消失模铸件表面质量研究

  

消失模工艺又称负压实型铸造,简称EPC工艺。采用聚苯乙烯珠粒发泡制模和真空浇铸技术,被国内外铸造界誉为"二十一世纪的铸造技术""铸造工业的绿色革命",国家科技部将该技术列为国家重点推广的高新技术项目。随着航空航天和汽车工业的迅速发展,对复杂薄壁的铸件的需求日益增加,真空低压消失模壳型铸造是将消失模模样精密成型、融模铸造精密技术及真空低压铸造成形多项技术相结合,进行复杂薄壁铸件生产的一种新方法。该法综合了泡沫模的低成本、收缩小、尺寸和结构设计灵活,陶瓷型壳的高精度以及真空低压铸造的高性能成形等特点。因此,真空低压消失模壳型铸造在生产复杂薄壁精密铸件具有独特优势,应?#20204;?#26223;非常广泛。

真空低压消失模壳型铸件的表面质量与泡沫模表面质量、型壳表面质量以及金属与铸型间的润湿性等诸多因素有关,如果其中任?#25105;?#32032;控制不当,就会对最终获得铸件质量造成很大的影响。因此,本文将从泡沫模表面质量、型壳表面质量以及金属和铸型间的润湿性等方面对铸件表面质量的影响进行讨论,旨在提出改善真空低压消失模壳型铸件表面质量措施,获得高质量铸件。

1、             泡沫模表面质量对铸件表面质量的影响

泡沫模是采用发泡成型工艺制备?#27169;?#27873;沫模的表面质量与发泡模具、泡沫材料及发泡成型工艺都有很大的联系。一般?#27492;擔?#21457;泡模具表面质量越高,获得的泡沫模表面质量也越高;泡沫模的密度越高,泡沫模的表面质量越高。表面质量较高的泡沫模获得的型壳和最终铸件的表面质量也较高。

泡沫模的发泡成型是由聚苯乙烯珠粒融合在一起形成的。然而,最终获得的泡沫模的珠粒间总存在一些沟槽(见图一),型壳将复制这些沟槽,形成网状形貌(见图二);另外涂挂涂料时,由于涂料和泡沫模有很好的润湿性,涂料将渗入到珠粒间的沟槽,形成毛刺形貌(见图二),这些都将显著影响铸件的表面质量。

     

                  图一                     图二

因此需要采取措施避免沟槽的不利影响,可以采用在泡沫模表面涂覆光洁剂来消除珠粒间的沟槽,同时表面光洁剂应该能很好的润湿泡沫模,在泡沫模表面形成一定厚度的薄层填平珠粒间的沟槽,且对铸件的精度影响很小。实验用硝化棉20%,乙醇65%,乙二醇乙醚12%,蓖麻油3%等配方配制表面光洁?#31890;?#22914;图三所示,在泡沫模表面形成一层均匀薄层(厚度小于0.1mm,该光洁层覆盖了泡沫模表面的沟槽,光

                       


图三

洁层表面的粗糙度为Ra0.87μm。该光洁剂具有良好的流动性和快干性,不与泡沫模反应及腐蚀,型壳燃烧后无残留灰分。实验结果?#21644;?#25346;表面光洁剂后,泡沫模、型壳及铸件的表面质量粗糙度大大降低,其中铸件的表面粗糙度较涂挂前降低了61%。实验表明:光洁剂对铸件表面质量的改善具有显著效果!

2、             型壳表面质量对铸件表面质量的影响

表面光洁的型壳是制备高质量铸件的保证。影响型壳表面质量的因素主要包括泡沫模表面质量和涂料性能等方面。泡沫模表面质量以上已有阐述,以下是涂料性能对铸件表面质量的影响以及相应的改善措施。

涂料主要是由粘接剂和耐火材料组成。在融模铸造中,型壳制备常采用的粘接剂主要是:硅溶胶、硅酸乙酯和水玻璃。其中水玻璃型壳表面粗糙度较高、尺寸精度低、表面质量较差、型壳高温强度低、抗变?#25991;?#21147;差,所以很少采用。硅酸乙酯易于挥发,不利于环保,且高温强度较硅溶胶低,价格不菲。硅溶胶型壳高温强度好、高温抗变?#25991;?#21147;强、?#26085;?#31283;定性高、且型壳表面质量较高,型壳不需要化学?#19981;?#20351;用方便、环境卫生、价格相对?#31995;停?#22240;此是目前融模铸造中适合采用的粘接剂。耐火材料作为制备涂料的填料,其粉料目数对型壳及铸件表面粗糙度有很大的影响。增大耐火粉料的目数,可以大大降低型壳和铸件的表面粗糙度。

根据公式:2σ/R=p

      其中,R为涂料颗粒的平均半径;

            σ为液态金属的表面张力;

            p为向被研究的涂料颗粒R所施加的压力。

    由上式可以看出,涂料的颗粒过大,会增加铸件表面的粗糙度。

    另外,涂料应具有较高的粉液比,使得型壳更?#21448;?#23494;,干燥以后表面产生更少的裂纹,涂料粘度也不能过高,以使涂层均匀的附在泡沫模上;涂料内的小气泡应尽量减少,使涂料具有良好的流动性,避免微气孔复制在型壳上。以上都是有利于改善型壳的表面质量。

3、             金属与铸型间润湿性对铸件表面质量的影响

液态金属充填铸型的过程,实际上就是液态金属挤走型内气体,并占据原有的空间的过程,见图?#27169;?#22312;这个过程中始终存在着液、固、气三相界面的相互作用。由于空气的动力粘度很小,而液态金属的动力粘度很大,?#21448;?#28082;态金属的密度又大,因而迫使该层气膜变得很薄。当型壁的透气性不太好,因为气体与型壁润湿,而液体与型壁不润湿,气体所隔开的两个界面上的物理和化学吸附以及型壁表面并非均匀等因素的影响,因而残留气体薄膜的形状、尺寸和位置都是随机分布在型壁?#31995;模?#20174;而造成铸型所铸出的铸件表面存在着随机分布的凹坑,使铸件的表面粗糙度要大于型壁的表面粗糙度。

图四

因此,气膜的存在会对铸件表面粗糙度造成一定的影响,应设法消除或削弱气膜。真空下浇注,可以消除气膜,提高铸件的表面质量;压力下浇注成形,?#37096;?#20197;减薄气膜,提高铸件的表面质量。另外,改善型壳的透气性,有益于气膜的溢出,降低铸件的表面粗糙度。在真空低压消失模壳型铸造过程中,金属液体是在真空与压力下进行冲型和凝固?#27169;?#24182;且型壳设有排气孔,因此可以大大减小气膜对铸件表面质量的影响,获得更高质量的铸件。

结论

1、泡沫模珠粒间的沟槽会对型壳及铸件表面质量造成较大的影响。通过在泡沫模表面涂挂光洁?#31890;?#21487;以覆盖珠粒间的沟槽,提高泡沫模的表面光洁度,进而显著提高型壳和铸件的表面质量。此外,采用高密度的泡沫模?#37096;?#20197;提高铸件表面质量。

2、涂料性能很大的影响着铸件的表面质量。其中硅溶胶粘接剂制备的型壳强度高、表面质量好。采用较高目数的粉料制备涂料,最终获得的铸件表面质量较好。另外,涂料的粉液比应尽量高,粘度不能过大、气泡应尽量少。

3、  在金属充填型腔过程中,型腔与金属液间的气膜的存在会对铸件表面质量造成一定的影响,应设法消除或削弱气膜。采用真空和压力下浇注,可以减少气膜,提高铸件的表面质量。


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