CN104209497B

CN104209497B - 一种大型复杂薄壁镁合金件石膏型铸造方法

Info

Publication number: CN104209497B
Application number: CN201410455615.3A
Authority: CN
Inventors: 李华伦; 孙伟明; 焦婧
Original assignee: Shanxi Yinguang Huasheng Magnesium Co Ltd
Current assignee: Shanxi Yinguang Huasheng Magnesium Co Ltd
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: CN104209497A

Abstract

本发明涉及一种大型复杂薄壁镁合金件石膏型铸造方法，在组装的模样表面涂饰原位涂料，在热节部位设置不定形冷铁，制成不定形冷铁的混合料组份以质量百分比计为苯酚树脂1.25%、甲苯磺酸0.4%、硼酸1-1.5%、膨润土2%、余量为70-140目的铬铁矿砂，在调压铸造装置中浇注铸件，将模样灌注制成的石膏型安置在调压铸造机的浇注位置，在罐内充含有0.1%-1.0%SF₆的干燥空气或CO₂气氛，实施真空浇注和增压凝固，浇注温度为710℃-750℃、初始充型的真空度为-0.6～-0.8Mpa、凝固压力0.020-0.025Mpa。采用本发明方法能够防止氧化、提高充型能力、降低铸件内部出现缩孔缩松，获得致密度较高的镁合金铸件。

Description

一种大型复杂薄壁镁合金件石膏型铸造方法

技术领域

本发明涉及铸造方法，具体而言，是一种大型复杂薄壁镁合金件石膏型铸造方法。

背景技术

镁合金大型铸件多采用砂型铸造，但铸件精度低，大尺寸薄壁复杂铸件生产难度很大。因此，近年来，不少研发工作者对石膏型在镁合金铸造的应用开展了一系列的研究。石膏型铸造高含镁铝合金、镁合金时，氧化夹杂多、液面张力大、充型效果差，产生气孔、夹杂、缩松等缺陷的倾向大。主要原因在于镁化学活性大，其液态温度下会与石膏发生激烈的放热反应，因此，石膏型铸造镁合金铸件会发生严重的氧化，防氧化是石膏型铸造镁合金的重点和难点，镁合金液和石膏的氧化反应和燃烧、反应产物卷入铸件成为夹杂。镁合金凝固潜热少，薄壁出可能浇不足，尤其是壁薄的大平面部分充型困难；石膏型透气性很差，浇注过程的憋气困难滞留在铸型；石膏型铸造镁合金凝固慢，容易出现晶粒粗大，导致力学性能降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大型复杂薄壁镁合金件石膏型铸造方法，尤其是防止氧化、提高充型能力、降低铸件内部出现缩孔缩松，获得致密度较高的镁合金铸件的技术。

本发明所述的一种大型复杂薄壁镁合金件石膏型铸造方法，包括步骤：

（1）在组装的模样表面涂饰原位涂料，以质量百分比计，涂料由以下成分组成，140-250目的铬铁矿粉10-20%，滑石粉25%、硼酸5%、FeS₂粉2%，氯化亚铁2-3%、TiB₂粉1.5%、OP乳化剂0.15%、凹凸棒粘土0.32%、、硅溶胶1.5%，其余为水。

铸件模样既可采用发泡聚苯乙烯模样、也可是蜡模或者聚苯乙烯与蜡模的复合体，在模样表面涂刷涂料。涂料有多种功能，包括：涂料含疏水组元，灌浆时石膏浆中气体能通过涂料层中的微孔被排除；涂料层隔离浇注过程镁合金与石膏型的直接接触，以克服石膏型和镁合金液，避免两者之间发生反应，防止镁被氧化或燃烧，从而消除氧化膜或燃烧产物夹杂物；涂层中的微孔有助于真空浇注的排气，防止憋气，避免气泡滞留在铸件中成为缺陷；改善铸件表面平整度，避免铸件表面流纹；增加金属液流的润湿性，提高充型能力；增加金属液凝固的形核核心，细化铸件晶粒等。涂料直接喷涂到模样表面且属于不占位涂料，不会影响石膏型的尺寸精度。

(2)在热节部位设置不定形冷铁，制成不定形冷铁的混合料组份以质量百分比计为苯酚树脂1.25%、甲苯磺酸0.4%、硼酸1-1.5%、膨润土2%、余量为70-140目的铬铁矿砂.

大型铸件多存在较大的壁厚差，在厚大处容易出现缩松、厚薄连接处产生热裂以及其它类型的因潜热和热传输形成的缺陷。铸造数值模拟软件进行冷铁激冷模拟和优化设计，获得冷铁最佳位置和形状。步骤（2）中采用的不定形冷铁是将高导热、高热熔的铬铁粉和添加材料混合、捏合成泥状，将一定量的泥团捏成铸件随形的模样，贴在模样的底部或侧面并压紧随形密合，固化后灌注石膏浆，成为铸型的一部分。铸件浇注时，冷铁组元中高导热、大比热材料对该位置的金属液激冷，促进凝固，避免铸造缺陷出现，是一种消除缺陷的有效方法。

(3)在调压铸造装置中浇注铸件，将模样灌注制成的石膏型安置在调压铸造机的浇注位置，在罐内充含有0.1%-1.0%SF₆的干燥空气或CO₂气氛，实施真空浇注和增压凝固，浇注温度为710℃-750℃、初始充型的真空度为-0.6～-0.8Mpa、凝固压力0.020-0.025Mpa。

调压铸造工艺流程包括充气、升液、充型、保压和卸压等环节。充型过程作为铸造过程的一个重要环节，许多铸造缺陷，如浇不足、卷气、氧化、夹渣、冷隔等都与其密切相关。调压铸造的浇注***与位于铸型下方的升液管直接相连，充型时液态金属从内浇道引入，由下而上的充填铸型。例如某铸型按照设定的压力下充型，充型速度为0.3m/s(浇口处)，充型时间约为37s。金属液由升液管上升至充满整个型腔，充型过程平稳有序，没有卷气、飞溅、冷隔及浇不足等现象。凝固过程为自上而下的顺序凝固。充型凝固时，铸件纵向温度分布是中下部温度高，顶部温度低，温差逐步增大，横向温度分布是沿内浇道向两侧由高到低。铸件顶部横向温差小，铸件底部横向温差大，充型时间分布大，这种温度分布正好有利于金属液的充填和补缩。基本上实现了自上而下的顺序。

作为优选的方案，步骤（1）中的涂料的制备方法是将涂料中的全部粉料用混砂机干混10分钟，再加OP乳化剂、水和硅溶胶混20分钟，此后在搅拌过程加入剩余的水和其它剩余物料继续混制。

作为优选的方案，步骤（2）中的不定形冷铁的施工方法是将铬铁矿砂、苯酚树脂和硼酸干混均匀，最后再加甲苯磺酸，混砂时间为5-10分钟。

作为优选的方案，步骤（1）中涂料层厚度控制在0.11-0.14mm之间。

凝固过程中，铸件厚大部位产生了热节，造成周围金属先凝固形成独立液相区，使其无法得到补缩，凝固后很可能产生缩孔缩松缺陷。要解决该问题，需加快厚大部位冷速即可，冷铁或导热涂层都能解决问题。采用导热涂料方便快捷，对铸件和模具的改动较小，刷一次涂料能铸出数个铸件，因此是较好的选择。拐角处的热节处理相对较难：冷速太慢难以阻止热节产生，冷速过快则导致拐角处先凝固。采用本发明的不定型冷铁的方法进行浇注，铸件内部出现缩孔缩松的几率大为降低，提高了成品率，获得了致密度较高的铸件，达到了技术要求。

通过浇注镁合金薄板试样的比较，调压铸造、低压铸造、差压铸造和重力铸的充型能力进行了对比，发现调压铸造能够提供最为优异的充型能力。凝固压力越高，操作时间愈短，得到的铸件组织越致密，镁合金铸件拉伸性能愈高。试验表明，保护气条件下的高真空度下提高浇注温度，既可解决镁合金氧化问题，又可使镁合金液在石膏型中获得很好的充型。凝固压力越高，操作时间愈短，得到的铸件组织越致密，镁合金铸件拉伸性能愈高。采用调压铸造实现保护气环境的真空下浇注、充型和压力下凝固的大型复杂薄壁大型复杂薄壁镁合金铸造的最佳工艺。传统重力铸造试样比较，调压铸造试样的抗拉强度提高8-10%，延伸率提高100-150%左右，其性能得到显着提升；调压成形精密铸造技术能够在金属液平稳进入铸型型腔的同时保持优异的充型能力，铸件最薄处可达0.25mm，且轮廓清晰；在可调控的压差作用下充型并完成凝固，温度梯度及凝固速度都将得到同步的提升，有助于形成更为均一致密的细晶组织；本发明引入了真空处理手段，因而获得的铸件气孔可得到明显抑制，获得的铸件可通过热处理手段进一步强化其强度和性能；其特有的铸造工艺使得大型复杂薄壁铸件的精密铸造成为现实。本发明适用于薄壁铸件的生产以及壁厚跃变较大的复杂铸件的高冶金质量生产。气保护状态下在较高真空度、较高浇注温度，既可解决镁合金氧化问题，又可使镁合金液在石膏型中获得很好的充型。进入凝固后，增压压力越高且升压速度越快，铸件越致密、性能愈高。为实施上述浇注和凝固工艺，调压铸造具有多方面的优势，特别是生产大型复杂薄壁镁台金铸件生产中的应用。

附图说明

图1是浇注石膏型镁合金铸件的调压铸造设备示意图。

图中，1—真空/压力表，2—上室，3—真空泵和保护气接口I，4—石膏型，5—上下室隔板，6—升液管，7—真空泵和保护气接口II，8—坩埚，9—保温炉，10—下室，11—电源线和传感器线接口窗。

具体实施方式

使用调压铸造设备之前，通过对铸造件进行三维建模、实体造型、数值模拟仿真，优化工艺参数并找出最佳实施方案。最佳方案中以模样涂料、热节设置不定型冷铁、调压铸造的工艺和参数等是本发明的理论依据，再经实际试验和改进后成为实际工艺。聚苯乙烯蒸汽发泡制造模样组块，组装成模样后，涂涂料、干燥、在热节处贴不定型冷铁，固化后将模样安置在模框中，灌注石膏浆。硬化、烘干、焙烧成石膏铸型。

第一步

建模和仿真阶段。对本发明和相关的前提石膏型铸造技术进行数值模拟和工艺优化，使实施制定的工艺建立在可靠的基础上。具体工作包括通过电子图纸对铸造件进行三维建模并增加浇冒***、冷铁、铸型等实体造型，计算机辅助铸造成形过程传热、传速、传质、温度场、速度场、浓度场、应力场的数值模拟、屏幕浇注模拟仿真，对模拟结果分析、评估，提出改进措施，优化工艺，从理论和仿真找出最佳方案。最佳方案中模样涂料厚度、热节设置不定型冷铁、调压铸造的工艺和参数尤其要细化，以获得铸造技术的最佳方案等。

第二步

在组装的模样表面涂饰原位涂料。以质量百分比计，涂料由以下成分组成，140-250目的铬铁矿粉10%（或15%或20%），滑石粉25%、硼酸5%、FeS₂粉2%，氯化亚铁2-3%、TiB₂粉1.5%、OP乳化剂0.15%、凹凸棒粘土0.32%、、硅溶胶1.5%，其余为水。

将涂料中的全部粉料在混砂机干混10分钟，再加OP乳化剂、适量水和硅溶胶湿混20分钟。开动搅拌机（转速大于1380r/min），在搅拌过程加入剩余水和其它剩余物料进行混制，总搅拌时间≥1小时。

混制涂料原浆较稠，易于长期存储，但为了便于涂覆施工，可根据需要另外加适量水搅拌均匀后涂挂，刷涂、喷涂等方法均可采用。涂料层一般控制在0.11~0.14mm之间，某些特殊部位也可以根据需要不涂或少涂。涂刷结束后，室内放置，环境湿度要保持小于30%，自然风干，如需要快速干燥时，可热风吹干，热风温度控制在不超过65℃范围。涂料具有隔离石膏型和镁合金液、利于浇注的排气、改善铸件表面平整度、提高充型能力、细化铸件表面晶粒等作用。

第三步

在热节部位设置不定形冷铁。制成不定形冷铁的混合料组份以质量百分比计为苯酚树脂1.25%、甲苯磺酸0.4%、硼酸1%（或1.2%或1.5%）、膨润土2%、余量为70-140目的铬铁矿砂。

冷铁施工工艺为：不定形冷铁的施工方法是将铬铁矿砂、苯酚树脂和硼酸干混均匀，最后再加甲苯磺酸，混砂时间为5-10分钟。

铬铁矿砂不能同其它砂混。每批砂的寿命为5分钟，故造型操作必须迅速。按模样用随形模具压制不定型冷铁，脱模后将其贴覆在规定的模样位置表面并固定。成形并固化后的不定型冷铁长期存放不变性、浇注后的残余强度低。

第四步

石膏型的制备。大型复杂薄壁镁合金铸件生产需要在规定时间内灌注大量的石膏浆，因此，采用真空拌浆、真空灌注。搅拌室通过灌浆阀门联通。将聚苯乙烯模样安置在钢质模框中固定，并将灌注位置与阀门出口对准。关闭灌注阀门和灌注室门，等待灌注石膏混合浆料。拌浆时先在搅拌室放入适量水，将配方中全部固体粉末混合搅拌均匀后，边搅拌边撒入搅拌槽的水中，全部加入后，立即合上搅拌室顶盖，开始抽真空和搅拌，约在30秒内真空度0.05-0.06MPa、搅拌时间为2-3分钟，搅拌转速250-350转/分。在快结束搅拌前，对灌浆室抽真空，灌浆室的真空度与搅拌室相等或稍低（例如搅拌室为0.05MPa，灌浆室为0.06MPa）以防灌浆时喷射、飞溅及真空倒灌等。搅拌结束，立即打开阀门灌浆，灌注一般不超过1-1.5分钟。灌注应避免直接冲击模组，应使浆料沿箱边引入，从箱框底部开始，逐渐上升，防止气体滞留。灌浆结束，立即破除真空，取出箱框，迅速冲洗搅拌室，彻底清除残料。灌注的模框静置1-1.5小时,期间严防震动,否则对石膏型的精度、强度、完整行不利。继续放置24小时以上，使大部分水分散失掉。然后采用红外线加热，也可以在80-90℃流动空气的鼓风烘房，进行10小时以上低温烘干，以除去石膏型中的大部分水分。然后在天然气加热循环气氛炉采用阶段升温焙烧。

第五步

采用调压铸造装置浇注铸件。如图1所示，铸造装置包括上室2和下室10，由上下室隔板5分隔，石膏型4放置在上室2内，上室2的壳体上设有真空/压力表1。下室10内设置保温炉9，坩埚8安装在保温炉9内，上下室隔板5下部固定升液管6，上室2和下室10的壳体上分别开设真空泵和保护气接口I3和真空泵和保护气接口II7，上室2和下室10上还分别设有电源线和传感器线的接口窗11。

浇注前设定工艺参数，由控制***按程序完成，部分环节由人工完成。浇注铸件的主要环节为：准备、充保护气、降压、升液、充型、加压凝固、保压、放气、开罐、卸铸型、脱铸型。

石膏型4从焙烧炉取出后，温度设定为200-300℃，铸型的浇口对准设备的升液管6的上口放置，并固定铸型、接传感器、罩下室10。浇注和凝固过程的曲线或工艺参数提前在控制计算机中设定。当保温炉9内的金属液达到浇注温度后，铸造开始，对上室2、下室10内注入SF₆，使上、下室的气氛为空气（或CO₂）SF₆，下表列出的是几种气氛的组合方式。

编号	SF₆/%	空气或CO₂/%
			1	1	99
2	0.1	99.9
			3	0.5	99.5
4	0.8	99.2

然后启动计算机控制器开始浇注。此时调压铸造机有控制计算机按规定程序自动完成各种操作。通常不需要人干预，如果程序显示异常，如有必要，允许人强行干预。铸件完全凝固后，由人工完成其余工序。打开上下室的放气阀，缓慢放气至大气压，开启下室锁紧装置，移去下室，将铸型吊出铸造机。脱石膏采用高压水冲石膏型，将铸件清除干净。随后风干、切除浇冒口毛边等，按技术条件检验、后处理、机械加工、表面处理等。

真空浇注和增压凝固时的参数是；浇注温度为710℃-750℃、初始充型的真空度为-0.6～-0.8Mpa、凝固压力0.020-0.025Mpa。

某型飞机整体活动座舱盖骨架镁合金铸件铸造

飞机活动座舱盖骨架包括前弧框、中弧框、后弧框。用ZM-5镁合金铸造的大型毛坯，由不同截面的条、块、板组成的空间通透骨架，再经机加形成的整体构件。骨架整体结构对力学性能、尺寸精度、刚度要求高，对铸造缺陷有严格限制。由于其尺寸大(最大件为125Ox820x500毫米)、外形复杂、协调精度要求高，铸造困难。原工艺采用砂型铸造进行生产，造型、协调精度难于控制，需要多处附加工艺补正量，不仅对铸造质量有影响，也增加机械加工量，致使铸造成品率很低。

采用石膏型铸造生产的工艺流程如下：铸造件进行三维建模、实体造型、数值模拟仿真，优化工艺并找出最佳方案。最佳方案中以模样涂料、热节设置不定型冷铁、调压铸造的工艺和参数等是本专利的初始依据，再经实际试验并改进后成为工艺。聚苯乙烯蒸汽发泡制造模样组块，组装成模样后，涂涂料、干燥、在热节处贴覆不定型冷铁，固化后将模样安置在模框中。经灌注石膏浆、硬化、烘干、焙烧成石膏铸型。石膏型从焙烧炉取出，固定铸型在铸造机的准确位置，将上室罩盖罩上、锁紧。浇注和凝固过程的曲线或工艺参数提前在控制计算机中设定。当保温炉9内的镁合金液达到浇注温度后，铸造开始，对上下室内注入%SF₆，使上下室的气氛变成99%空气+1%SF₆。此时调压铸造机有控制计算机按规定程序和设置的参数自动完成各种操作。铸件完全凝固后，打开上下室的放气阀，缓慢放气至大气压，开启下室锁紧装置，移去下室，将铸型吊出铸造机。脱石膏：高压水冲散石膏，将铸件清除干净、风干、切除浇冒口毛边等。最后按技术条件检验、后处理、机械加工等。

采用石膏型铸造，利用聚苯乙烯发泡模样、采用模样涂料、不定型冷铁、保护气下真空浇注-压力成型（调压铸造），真空下以较高的浇注温度，既能避免镁合金氧化，又能降低粘滞阻力、毛细阻力、气体反压力，在薄壁型腔的作用特别突出，保证充填；不定型冷铁改善温度场并在凝固时增加压力，铸件的凝固速度得到合理调节。本发明技术基本消除了缺陷，铸件内部出现缩孔缩松的几率大为降低，提高了成品率，获得了致密度较高的铸件，铸件典型位置切样的性能值为抗拉强度240MPa、屈服强度170MPa、延伸率7%，满足零件的技术标准要求。

Claims

1.一种大型复杂薄壁镁合金件石膏型铸造方法，包括步骤：

（1）在组装的模样表面涂饰原位涂料，以质量百分比计，涂料由以下成分组成，140-250目的铬铁矿粉10-20%，滑石粉25%、硼酸5%、FeS₂粉2%，氯化亚铁2-3%、TiB₂粉1.5%、OP乳化剂0.15%、凹凸棒粘土0.32%、硅溶胶1.5%，其余为水；涂料层厚度控制在0.11-0.14mm之间；

（2）在热节部位设置不定形冷铁，制成不定形冷铁的混合料组份以质量百分比计为苯酚树脂1.25%、甲苯磺酸0.4%、硼酸1-1.5%、膨润土2%、余量为70-140目的铬铁矿砂；

（3）在调压铸造装置中浇注铸件，将模样灌注制成的石膏型安置在调压铸造机的浇注位置，在罐内充含有0.1%-1.0%SF₆的干燥空气或CO₂气氛，实施真空浇注和增压凝固，浇注温度为710℃-750℃、初始充型的真空度为-0.6～-0.8Mpa、凝固压力0.020-0.025Mpa。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中的涂料的制备方法是将涂料中的全部粉料用混砂机干混10分钟，再加OP乳化剂、水和硅溶胶混20分钟，此后在搅拌过程加入剩余的水和其它剩余物料继续混制。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中的不定形冷铁的施工方法是将铬铁矿砂、苯酚树脂和硼酸干混均匀，最后再加甲苯磺酸，混砂时间为5-10分钟。