经过数10年技术发展,消失模铸造技术研究及应用已从铸铁、铸钢转向铝镁合金等轻合金。最新的研究表明,镁合金非常适合铸造造型线消失模铸造工艺,其具有如下独特的优点:
1)镁合金在浇注温度下,泡沫模样的分解产物主要是烃类(烷烃、烯烃等)、苯类和苯乙烯等气雾物质,他们对充型成形时极易氧化的液态镁合金具有自然的保护作用;
2)采用干砂负压造型,避免了镁合金液与型砂中水分的接触和由此而引起的铸件缺陷;
3)与目前普遍采用的镁合金压铸工艺相比较,其投资成本大为降低,干砂良好的退让性大大减轻了镁合金铸件凝固收缩时的热裂倾向;金属液较慢和平稳的充型速度避免了气体的卷入,使铸件可经热处理进一步提高其机械性能。
然而,铝(镁)合金消失模铸造技术发展也存在一定的难点:
1)充型浇注时,泡沫模样的热解气化将吸收大量的热量,造成合金流动前沿温度下降,过度冷却易形成冷隔、皮下气孔等铸件缺陷。因此,铝镁合金消失模浇注过程中,提高充型能力对获得优质铝镁消失模铸件至关重要,尤其是薄壁铝、镁合金铸件。
2)铝镁合金消失模铸造的浇注温度高达750℃~780℃,此高温下,铝合金的吸氢严重,易使铸件产生针孔等缺陷;而镁合金的氧化燃烧严重,铸件缩松多。这也是我国铝镁合金消失模铸造技术目前未过关的主要困难。
3)铝镁合金消失模铸造需要低温气化的泡沫模具材料,但消失模模具材料的研究方而我国进行的研究工作较少。另外,研制适合铝镁合金消失模铸造用强度高、透气性好的涂料,也是亟待解决的课题。
1、消失模铸造技术的概念
全自动造型线消失模铸造技术是一项精确成形的铸造新技术。其铸造方法是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型粘结组合成模型簇,刷涂耐火涂料并烘干后,埋在干砂中振动造型,在常压或负压下浇注,使模型气化,液体金属占据模型位置,凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。
该技术通常采用树脂砂或水玻璃砂作充填砂,也有人采用干砂负压造型。主要特点是,模样在模具中成形和采用负压干砂造型。主要适用于中、小型铸件的大批生产。通常称这种方法为LostFoamCasting,简称LFC法。
全自动造型机消失模铸造每生产一个铸件就要消耗一个泡沫模样,所以增加了预发泡和发泡成型的工序,但减少了型(芯)砂制备、制芯、造型、下芯等许多烦琐工序。
2、LFC法的主要特点
1)LFC是一种近无余量、精确成形的工艺;
2)容易实现清洁生产;
3)为铸件结构设计提供了充分的自由度;
4)金属液的流动前沿是热解的消失模产物(气体和液体),它会与金属液发生反应并影响到金属液的充填,如果金属充型过程中热解产物不能顺利排除,就容易引起气孔、皱皮、增碳等缺陷。这就要求工艺师掌握消失模铸造成形原理,正确设计浇注系统,制定合理的工艺方案。
5)模具的铸造成本较高,要求有一定的生产批量,否则很难获得好的经济效益。
消失模铸造技术应用与市场开拓
对该技术的采纳和推广的最初始的迟疑来源于该技术本身的完善性。因此,全自动垂直造型线消失模铸造其本身的技术进步至关重要。随着泡沫材料气化程度的进一步改进,及浇注冒口的优化设计,已经有效地改善了铸件表面品质,成功地进入相应的市场。另外,新的切割方法、快速的白动化加工等方法的出现,将有利于降低消失模的加工成本。因此,重要的研究进展将加速消失模铸造技术的进步。这些研究进展包括快速加工技术、数值模拟、泡沫的表面光洁度与熔化程度、泡沫中的嵌入物、无涂层铸造、材料组合(包括泡沫材料)、铸造过程中的变形控制、典型缺陷的降低和力学性能的改善、整个设计链的集成以及全套生产链的集成。
为了克服铝镁合金消失模铸造中充型浇注、氧化燃烧、氢针孔等困难,提高消失模铸造零件的性能,目前正在研究开发如下几种特种消失模铸造技术,具有较大意义:
1)真空低压消失模铸造技术。它将真空消失模铸造与低压铸造有机地结合起来,特点是:综合了低压铸造与真空消失模铸造的技术优势,在可控的气压下完成充型过程,大大提高了合金的铸造充型能力;与压铸相比,设备投资小、铸件成本低、铸件可热处理强化;而与砂型铸造相比,铸件的精度高、表而粗糙度小、生产率高、性能好;反重力作用下,直浇口成为补缩短通道,浇注温度的损失小,液态合金在可控的压力下进行补缩凝固,合金铸件的浇注系统简单有效、成品率高、组织致密;真空低压消失模铸造的浇注温度低,适合于多种有色合金。
2)压力消失模铸造技术困。它是消失模铸造技术与压力凝固结晶技术的结合。其原理是在带砂箱的压力灌中,浇注金属液使泡沫塑料气化消失后,迅速密封压力灌,并通入一定压力的气体,使金属液在压力下凝固结晶成型的铸造方法。这种铸造技术的特点是能够显著减少铸件中的缩孔、缩松、气孔等铸造缺陷,提高铸件致密度,改善铸件力学性能。加压下凝固,外力对枝晶间液相金属的挤滤作用和使初凝枝晶发生显微变形,可大幅提高冒口的补缩能力,使铸件内部缩松得到改善;加压凝固还会使氢析出需更高的内压力才能形核形成气泡,抑制针孔的形成,同时压力增加了气体在固相合金中的溶解度,使可能析出的气泡减少。
3)振动消失模铸造技术。在消失模铸造过程中施加一定频率和振幅的振动,使铸件在振动场的作用下凝固。由于消失模铸造凝固过程中对金属溶液施加了一定时间振动,振动力使液相与固相间产生相对运动.而使枝晶破碎.增加液相内结晶核心.使铸件最终凝固组织细化、补缩提高,力学性能改善。该技术可利用消失模铸造中现成的紧实振动台,通过振动电机产生的机械振动,使金属液在动力激励下生核,达到细化组织的目的,是一种操作简便、成本低廉、无环境污染的特种消失模铸造新方法。
4)壳型消失模铸造技术。以消失模铸造的泡沫模为原型,结合熔模铸造的制壳技术结壳,经失模、焙烧后装箱填砂,进行精密铸造成形。该技术结合了泡沫模的低成本、收缩小、尺寸设计灵活及熔模铸造高精度型壳等优点,由于浇注前脱去了泡沫模,避免了消失模铸造因泡沫模分解带来的气孔、夹杂等缺陷以及泡沫模气化吸热而引起的过高浇注温度问题,同时使金属液的充型能力进一步提高。另外,还可结合反重力低压铸造进行成形,使金属液的充型和补缩能力进一步提高。该技术不仅解决了普通消失模铸造易出现的气孔、夹杂等缺陷,还能保证铸件具有较高的尺寸精度和表而粗糙度以及良好的内在质量和成品率,是一种适合大型复杂薄壁精密铸件生产的新方法。
总之,水平造型机消失模铸造技术发展到今天已日趋完善,理所当然地受到国内外企业的普遍重视。但该技术目前还没得到完全推广,但是其未来的最大的应用市场在亚洲,特别是中国。
综上所述,全自动造型线消失模铸造符合当今铸造技术发展的总趋势有着广阔的前景,与传统铸造技术相比,消失模铸造技术具有与无伦比的优势,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”。
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