幾種鑄造工藝在汽車零件上應(yīng)用研究

1、 第一章概論1.1課題的來源、背景及意義現(xiàn)代汽車的發(fā)展不僅是朝著品種的多樣化方向進(jìn)行，而更是以汽車的性能為重點，結(jié)合人們生活發(fā)展的需要，做到價廉、質(zhì)輕、省油、環(huán)保。本課題來源于汽車系電動汽車開發(fā)項目，如下圖1.1是該次試驗所要研究的產(chǎn)品。圖1.1產(chǎn)品該產(chǎn)品是鋁合金鑄件。根據(jù)圖1.1，可以看出該產(chǎn)品特點是結(jié)構(gòu)緊湊而復(fù)雜，并且生產(chǎn)中對該產(chǎn)品的要求是精度高。經(jīng)分析研究，結(jié)合實際情況，我們可采用消失模鑄造、精密復(fù)合鑄造、石膏型鑄造對該產(chǎn)品進(jìn)行研究和探討。但是這三種方法都是建立在消失模的基礎(chǔ)上的。因此，我們需要對消失模技術(shù)進(jìn)行比較系統(tǒng)的認(rèn)識和了解。進(jìn)入八十年代以來，采用干砂消失模鑄造法（EPC技術(shù)）生產(chǎn)

2、鋁合金汽車鑄件在歐美得以迅速發(fā)展。干砂消失模鑄造是一項完全不同于傳統(tǒng)濕砂型鑄造的全新技術(shù)。采用該技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)濕砂型進(jìn)行生產(chǎn)，具有鑄件質(zhì)量高、生產(chǎn)成本低、結(jié)構(gòu)設(shè)計自由度大、易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)、應(yīng)用范圍廣等許多優(yōu)點。該鑄造技術(shù)可實現(xiàn)鑄件的輕量化和精密化，鑄件的尺寸精度可達(dá)CT6-8級，表面粗糙度Ra6.3-12.5um,與傳統(tǒng)砂型鑄造相比，可減少加工量1030%，降低投資成本1540%，并顯著提高生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。該技術(shù)是鑄造工藝的一個重要發(fā)展方向，被譽為二十一世紀(jì)的鑄造技術(shù)1。1.2消失模的國內(nèi)外現(xiàn)狀及其發(fā)展1.2.1國外的發(fā)展1962年美國人M.C.Flemings開始用干

3、砂和EPS模生產(chǎn)鑄件2。80年代初，干砂消失模鑄造專利的失效以及試驗研究取得的進(jìn)展，為這一新工藝的工業(yè)應(yīng)用提供了極好的機遇。福特汽車公司率先在加拿Essex工廠建立了生產(chǎn)100萬只鋁進(jìn)氣歧管的高度自動化消失模鑄造生產(chǎn)線，揭開了這一新技術(shù)在先進(jìn)工業(yè)國家飛速發(fā)展的序幕。在不改變原設(shè)計及結(jié)構(gòu)的前提下，采用干砂消失模鑄造法生產(chǎn)的鋁進(jìn)氣管鑄件比普通砂型鑄造法生產(chǎn)的重量輕20%左右，成本約下降20%，而發(fā)動機功率可提高4%左右。1990年通用汽車公司在Saturn建成占地面積10萬m2年產(chǎn)鑄件5.5萬噸的新鑄造廠，全自動的EPC生產(chǎn)線有三條，其中一線生產(chǎn)319A1四缸體，二線生產(chǎn)兩種型號的319A1汽缸蓋

4、，三線生產(chǎn)珠光體球鐵曲軸和兩種型號的傳動差動殼體。Fiat和Fata公司在意大利建造了兩個車間，用該法專門生產(chǎn)汽車發(fā)動機進(jìn)氣管，其中一個車間在生產(chǎn)率為50型/小時的自動線上生產(chǎn)鋁進(jìn)氣管，一個鑄型可生產(chǎn)四個管件。英國PerryBarMefal公司已將金屬型澆注法生產(chǎn)鋁合金鑄件改為氣化模鑄造法生產(chǎn)。目前，該公司向市場提供發(fā)動機進(jìn)氣管、水泵和壓氣機殼體及其它零件。90年代，德國大眾投資2000萬美元建造了四缸鋁合金缸體生產(chǎn)線。寶馬汽車公司建成了年產(chǎn)20萬件的六缸鋁合金缸蓋生產(chǎn)線。日本、荷蘭等國也在穩(wěn)步發(fā)展EPC技術(shù)，使之在鑄造生產(chǎn)中發(fā)揮其特有的優(yōu)勢?？梢姡珽PC技術(shù)己經(jīng)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家穩(wěn)定地發(fā)展起來，

5、發(fā)達(dá)國家投入了相當(dāng)?shù)娜肆拓斄ρ芯亢烷_發(fā)干砂消失模鑄造技術(shù)，并取得了巨大成功。對于復(fù)雜消失模鑄件，其公差可達(dá)到石膏型鑄件的水平。1.2.2國內(nèi)的發(fā)展90年代以來，我國消失模鑄造技術(shù)得到了較大發(fā)展。但我國消失模鑄造工廠生產(chǎn)鑄件的品種基本為鑄鐵和鑄鋼件。目前，我國采用消失模鑄造正式大批量生產(chǎn)鑄鋁件的廠家僅第一汽車廠一家。第一汽車集團(tuán)輕型發(fā)動機廠從美國VULCAN公司引進(jìn)了制模成套設(shè)備及振動臺，與國內(nèi)其它設(shè)備配套組成生產(chǎn)線，用于大批量生產(chǎn)CA488發(fā)動機鋁合金進(jìn)氣管，已于1993年正式投產(chǎn)。當(dāng)前我國EPC技術(shù)水平與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，無論在零件的品種、復(fù)雜程度和鑄件質(zhì)量、在機械化、自動化程度、生產(chǎn)效率

6、方面，或者在基礎(chǔ)研究方面，都有著較大的差距。工業(yè)發(fā)達(dá)國家己將先進(jìn)的氣化模鑄造工藝應(yīng)用于鋁合金缸體、缸蓋、進(jìn)氣歧管、曲軸箱、復(fù)合功能部件等。零件復(fù)雜程度高、鑄件尺寸精度高、表面粗糙度小。而我國目前生產(chǎn)的鑄件品種還少，復(fù)雜程度和質(zhì)量比國外還差一個檔次。工業(yè)發(fā)達(dá)國家在EPC技術(shù)的成套問題上解決得比較好，分工合作，使EPC技術(shù)總體水平迅速提高。我國EPC技術(shù)的成套化工作還比較差，尚停留在單槍匹馬、小而全的階段，新建的一些生產(chǎn)線生產(chǎn)規(guī)模及機械化程度比較低，還沒有自動化的生產(chǎn)線。在基礎(chǔ)研究方面，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對于EPC法的幾個關(guān)鍵技術(shù)（如氣化模材料及制模技術(shù)、涂料技術(shù)、EPC法充填特性的研究、干砂緊實特性的

7、研究、工藝設(shè)計及廢品分析）己經(jīng)作了比較深入的研究，進(jìn)行了比較長期的技術(shù)積累，為工業(yè)應(yīng)用打下了較好的基礎(chǔ)。譬如氣化模材料及制模技術(shù)方面，制定了EPS的標(biāo)準(zhǔn)。研究了氣化模的尺寸變化及影響因素，因而能獲得比重小、表面光潔、尺寸精確、復(fù)雜程度高的氣化模。對于EPC法充填特性的研究，不僅限于多觸點法等工程測試方法，而且開始進(jìn)行計算機數(shù)值摸擬，深入掌握特定條件下金屬充填的規(guī)律，并注意它的實際應(yīng)用，為解決相關(guān)的鑄造缺陷提供了依據(jù)。而我國的EPC基礎(chǔ)研究還很薄弱，有待加強這方面的研究。目前，我國對鋁合金消失模鑄造的某些關(guān)鍵技術(shù)尚未掌握，如某廠使用進(jìn)口EPS原始珠粒，且使用美國Ashland化學(xué)公司專用涂料，在

8、實際生產(chǎn)中還是發(fā)現(xiàn)當(dāng)澆注溫度較低時鑄件成形不良，易產(chǎn)生冷隔和澆不足等鑄造缺陷。當(dāng)前，針孔嚴(yán)重、氣密性差，鑄件滲漏率甚至高達(dá)30%左右，不得不采用浸滲工藝進(jìn)行補救，從而增加了工藝的復(fù)雜性，提高了生產(chǎn)成本。另有一個廠花費4000萬元巨資從國外引進(jìn)了成套設(shè)備與工藝技術(shù)，至今己經(jīng)五年尚未投入生產(chǎn)。其中，技術(shù)上就是鋁鑄件氣密性的問題未能得到解決，給國家造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失。綜上所述，我國與發(fā)達(dá)國家在消失模鑄造技術(shù)方面存在很大的差距，國外消失模鑄造技術(shù)對外極為保密，我國尚未完全掌握國外采用干砂消失模鑄造生產(chǎn)鋁合金鑄件的訣竅，以致鑄件針孔嚴(yán)重，氣密性差。其技術(shù)關(guān)鍵主要體現(xiàn)在涂料研究、鋁液高溫（760-800。

9、0處理、鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計以及各工藝參數(shù)的正確選取。因此，有必要結(jié)合我國的生產(chǎn)實際圍繞減少鋁鑄件的針孔開展干砂消失模鑄造鋁合金的研究。1.3鋁合金消失模鑄造研究現(xiàn)狀1.3.1充型特性充型特性的研究主要包括鋁液流動前沿的流動形態(tài)、鋁液的流動性、充型速度和影響充型的因素（包括模樣材料、涂料、澆注溫度、真空度、澆注系統(tǒng)設(shè)計等三個方面。許多研究者采用各種方法，如冷淬法、高速攝影法、電極觸點法等對不同形狀的鋁合金鑄件的流動形態(tài)進(jìn)行了觀察。研究結(jié)果表明,鋁合金消失模鑄造的充型與空腔鑄造的充型的流動形態(tài)有明顯的不同。空腔鑄造時,金屬液的流動受重力的影響比較大，先從下部充填，然后逐步向上推進(jìn)，最后充填部分在頂

10、部。而消失模鑄造時,金屬液流動前沿的流動形態(tài)總是以內(nèi)澆道為中心呈放射弧狀依次向前推進(jìn)，逐層對泡沫模樣進(jìn)行置換,最后充填的部位為離內(nèi)澆道最遠(yuǎn)處。負(fù)壓的引入可能產(chǎn)生附壁效應(yīng)，即在負(fù)壓作用下,金屬液先沿鑄型壁流動。嚴(yán)重的附壁效應(yīng)會導(dǎo)致厚壁鑄件產(chǎn)生夾雜及氣孔缺陷。S.Shivkumar】3采用熱分析法和高速攝影法研究了鋁合金充填條形試樣時的流動性,結(jié)果表明提高靜壓頭、增加試樣尺寸均可提高鋁液的流動速度以及流動長度。文獻(xiàn)的研究表明,鋁液充型前沿?zé)峤猱a(chǎn)物主要為液態(tài)，氣態(tài)產(chǎn)物較少。鋁液充型速度主要受模樣材料的液態(tài)熱解產(chǎn)物滲出涂層的速度所控制。施加負(fù)壓，提高澆注溫度均使流速增加。研究還表明，鋁合金消失模鑄造充

11、型速度比空腔鑄造慢得多的主要原因是EPS模樣熱解消耗大量的鋁液熱量，使鋁液充型前沿溫度下降，同時熱解產(chǎn)物在鋁液與EPS模樣界面上起阻擋作用。而有人卻指出，澆注鋁合金時存在一個臨界溫度，在臨界溫度以下時,液態(tài)分解產(chǎn)物較多，提高澆注溫度有利于充型速度的提高；而在臨界溫度以上時,澆注溫度的提高促使更多的氣體產(chǎn)生，會降低充型速度5。S.Shivkumar認(rèn)為澆注系統(tǒng)性質(zhì)顯著影響著金屬液的充填形態(tài)；并指出，水平澆注時充填速度先快后慢，而垂直澆注則先慢后快再慢。有的學(xué)者認(rèn)為，在階梯式澆注方式中，若采用實型直澆道，則金屬液從上內(nèi)澆道開始流入型腔；而采用空心直澆道，金屬液則從下內(nèi)澆道開始流入型腔。H.S.Le

12、e的研究結(jié)果表明，采用頂注、側(cè)注、底注方式均可，但底注充型平穩(wěn)，有利于氣體排放，應(yīng)優(yōu)先選用。魏尊杰研究了干砂消失模鑄造鋁液停止流動機理。在試驗基礎(chǔ)上建立了鋁合金液停止流動物理模型，并建立了鋁液停止流動的統(tǒng)一判據(jù)。研究表明，降低聚苯乙烯密度與氣化潛熱可以減少金屬液流端部凝固殼層厚度或固液兩相區(qū)的寬度，而降低聚苯乙烯發(fā)氣性，提高涂料層透氣性或減少涂料層厚度則可以減少金屬液前端的氣隙壓力，從而降低金屬液充型時的流動阻力，提高金屬液的充型能力。楊軍生的研究表明，當(dāng)鋁液充型前沿達(dá)共晶溫度時仍有顯著的充型能力。認(rèn)為：隨著鋁液的充型，模樣的激冷作用使鋁液前沿出現(xiàn)凝固殼層，鋁液不斷熔化和沖破此殼層而流動。當(dāng)溫

13、度降至共晶溫度時，鋁液靠其較大的潛熱和較低的固相體仍然流動相當(dāng)長的一段距離，只有當(dāng)前沿的固相率增大到臨界固相率時，流動才停止。1.3.2模樣熱分解、傳熱傳質(zhì)特性模樣的熱分解方式以及生成的氣相、液相和固相產(chǎn)物數(shù)量取決于金屬液的澆注溫度,澆注速度以及聚苯乙烯材料的物理化學(xué)性能。文獻(xiàn)采用DTA，TGA，LOI等技術(shù)研究了模樣加熱過程中的熱破壞，并給出了聚苯乙烯破壞的熱譜圖。研究表明，在鋁合金液澆注溫度范圍內(nèi)(700800C)，模樣基本上只分解成蒸汽狀的液體餾分和一定量的氣體，燃燒只是有限地進(jìn)行。J.Brenner認(rèn)為聚苯乙烯是以緩慢的裂解方式形成二聚物、三聚物、單體很少。將一定量金屬液滴過模樣塊，測

14、得模樣分解的液相產(chǎn)物比氣相產(chǎn)物多一個數(shù)量級。進(jìn)一步研究指出，在660900C范圍內(nèi)，模樣發(fā)氣量基本沒有變化，約為(20525)cm3/g。在消失模鑄造充型過程中，金屬液與模樣、涂料和干砂之間發(fā)生傳導(dǎo)、對流、輻射等熱量傳遞過程。S.Shivkumr借助于計算機采用計算的辦法計算了充型過程中鋁合金的前沿溫度。有人把模樣消失歸納為一個有潛熱的相變過程,確定了熱解相變過程的數(shù)學(xué)模型。上述研究表明鋁合金前沿存在較大的溫度梯度。干砂消失模鑄造的傳質(zhì)現(xiàn)象是指熱解產(chǎn)物的型腔中的行為及通過涂層向干砂傳輸而排出的過程。在鋁合金干砂消失模鑄造中，模樣的熱解產(chǎn)物是氣液混合物，且以液態(tài)為主。鋁合金干砂消失模鑄造時，EP

15、S熱解產(chǎn)物在涂料中的傳輸是靠液態(tài)熱解產(chǎn)物的潤濕和滲透。有人實測了干砂中不同區(qū)域熱解產(chǎn)物的灼燒減量。文獻(xiàn)對液態(tài)熱解產(chǎn)物通過涂層向干砂中的傳輸特性進(jìn)行了研究，應(yīng)用LOI法對鑄鋁件鑄型中的EPS熱分解產(chǎn)物殘留量進(jìn)行了分析，研究表明，液態(tài)熱解產(chǎn)物通過潤濕和滲透以及鋁液的壓力作用能迅速進(jìn)入涂層及相鄰干砂中。當(dāng)鋁液前沿流過后,涂層及鄰近干砂中液態(tài)產(chǎn)物受鋁液傳熱的影響進(jìn)一步熱解產(chǎn)生大量苯乙烯單體。通過不斷蒸發(fā)和凝結(jié)傳輸?shù)诫x鑄件較遠(yuǎn)的干砂或空氣中，干砂冷到室溫后，在鑄件附近區(qū)域的干砂內(nèi)殘留的主要是低分子聚苯乙烯及苯乙烯的氧化衍生物。1.3.3模樣材料、涂料鋁合金干砂消失模鑄造普遍采用聚苯乙烯泡沫材料(EPS)

16、。聚苯乙烯模樣性能是影響干砂消失模鑄造過程的最重要因素之一，包括聚苯乙烯氣化潛熱，發(fā)氣性及密度。當(dāng)聚苯乙烯材質(zhì)一定時，降低模樣密度可以著降低模樣氣化吸熱以及熱解產(chǎn)物對合金液充型過程的不利影響，從而提高合金液的充型能力及鑄件質(zhì)量，但密度降低，模樣的強度和剛度將下降。一般要求模樣密度大于0.018g/cm3，以保證模樣具有足夠的強度和剛度抵抗使用過程中的變形及機械破壞。聚苯乙烯珠粒成分，分子量大及結(jié)構(gòu)是影響聚苯乙烯模樣氣化潛熱與發(fā)氣性的最本質(zhì)因素，不同的模樣材質(zhì)可以具有不同的氣化潛熱值及發(fā)氣性能，而且相差很大。干砂消失模鑄造過程中，需要在模樣表面涂掛一層耐火涂料。涂料對消失模鑄造的成敗起著關(guān)鍵性作

17、用。涂料層的性狀不僅影響模樣熱解產(chǎn)物的遷移，而且與鑄件表面缺陷、鑄件精度乃至鑄件內(nèi)在質(zhì)量等都密切相關(guān)。消失模鑄造涂料與一般砂型鑄造涂料相比有其獨特性，除了應(yīng)具有一般砂型鑄造涂料所要求的性能外，消失模涂料尤其要求應(yīng)有良好的涂掛性、滴淌性、透氣性和強度。對于鋁合金干砂消失模鑄造為了提高鋁液的充型能力，涂料應(yīng)具有良好的保溫性能。在國外，消失模鑄造使用的涂料都是專利產(chǎn)品，如英國Foseco公司研制Styromol系列涂料,具有不同的保溫性、透氣性和耐火性。一些學(xué)者對消失模涂料的性能及其在鑄型中的行為進(jìn)行了研究。上野治已研究了涂層厚度對模樣造型時變形量的影響，認(rèn)為當(dāng)涂料層的厚度達(dá)到0.3mm時即具有足夠

18、的強度保證模樣的變形在很小的范圍內(nèi)。C.A.Goria認(rèn)為如果涂料層太厚，則在鑄件表面很容易形成皺皮、光亮層或澆不足等缺陷。福特公司David強調(diào)，消失模鑄造涂料要有高的透氣性以保證金屬液具有較高的充型速度。文獻(xiàn)認(rèn)為涂料透氣性對鑄件尺寸精度及冶金質(zhì)量有影響，涂料透氣性影響著熱解產(chǎn)物的逸出、金屬液的凝固特點以及鑄件的顯微組織。有人采用澆注試驗研究了涂料對鋁合金充型過程溫度場、充型能力的影響，并指出當(dāng)其他條件一定時，只有當(dāng)涂料同時具有較高的透氣性和保溫性時，才能保證金屬液具有較高的充型能力10。1.4目標(biāo)及主要工作內(nèi)容本文用消失模鑄造、精密復(fù)合鑄造、石膏型鑄造這三種方法對產(chǎn)品進(jìn)行本文用消失模鑄造、

19、精密復(fù)合鑄造、石膏型鑄造這三種方法對產(chǎn)品進(jìn)行研究，以找出一種合適的工藝為目標(biāo)。其具體工作內(nèi)容是：利用消失模技術(shù)進(jìn)行模樣制作，然后對模樣涂敷涂料、造型、完成澆注，最后對所做產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量和工序?qū)Ρ取５诙履拥闹圃炷邮窍ｈT造成敗的關(guān)鍵，沒有高質(zhì)量的模樣，絕對不能得到高質(zhì)量的消失模鑄件。與傳統(tǒng)的鑄造方法相比，消失模模樣除了保證有良好的外形尺寸和表面質(zhì)量外，其內(nèi)部質(zhì)量也是影響鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因為消失模的模樣與金屬液直接作用發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)。所以對模樣的要求是：（1）模樣表面必須光滑，珠粒間融合良好，其形狀和尺寸準(zhǔn)確地符合模樣的要求。（2）模樣內(nèi)不允許有夾雜物，同時其密度不得超過允許的

20、上限（密度通常為1625kg/m3），以使熱解產(chǎn)物盡量少，保證金屬液順利充填，并且不產(chǎn)生鑄造缺陷。（3）模樣必須干燥處理后，才能涂敷涂料，以保證尺寸的穩(wěn)定性。（4）模樣還必須具有一定的強度和剛度，以保證后處理時不易被損壞。模樣是通過泡沫塑料發(fā)泡而成，因此，發(fā)泡工藝對模樣的質(zhì)量起絕對作用。模樣的生產(chǎn)工藝流程如圖2.1。零件圖鑄件圖模具圖模具發(fā)泡珠粒預(yù)發(fā)泡熟化成形檢驗?zāi)咏M合干燥出模冷卻圖2.1模樣生產(chǎn)流程圖2.1模樣材料的選取目前，在消失模生產(chǎn)實際中，對于不同的鑄件其模樣材料的選取也各有不同。比較常用的三種珠粒是EPS、EPMMA、STMMA。從分子結(jié)構(gòu)看，EPS分子中含有8個碳原子，碳占分子質(zhì)

21、量的92%；而EPMMA分子中只含有5個碳原子，碳只占分子質(zhì)量的60%；因此，熱解后EPS產(chǎn)生的炭渣多，對黑色金屬會產(chǎn)生增碳現(xiàn)象，只適應(yīng)于有色金屬。從發(fā)氣量和發(fā)氣速率看，EPMMA比EPS大得多，其發(fā)泡劑含量一般比較高，通常在10%以上11,因而在澆注時，EPMMA會產(chǎn)生反噴現(xiàn)象。但是EPMMA具有更好的阻隔性，同時細(xì)珠粒的發(fā)泡劑含量也能保持不變，因此用EPMMA模樣能生產(chǎn)更薄的鑄件（壁厚2.02.5mm）,同時EPMMA的存儲期在6個月以上。與這兩種珠粒相比，STMMA其性能介于兩者之間，彌補了兩者的缺點。由于本課題研究的減速器殼體為鋁鑄件，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，壁厚最大處僅7mm，大部分的壁厚只

22、有3mm。這對模樣材料的選取提出了更高的要求，綜合各方面，選取STMMA作為試驗用的模樣材料。，在選取珠粒的大小時，根據(jù)模樣壁厚大小，選取超細(xì)料11作為預(yù)發(fā)泡珠粒。2.2預(yù)發(fā)泡預(yù)發(fā)泡是為了獲得密度低、表面光潔、質(zhì)量優(yōu)良的泡沫模樣，它是可發(fā)性珠粒進(jìn)行成形發(fā)泡之前必須進(jìn)行的變質(zhì)處理。進(jìn)行預(yù)發(fā)泡最簡單的方法是將預(yù)發(fā)泡珠粒放入90。100oC的熱水中，煮大約3分鐘。合格的預(yù)發(fā)泡珠粒其粒徑在0.81.2mm之間，時間控制不好，珠粒質(zhì)量將嚴(yán)重受到影響。當(dāng)時間不足時，珠粒表面凹凸不平，同時達(dá)不到要求的密度；時間太長，表層的珠壁已被發(fā)泡劑沖破，就會出現(xiàn)收縮和癟塌，使成形后模樣質(zhì)量下降。預(yù)發(fā)泡后的珠粒含有大量的

23、水分，必須先進(jìn)行熟化處理后，才能進(jìn)行成形發(fā)泡，否則珠粒易被壓扁而影響模樣質(zhì)量。通常的處理方法是將預(yù)發(fā)泡珠粒置于通風(fēng)、干燥的房間內(nèi)4872小時，然后進(jìn)行密封處理。2.3成形發(fā)泡成形發(fā)泡可獲得尺寸精確、表面光潔度高的模樣。成形發(fā)泡的基本過程是：首先將發(fā)泡模具進(jìn)行預(yù)熱到100oC左右，然后把已預(yù)發(fā)泡好的珠粒填入模具的型腔內(nèi)，通入適當(dāng)?shù)恼羝纯蛇M(jìn)行成形發(fā)泡。待一定時間后取出模具，用水冷卻，最后開模取出泡模模樣。如圖2.2為實驗用的蒸汽缸。L4出氣閥5缸體其中通蒸氣要很好地控制蒸氣的壓力和通入時間，這也是成形發(fā)泡過程中難以控制圖2.3壓力隨溫度的變化曲線圖和把握好的重要工序（特別是本實驗用的是手工控制的

24、蒸缸）。如圖2.3是成形發(fā)泡的壓力與時間的關(guān)系圖。從圖2.3中可以看出，獲得良好的泡沫模樣的關(guān)鍵是控制好成形發(fā)泡的時間和壓力。時間過短，發(fā)泡不充分，會出現(xiàn)未融合的珠粒狀斷面，使強度降低，容易斷裂；時間過長，又會出現(xiàn)過融合的現(xiàn)象，是模樣的質(zhì)量變差，尺寸明顯改變。由于本模樣是薄壁件，形狀是回轉(zhuǎn)體，所以壓力的控制不能太隨意。從實驗中知，壓力過小時（00.02MPa）,時間再長，也得不到完好的模樣。而當(dāng)壓力太高時，往往出現(xiàn)模樣一部分已融合好，另一部分未融合好的現(xiàn)象，這主要是因為在模樣壁厚一致的情況下，離模具外邊緣近的泡模模樣吸收熱量快。所以使整個模樣要達(dá)到一致性，其壓力也不能太高，一般不超過0.14M

25、Pa。另外，成形發(fā)泡過程還應(yīng)注意的一些細(xì)節(jié)問題：（1）預(yù)熱一定要充分，否則發(fā)泡不充分，表面呈珠粒狀，模具中殘存的水分會導(dǎo)致模樣中的空隙和孔洞，即水損壞。（2）對手工填料一定要充填緊實。（3）取模一定要小心，因溫度較高，模樣的高溫蠕變強度承受不住取模時大力敲打。在實驗過程中，我們還遇到值得注意的問題：發(fā)泡劑含量是影響成形發(fā)泡的一個重要因素，對于時間過長的預(yù)發(fā)泡珠粒，其殘留的發(fā)泡劑含量少，導(dǎo)致成形發(fā)泡時，模樣內(nèi)部珠粒融合不好，強度低。如圖2.4下為聯(lián)結(jié)好的模樣圖：圖2.3模樣圖第三章涂料工藝涂料工藝是消失模鑄造和精密復(fù)合鑄造的重要環(huán)節(jié)。兩種工藝方案使用的涂料各有不同，這主要與它們的鑄造原理不一致。

26、消失模半精密鑄造其原理與熔模鑄造類似。只不過這里取而代之的是用泡沫模樣取代壓型制造的熔模。當(dāng)然，利用熔模鑄造原理的消失模鑄造因其材料發(fā)生變化，故其后序工藝與熔模鑄造也有不同之處。這在后面詳細(xì)討論。3.1消失模涂料工藝對于消失模工藝的成敗，有人認(rèn)為，涂料性能占30%。因此，涂料工藝是消失模的關(guān)鍵技術(shù)之一1。消失模鑄造涂料應(yīng)有如下作用：可以降低鑄件表面粗糙度值。有助于防止或減少鑄件粘砂、砂眼等缺陷，因為涂層建立了一道耐火性、熱穩(wěn)定性搞的屏障，將金屬液與干砂隔離開來。有利于提高鑄件落砂清理效率。能使金屬液流動前沿氣隙中模樣熱解的氣體和液體產(chǎn)物順利地通過，排到鑄型中去，但又要防止金屬液滲入，這是防止鑄

27、件產(chǎn)生氣孔、金屬滲透和碳缺陷十分重要地條件。能提高泡沫模樣地強度和剛度，防止模樣在填砂振動時產(chǎn)生變形和破壞，這對提高鑄件尺寸精度和成品率至關(guān)重要。(6)對于鋁合金鑄件，尤其時薄壁鋁合金鑄件有良好的保溫絕熱作用，以防止由于模樣熱解吸熱使金屬液流動前沿溫度下降過快，避免冷隔和澆不到缺陷。3.1.1涂料的配比原則和依據(jù)不同合金種類，其熔化溫度、密度差別懸殊。對于鋁鑄件其澆注溫度與鋼、鐵鑄件相差700850oC，其密度不到后者的1/3，這也決定著涂料的配比有很大差異。鋼鐵鑄件密度大，澆注時溫度高其對涂層的熱作用和機械作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁合金鑄件，因此其涂料強度應(yīng)更高。由于溫度越高，泡沫模樣和涂料自身的發(fā)氣體

28、積越大，因而要求涂料有更高的透氣性；否則會引起反噴，氣孔等缺陷，而對于鋁鑄件更注重其絕熱性和吸著性。鋁合金鑄件的涂料配比：鋁合金鑄件澆注溫度低，對耐火填料的耐火度、高溫化學(xué)穩(wěn)定性要求不高，但對絕熱性卻有特殊的要求。因為鋁液的熱容量小，同時模樣熱解要吸收大量熱量，若冷卻過快，容易引起澆不到和冷隔缺陷，對于本實驗的鋁合金鑄件尤其如此，因此常采用保溫性能好的硅藻土之類的耐火填料。由于澆注溫度低，密度小，對涂料的強度和透氣性要求不高。相反，涂層的透氣性還不允許太高，因透氣性太高，會導(dǎo)致金屬液流速過高，流動不穩(wěn)定，金屬液中容易裹入液態(tài)產(chǎn)物。實踐證明，鋁合金鑄件的充型速度以3050mm/s為佳。3.1.2

29、涂料的組成和選用涂料一般由耐火填料、載體、懸浮劑、粘結(jié)劑和添加劑組成。以下是我們實驗用的涂料：石英砂：8份5號粉：1份水：占石英砂的80100%3.1.3涂料的干燥與涂敷配制：先把石英砂和5號粉干混幾分鐘，再加水（大部分）攪拌20分鐘，剩下的水作為調(diào)節(jié)用。待混合均勻后，涂刷在模樣地表面，一般涂23層，厚度大約為12mm。然后將模樣放置在溫度大約50oC的室內(nèi)39小時，或者是將模樣放在陽光下曝曬56小時。3.2精密復(fù)合鑄造工藝精密復(fù)合鑄造是在實型鑄造和熔模的基礎(chǔ)上發(fā)展的復(fù)合鑄造工藝。該工藝用共聚料STMMA制模，利用熔模的制殼技術(shù)在STMMA模上制殼。澆注前將型殼內(nèi)的STMMA脫出，并焙燒型殼，

30、使型殼具有足夠的強度且型殼內(nèi)不含任何有機物，因而可以避免實型鑄造鑄件的鄒皮和增碳等缺陷，該工藝適應(yīng)于生產(chǎn)復(fù)雜、薄壁、精密的鑄件。當(dāng)然，制殼和失模是該工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。3.2.1型殼制造這里我們采用之前已做好的STMMA泡沫塑料模，實驗選用硅溶膠粘結(jié)劑進(jìn)行制殼（該型殼工藝是東風(fēng)精密鑄造廠所制）。涂料的配制:表面層涂料用硅溶膠粘結(jié)劑，白剛玉粉作耐火材料；過渡層和加固層涂料均用硅熔膠粘結(jié)劑，莫來石作耐火材料。一共涂6層料，為了保證涂料的充分干燥，第1層和第2層需在溫度25C,濕度55的環(huán)境中，分別干燥處理78小時。這樣充分干燥后的硅溶膠就不會產(chǎn)生回熔和溶漲，保證了面層型殼的質(zhì)量。3.2.2失模工藝與常

31、用消失模涂料相比，該涂料的耐火度足夠高，一般可以承受lOOOoC以上的高溫，并且涂層的厚度達(dá)到8mm，這更有利于防止在烘烤過程中因模樣的形變而影響型殼塌陷或開裂。一般認(rèn)為，STMMA開始?xì)饣臏囟仍?85oC左右，大量氣化溫度在370。左右。我們將制好的模組放在箱式電爐中，使泡沫模樣燃燒或氣化消失，得到完整型殼。有研究表明13，當(dāng)模樣加熱到8590oC時，出現(xiàn)體積膨脹，在130oC時，達(dá)到最大值。故在失模開始時，要控制好加熱速度，主要目的是除去剩余的發(fā)泡劑，提高型殼的低溫強度，使型殼不至于在低溫時損壞。試驗研究表明，對于56層型殼的模樣，一般采用隨爐升溫到600oC，保溫60min。章石膏模工

32、藝4.1石膏漿料的配制和造型做好的石膏型需經(jīng)高溫烘烤后才能使用。石膏型因烘烤失水而有收縮,嚴(yán)重時可使鑄型開裂而影響型腔的精度,所以，在配制石膏漿料時應(yīng)加入添加物，如滑石粉和石棉纖維等。4.1.2配置石膏漿料的配制成分：石膏（熟石膏）50%,滑石粉10%,適量的石棉纖維,水約占40%。對于形狀復(fù)雜的零件，為確保石膏漿料的流動性,水量可適當(dāng)增加。混制漿料過程：將稱好的石膏粉、滑石粉、石棉纖維進(jìn)行干混，干混均勻后，加水迅速攪拌13min（要求漿料攪拌均勻，無團(tuán)塊）。4.1.3造型把組裝好的模型簇放在型箱中合適的位置上，將混制好的漿料迅速地灌入型箱中，在澆灌漿料時,為了便于漿料中氣體逸出，邊澆灌，邊輕

33、輕的振動，以便石膏漿料充分與泡沫模樣粘合。澆灌后固化1520min,就可搬動造好的鑄型。由于石膏鑄型的透氣性差，所以在造型過程中，就在漿料即將凝固時，用細(xì)針扎若干出氣孔，以提高鑄型的透氣性。4.2石膏型的烘烤為了能夠得到完整的鑄件,澆注前鑄型中的泡沫塑料必須燒失完全，以不妨礙金屬液充型，所以石膏型的烘烤對鑄型的質(zhì)量極為重要。烘烤的任務(wù)是:脫去石膏型的水分;燒掉模樣。烘烤溫度過高、時間過長將使鑄型開裂，移位，失去精度;相反則會使鑄型水分過大和存在泡沫模樣殘留物,使成型困難。石膏型是在箱式爐中烘烤，可看作是半無限大物體;爐內(nèi)介質(zhì)可看作是透熱空氣。因0 此是一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:為計算簡化

34、，應(yīng)視型壁結(jié)構(gòu)和組織是均勻的，其鑄型表面溫度就急驟上升到tw,在整個不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程中，tw保持不變(T0,x=0處,tw二定值)。則上式由數(shù)學(xué)解析法14求得：t二tw+2（t一tw）J卩e-卩2dx0（0=亠）2vax式中t-經(jīng)過時間為T后距表面為X處的溫度，C；tw鑄形外表面在T0時的不變溫度(可視為設(shè)定的爐內(nèi)加熱溫度)，C;X-至外表面的距離,或外表面至模樣界面的距離,m;a石膏鑄型的導(dǎo)溫系數(shù),a=4X10-7(m2/s);T時間，s。烘烤分兩個階段。第一階段脫去型中絕大部分的水分。已知：x=35X10-3m,t=25C,0模樣開始?xì)饣瘻囟葹?85C，若設(shè)定爐內(nèi)溫度為280C(tw=280

35、C),則根據(jù)上式可求出把鑄型與模樣的界面溫度提高到t=185C所需的時間為10h。烘烤的第二階段是燒掉殘留的水分和燒掉共聚物模樣。根據(jù)試驗表明,模樣在185C時開始?xì)饣?。模樣在低溫下的氣?其形態(tài)不是可見的煙霧，而是呈粘稠狀物逐漸地萎縮、干枯、消失，可嗅氣味，不見其形。溫度升高,氣化速度加快。但溫度過高，石膏失去結(jié)晶水過多,會失去強度,型壁產(chǎn)生裂紋。爐內(nèi)溫度定為400C,即有tw=400C,t0=185C。經(jīng)驗告訴我們，型壁溫度小于300C時，很難清除EPS的液態(tài)余渣。要使型壁溫度t達(dá)到320C以上，才能使型腔干凈。根據(jù)上述積分式,可求出所需的時間為10h?？紤]到共聚物模樣是在“密室”中氣化，

36、其氣化速度遠(yuǎn)比裸露在爐膛中氣化慢得多。所以需要延長保溫時間34h，故整個烘烤工藝見圖4.1。toeT時間第五章鋁合金熔煉工藝與澆注 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，為了滿足生產(chǎn)和人們生活的需要，鋁合金得到廣泛地應(yīng)用。鑄造鋁合金因摻入的合金元素不同，其合金種類也是多樣化，當(dāng)然不同的鋁合金其用途各有千秋。這里我們對實驗用的鋁硅合金加以簡單介紹。5.1鋁硅合金在鋁硅合金中，硅的含量最高可以達(dá)到25%,通常把含硅量在14%以上的稱為過共晶鋁硅合金，含硅量在1014%的稱為共晶鋁合金，含硅量在10%以下的稱為亞共晶鋁硅合金。因硅含量的不同，三種合金對鑄件的鑄造性能影響各異。在實驗中我們選用的是含硅量為10%的共晶鋁

37、硅合金，其牌號是ZL102。ZL102的特點和用途：鑄造性能：流動性高，無熱裂傾向，線收縮小，氣密性高。在鑄件的斷面厚大處容易產(chǎn)生集中縮孔。吸氣傾向大，在生產(chǎn)和實驗中，除采用除氣精練處理工藝外，還可用壓力下結(jié)晶的辦法來降低鑄件針孔率。機械性能：不能接受熱處理強化，機械性能不高。在熔煉時需進(jìn)行變質(zhì)處理。具有良好的耐腐蝕性。焊接性能良好，切削加工性能差，表面陽極化處理質(zhì)量不高。5.1.1鋁合金的熔煉爐料的組成1.鋁錠2.硅鋁明3.回爐料工藝要點：1裝料順序：硅鋁明和鋁錠、回爐料。熔化后進(jìn)行攪拌。2除氣精練：除氣精練的目的在于自鋁液中清除出非金屬夾雜物。本實驗用的是無毒精練劑，處理溫度為700720

38、oC，將該物品打成塊，加入爐內(nèi)，待反應(yīng)完畢，立即清除熔渣。變質(zhì)處理：對于共晶組織的鋁硅合金，可以用鈉進(jìn)行變質(zhì)處理，來細(xì)化組織，以改變組織的機械加工性能。熔劑：熔劑用來溶解和吸附鋁液中的固態(tài)氧化物，當(dāng)覆蓋在鋁液表面時，使鋁液與爐氣隔開，減少合金的吸氣和氧化，實驗用的一般是氯化物，如KCl,CaCl2等。熔煉工藝過程如圖5.1爐料的準(zhǔn)備精練劑的準(zhǔn)備變質(zhì)劑的準(zhǔn)備裝料熔一調(diào)整化學(xué)*精練變質(zhì)處理1化成分圖5.2模樣圖澆注調(diào)溫爐前質(zhì)量檢二_驗圖5.1熔煉工藝圖5.2澆注澆注速度和澆注溫度是影響鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。但澆注系統(tǒng)的設(shè)計是必不可少的，對于不同的鑄造工藝方法，選擇合理的澆注系統(tǒng)是澆注成功的前提。如圖

39、5.2是組裝好的模樣圖。直澆道模樣零件模樣由圖5.2我們知道，該件是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁回轉(zhuǎn)件，要使金屬液能夠比較完整的進(jìn)行充填，澆口位置應(yīng)選如圖的位置。其原因是，澆道若在零件底端，待澆注完畢后，去除澆道口，進(jìn)行加工還會影響到零件表面質(zhì)量。但澆道在圖5.2位置時還可充當(dāng)冒口，起到補縮作用，并且零件質(zhì)量不會受到影響。另外使?jié)驳朗强招牡?，這樣可以減少澆道的發(fā)氣量，防止金屬液發(fā)生反噴，保證金屬液從上而下迅速地進(jìn)入鑄型。將涂料干燥好的消失模模樣、已失模的熔模型殼分別埋入專用干砂和普通的濕型砂中。做負(fù)壓造型的砂箱需進(jìn)行密封處理，以保證一定的負(fù)壓度。通常負(fù)壓度在0-30KPa之間。5.2.1澆注溫度泡沫模樣的熱

40、解過程是吸熱反應(yīng)，需要消耗金屬液的熱量，因此澆注溫度要比砂型鑄造的高20多度15。因此，澆注時溫度為700oC。當(dāng)然，對于三種方法的澆注過程是，先澆注負(fù)壓造型的，然后澆注石膏型和精密復(fù)合型的型腔。5.2.2澆注速度澆注時應(yīng)盡快充滿直澆道，然后穩(wěn)定澆注速度，直到快澆滿時再慢慢收包。澆注速度不能太慢，否則金屬液流跟不上泡沫消失和逸出的速度，使其流動前沿氣隙變大，而出現(xiàn)鑄型坍塌的現(xiàn)象。第六章鑄件質(zhì)量分析對鑄件產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量分析，有助于我們對比各種鑄造方法的優(yōu)缺點，從而選擇一種合適的鑄造方法。分析可能產(chǎn)生的缺陷原因，可以幫助我們對工藝方案進(jìn)行改進(jìn)。6.1三種鑄造方法對比6.1.1產(chǎn)品質(zhì)量對比三種鑄造方法

41、均為半精密鑄造，表6.1列出三種鑄件的表面質(zhì)量和尺寸公差。表6.1產(chǎn)品質(zhì)量對比表比較類別消失模鑄造精密復(fù)合鑄造石膏型鑄造砂型鑄造鑄件尺寸公差1.0mm0.75mm1.0mm表面粗糙度Ra6.3gmRa3.2gmRa3.2gmRa12.5gm6.1.2工藝流程對比消失模鑄造：預(yù)發(fā)泡一一成型發(fā)泡一一組合一一上涂料干燥一一澆注落砂清理精密復(fù)合鑄造：預(yù)發(fā)泡一一成型發(fā)泡一一組合一一上涂料一一型殼焙燒一一澆注落砂清理石膏型鑄造：預(yù)發(fā)泡一一成型發(fā)泡一一組合一一灌漿硬化干燥焙燒一一澆注一一脫殼處理上述三種工藝方案，從預(yù)發(fā)泡到模樣的組裝完全一樣，均采用了消失模的制模工藝，不同的是涂料與烘干兩個過程，其干燥時間見表6.2。表6.2工序用時對比表比較類別消失模鑄造精密復(fù)合鑄造石膏型鑄造干燥時間56小時20小時10小時從工藝的生產(chǎn)周期看，消失模鑄造生產(chǎn)周期最短，生產(chǎn)效率比較高。綜合實際情況，生產(chǎn)該種零件從表面精度和尺寸要求看，三種情況都符合，但從生產(chǎn)成本比較，消失模