消失模铸造生产的基本工艺流程要求如下:制作泡沫塑料模样→挂涂料→模样干燥→造型→浇注→铸件清理。
质量控制点主要有以下几个方面:
⑴消失模铸造泡沫塑料模:模样密度(kg/m3)要求控制在18-26,根据铸件的合金种类及其铸件的形状结构和大小不同而定,密度小于18时模样容易变形,密度大于26时模样因密度较高,在浇注燃烧时的发气量较大,可能会引起反喷。考虑到消失模的碳渣缺陷,在保证模型强度的前提下,密度越小越好。现在基本控制在20以下。
⑵消失模铸造涂料:涂料的涂挂性是首选性能,涂料必须能涂挂在白模表面,在模样烘干、浇注过程中要有低温强度和高温强度,浇注过程中涂料层必须要有良好的透气性,使得白模在气化前后的型腔中的气体,液体混合物从涂料层中排除;铸件冷却后涂料容易从铸件表面自动剥离。详情参考历史消息《消失模涂料技术要求及成分组成》。
⑶白模干燥:白模软化温度在80℃左右,为了保证白模在烘干涂料水分的过程不变形,烘干房的温度一般控制在55℃以下,也可以使用阳光下烘干。烘干时间一般在12h或更长,以使涂料彻底干燥。经烘干的白模模样应该没有变形,涂料层完整,并注意防止白模返潮。
⑷消失模铸造造型:硅砂采用ZGS90-70/140(53)其中灰分和含泥量要尽可能的少。埋砂时注意模样结构,对铸件易产生粘砂以及一些热节部位应埋砂紧实,撒砂要分层逐步并均匀。
消失模生产是系统工作,每一个环节务必严格把关,对具体铸件务必严格执行工艺规程,各工序专人管控,保证生产的基本技术要求,获得优质的铸件。此外,在平时的生产中仍然有一些铸造缺陷,如铸件的表面粘砂,皱皮等,还有消失模铸造工艺所固有的铸件变形问题等,对这些铸造缺陷进行深入系统的分析,查找各种可能的 影响因素并进行有效的控制,以求最大限度地防止其产生。
1、粘砂及防止
粘砂是消失模铸造和砂型铸造常见的缺陷之一。铸件部分或整个表面上夹持着有很难清理的型砂。粘砂常出现在铸件的底部或侧面,及铸件热节区和砂型不易紧实的部位。机械粘砂(金属包砂)是金属液在压力作用下渗入铸型型壁砂粒孔隙中产生金属和砂粒互相掺和、互相粘着的现象。这种现象使铸件的成本增加、表面质量降低、工人劳动强度增加。因此,有效的防止铸件的粘砂就成为铸造行业长期研究的课题。
㈠影响因素
砂型可被视为富含孔隙的多孔体,金属液由孔隙渗透,在渗透阻力小时,会形成砂粒与金属成为一体的机械粘砂缺陷。一个铸件在下型部分通常比上型部分要粗糙,这是铸件下部铸型要承受较大金属液柱压力P柱的结果。金属要渗入砂粒间的孔隙中,必须克服砂粒间孔隙半径r制约的临界渗透压力P临即
P柱≥P临 = 2σcosθ/r砂×10-5N/CM2
式中 σ——液体的表面张力(×10-5)N/CM2
θ——润湿角或接触角
采用细砂,r值越小则金属渗入阻力越大。
砂型和砂芯表面刷涂料可以降低r值。
⑴金属液对砂型表面的润湿性
金属液渗入砂型的程度首先与金属液对砂型表面是否润湿有密切关系。
金属液对砂型是否润湿和其润湿程度可用润湿角θ来衡量。润湿角为金属液和砂型(固体)分界线通过液、固、气三相交点和液滴表面的切线所夹的角。当金属液进入型腔时,砂型表面的水分分解生成H2、及O2,O2和高温铁液反映生成FeO及CO。FeO在1377℃以上是液态,其表面张力为585×10-5N/cm2与SiO2基底的夹角为21°﹤90°,故说FeO对砂粒润湿,但液态铁在SiO2基底接触角度为154.4°﹥90°,故对砂粒不润湿,但对FeO润湿。此外,砂粒与FeO产生化学反应生成低熔点的铁硅酸盐,即(Fe2SiO4)
SiO2(S)+2FeO(L)→2FeO·SiO2(L)
使砂粒部分溶解砂粒间的孔隙增大;毛细管压力减小,容许金属液以更小的液柱压力进行渗透。
此外,原砂耐火度低时,原砂易烧结和局部融化(边角烧蚀),使砂粒间的孔隙扩大而增加渗透。
⑵金属液压力
金属液压头越大,金属液压力也越大,即金属渗透越容易发生。因此,高大铸件的底部比较容易形成机械粘砂;铸件上由型芯组成的内腔表面,由于金属凝固收缩时产生的压力大,同时冷却也比较慢,所以比外表面更容易形成机械粘砂。
⑶浇注温度和铸件壁厚
浇注温度T越高,铸件壁厚越大,则金属液在砂型表面保持液态的时间越长,金属液的流动性越好,渗入孔隙的金属液就越多,渗入深度也越大。与此同时,金属液温度较高时,砂型被剧烈加热,渗入孔隙内的金属也不易冷凝,因而渗入深度也越大。因此,铸件的厚壁部分或转角等热节部分比较容易产生机械粘砂。
⑷砂粒大小和砂型紧实度
减小砂型表面的孔隙可减小金属液的渗入深度。但是在浇注温度较高的情况下,有时在金属渗入深度上细砂反而比粗砂大。这是由于浇注温度提高到一定程度后,细砂先被烧结而使孔隙变大的缘故。造型时的局部型砂没有得到紧实,浇注时浇注时金属液压力下和模样分解产物压力下局部涂层向外鼓胀及开裂,形成裂缝而粘砂。
⑸模型表面的涂料
模型表面的涂料导热性越好,则金属凝固越快,不易渗入砂型,即使涂料开裂渗入砂型孔隙,也由于迅速冷凝而减小渗入深度。鉻铁矿砂、镁砂和锆砂等特种砂的导热性均比普通硅砂好,这些材料可以用作防粘砂材料。涂料层开裂或脱落,金属液通过涂料层破裂、剥落处渗入型砂孔隙中,形成机械粘砂。涂料层较薄时金属渗透过 涂层而与型砂粘接而凝固在表面上。
总之,消失模铸造的机械粘砂,首先要考虑的是涂层开裂的因素。
2.改进措施:
⑴使用耐火度高的细粒原砂;
⑵采用再生砂时,去除过细的砂粒、灰分、金属氧化物、废金属、铁包砂及其他有害杂质,提高再生砂质量,定期补充适量新砂;
⑶提高砂型的紧实度和紧实均匀性;
⑷浇注系统和冒口设置应避免使铸型局部过热。内浇道应避免直冲型壁;
⑸适当降低浇注温度、浇注速度和浇注高度,降低上型高度和浇口杯高度,以减低金属液动压力、静压力及对铸型的热冲击;
⑹选用涂料应具有良好的性能,能牢固粘接在模样上,涂层致密并有足够的强度、耐火度,在操作过程中不发生脱落剥离现象,涂料线收缩应小,且具有良好的抗急冷急热性。
⑺增大润湿角。可通过减少金属液中的氧和Mn的含量;适当加入抗粘砂附加物,减弱氧化性的气氛,使砂粒表面及砂粒间形成碳膜,以减少金属液体表面的氧化及对砂型表面的润湿。
皱皮及防止
铸件表面有厚度不同的皱皮,有波纹状、滴瘤状、冷隔状、渣状或夹气夹渣状,波纹状较浅,其余皱皮较厚、较深,其表面常呈轻质发亮的碳薄片,深凹沟陷处充满烟黑,炭黑等。皱皮的厚度为0.1-1.0mm,甚至超过6mm,导致铸件报废。这种缺陷往往在铸铁液最后流到或液流的“冷端”部分,对于大件则出现在上部,中小薄壁件往往呈现在侧面或者是死角部位。这于浇注系统有关,顶注式浇注系统有利于减少表面皱皮缺陷,但是容易引起内部炭黑夹杂。底注式浇注系统可以实现金属液平稳上升,EPS模样逐层气化,不会产生内部炭黑夹杂;但在铸件上表面往往会聚集较多的热解产物,同时上部金属液温度最低,不利于热解产物气化,容易形成较严重的皱皮缺陷。因此,必须在上不设置集渣冒口,设法将热解产物排除铸件之外。当1350-1420℃铁液注入型内时,EPS料模急剧分解,在模样与铁液间形成孔隙,料模热解形成一次气相、液相和固相。气相主要由CO、CO2、H2、CH4和分子量较小的苯乙烯以及它们的衍生物组成;液相由苯、甲苯、乙烯和玻璃态聚苯乙烯等液态烃基组成;固相主要由聚苯乙烯热解形成的光亮碳和焦油状残留物组成。因固相中的光亮碳与气相、液相形成熔胶黏着状,液相也会以一定的速度分解形成二次气相和固相。液态中的二聚物、三聚物及存在再聚合物,这当中往往会出现一种粘稠的沥青状液体,这种液体分解物残留在涂层内侧,一部分被涂层吸收,一部分在铸件与涂层之间形成薄膜,这层薄膜在还原(CO)气氛下形成了细片状或皮屑状、波纹状的结晶残碳即光亮碳,此种密度较低(疏松)的光亮碳与铁液的润湿性很差,因此在铸件表面形成碳沉积。
㈠影响因素
⑴泡沫模样:模料EPS含碳量较高,含碳92%,气态分解产物少,固态分解产物多,分解后液相分解产物越多,越容易产生皱皮。
⑵铸件材料成分的影响:含碳低的铸铁件(合金铸铁),模样分解产物中的碳可以部分溶解在其中,不易产生皱皮;含碳高的铸铁(球铁)最易形成皱皮。
⑶浇注系统的影响:浇冒口系统对铸铁充型流动场及温度场有着重大影响,直接决定着EPS模料的热解产物及其流向;加大直、横、内浇道截面积后,易产生皱皮(模料量增多)。
⑷铸件结构影响:与模数有关,其值越小,越有利于模样热解产物的排除,皱皮缺陷产生的倾向越小。
⑸浇注温度影响:在各种条件一样的情况下,随着浇注温度的提高,皱皮缺陷减少或者消除,因为温度提高模料热解更彻底,气相产物比例增加,液相、固相产物减少,有利于减少消除皱皮缺陷。
⑹涂料层及型砂透气性的影响:涂层及型砂透气性越高,越有利于模样热解产物的排出,减少了形成皱皮缺陷的倾向,所以涂层越薄涂料骨料越粗,越有利于排气,较少皱皮出现。
㈡防止措施
(1)采用低密度EPS模型材料;较大的铸件或直浇道,可采用空心的模型和直浇道以减少发气量,模型材料密度0.016~0.022Kg/CM3为宜。
(2)浇注系统应保证铁液流动平稳、平衡、迅速地充满铸型,以保证泡沫残渣和气体溢出行腔外或被吸入涂层和砂型空隙中,尽量减少浇注过程中铁液的流热量的耗损,以利于加速模型气化。采用顶住和侧注虽不易出现皱皮,但会产生内部富碳缺陷;底注能减少铸件富碳缺陷,但易在顶面,特别是厚大部位产生皱皮。对于高度不大 的小铸件宜采用顶注,或加大切除量,将皱皮集中去除。
(3)提高浇注温度和浇注速度,使铁液有充分热量将模型气化,减少其分解物中的固相、液相成分。铁液浇注温度宜比砂型高30~80℃,或再高些,对于负压干沙消失模铸造铁液浇注温度以1420~1480℃为佳。浇注液流股由细、小,变粗大,再转细小。收包,冒口要补浇。
(4)提高涂料层的透气性:涂料层的透气性取决于涂料中耐火材料的粒度,配比及涂层厚度,好的涂料涂层再0.5—1.0mm已具有足够的强度并具有良好的透气 性。涂料过后会使透气性下降,逸气通道受阻,易产生气孔、皱皮等缺陷。球铁铸件涂料不能加入有机物将其烘干而提高透气性,因为涂料中存在有机物的残余,增 加了C、H2含量反而易致使气孔或皱皮。
(5)降低铸铁碳含量,减少自由碳的数量。
影响皱皮缺陷的因素是多方面的,应紧紧抓住有利于泡沫气化这个中心因素,综合考虑各方面的影响问题。制定出最佳工艺来保证获得无皱皮的优质消失模铸件。
铸造企业管理与其他企业相比难度较大,除了因为它是系统工程,不管那一个环节任何一道工序出了问题,都会带来“满盘皆输”的结果。铸件的好坏质量在于管理,所以才有“三分技术,七分管理”的说法,再好的工艺技术若细节上执行不好,带来的结果是天差地远,消除铸造缺陷,一是要学会对废品进行科学的分析;二是靠一丝不苟的执行工艺,循规蹈矩,善始善终。再是提高管理者的质量意识和水平,管理者对操作工不仅是监督更只要是相互理解,两者相辅相成,定会事半功倍,绩效昭著。
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