径越大,透气性也越高。这是由于当粉料粒径变大,粉料间的空隙也就越大,涂料的透气性自然就提高了。并且在三种骨料棕刚玉、锆英粉和铝矾土中,棕刚玉的透气性最好。当平均粒径为0.038mm时,棕刚玉的透气性就好于其他两种骨料0.075mm粒径的透气性;当三种骨料粒径达到0.075mm时,棕刚玉透气性达到最高,约是其他两种骨料的两倍。从该结果可以看出,棕刚玉的骨料结构可改善涂料的透气性。

刚玉粉的组织结构是不规则多角形的晶体,该粉料硬度也大,这种特性容易在粉料间形成空隙。并且棕刚玉热膨胀小且均匀,使得高温状态下的体积稳定、不龟裂,可保证这种透气孔径大小不变化,使得涂料的透气性高于其他粉料。

通过骨料的透气性试验,我们应该选择棕刚玉为主要骨料制成了涂料G6,以满足客户较高的透气性要求。但片面的提高透气性就要以降低涂层表面质量为代价,在保证透气性的同时也要兼顾了涂层表面质量,因而我们又选择了以铝矾土为主要骨料制成的G5涂料,两种涂料根据实际需要复合使用。

2、 桂林五号强瓷使用方法

对于生产铸铁件来说,选用石墨作为耐火骨料是一种理想的选择,石墨在铸型界面易生产还原性气氛,对氧化铁具有惰性,并且在高温下铸型与铸件界面之间产生一层光亮碳膜,这层光亮碳膜不被金属及金属氧化物润湿,能够让粘砂层很容易剥离下来。最终使铸件表面光洁,另外石墨良好热稳定性,膨胀系数小,涂层在高温下能经受温度剧烈变化,不会产生裂纹,

根据我们的综合多数客户的使用经验来看。除非特别复杂的件,一般铸件在3吨以下的可直接选用涂料G5一种,基本可以实现耐火度和透气性的要求;铸件在3吨到10吨的采用涂料G5G6混合比例为6:5,即6kgG55kgG6复合使用;铸件在10吨以上的则一般需要涂料G5G6混合比例为3:10。当然现场使用时也可根据客户实际工艺来调整。

2.1刷涂

在一些规模较小的企业,考虑到场地及周转情况,一般采用刷涂工艺。刷涂法,顾名思义,其主要是依靠手工通过刷子来完成的,相对而言,刷涂法对于涂料的技术性要求不及喷涂法和浸涂法严格,但是由于其主要是靠人工来完成,对于操作者的技术和经验要求相对比较高。刷涂法最大的缺点就是劳动强度大、生产效率低,几乎所有工作都靠人工完成。

采用刷涂工艺时,一般控制复合涂料的波美度在90~100之间,涂料涂刷2~3层。特别需注意的是,由于是手工涂刷,难免在部分地方有多有少,所以应该在拐角和深坑的地方防止涂料大量堆积。图4是模具铸件采用手工刷涂情况。

2.2流涂

对于大部分规模较大的企业,一般推荐采用流涂工艺。此时一般控制复合涂料的波美度在65~70之间,涂料流涂2~3层。由于此时的涂料比较薄,所以在流涂完成后,翻转模型时就会使多余的涂料自然流走,不会像刷涂时一样,在某些部位有堆积。图5是模具铸件采用流涂时情况。

3、 现场应用实践

3.1汽车冲压模铸件

安徽某大型铸造企业,采用呋喃树脂砂作为铸型,使用消失模铸造工艺大量生产汽车冲压模铸铁件,涂料使用工艺是在模样上流涂重量比为6:5(G5:G6)的复合涂料,涂料波美度为68,涂料流涂次数为两次,涂层总厚度约为0.8mm,烘干后模样见图6。该铸件材质为HT300,浇注温度为1390℃,铸件重量为7.5吨,浇注结果见图片7,铸件清理完后,表面光洁,尺寸精准。

3.2大型机床类铸件

江苏某铸造企业,也采用呋喃树脂砂消失模工艺生产大型机床类铸件,涂料采用刷涂工艺,波美度控制在90左右,模样上涂刷重量比为3:10(G5:G6)的复合涂料两次,涂层厚度约为1mm,刷完复合涂料后的模样见图8;铸件材质HT250,铸件重量为13.2吨,浇注温度1450℃。清理完成后的铸件如图9所示。

4、 结论

对于大型模具类铸铁件采用消失模工艺而言,涂料的选择和合理使用尤为关键。通过本文的研究和类似工厂的使用经验,可以得出以下结论:

1) 通过选择两种不同性能的消失模涂料的复合使用,使得现场可灵活的按照工艺要求调整混合比例,已达到最合适的使用效果;

2) 涂料的耐火度和透气性是衡量消失模涂料使用性能的重要指标;

3) 铸铁件选用石墨作为耐火骨料是一种理想的选择,考虑其耐火度可作为部分耐火材料加入;

4) 棕刚玉粉的组织结构是不规则多角形的晶体,该粉料硬度也大,这种特性容易在粉料间形成空隙,使得涂料的透气性较高;

5) 涂料的涂覆采用流涂工艺可显著提高工作效率,涂层的均匀性也能得到较好的保证。

6)消失模铸造大型铸件桂林五号与六号同时使用,粘砂几乎为零,由于透气性能良好,使铸件内部气孔大幅减小,结瘤夹砂等一系列问题消除,由此可见,涂料的使用是产品质量的最大关键。


2019-01-07

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