CN107838402A - 一种复杂镁合金结构件的制造方法 - Google Patents

一种复杂镁合金结构件的制造方法 Download PDF

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杨强
孙伟
田政
牛晓东
张德平
刘孝娟
武晓杰
管凯
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Abstract

本发明提供了一种复杂镁合金结构件的制造方法，包括：首先采用激光快速成型机对UG软件制得的图进行打印成型，得到树脂模型；然后将得到的树脂模型的表面刷涂锆溶胶，然后撒上刚玉砂，固化得到固化白玉砂的模型；然后将固化白玉砂的模型放入砂箱，浇灌石膏浆料，得到石膏模型；最后将稀土镁合金通过真空差压铸造机在石膏模型中浇铸成型，得到复杂镁合金结构件；与现有制造工艺相比，本发明工艺流程短，无需制作金属型模具；相比于砂型铸造，铸件表面质量光滑，尺寸精度好；采用3D打印技术制造蜡模，可做到近终成形；采用差压铸造工艺制备稀土镁合金铸件，性能较好，特别适合于复杂结构的镁合金部件的试制及小批量生产。

Description

一种复杂镁合金结构件的制造方法
技术领域
本发明涉及材料加工领域，尤其涉及一种复杂镁合金结构件的制造方法。
背景技术
镁及镁合金是目前可实际应用的金属材料中密度最小的，具有高比强度、高比刚度的优点，因而在航空、汽车、电子产品领域具有广阔的应用前景，并且已经得到应用。由于铸造方法生产镁合金相比于变形方法具有工艺流程短，成品率高等特点，目前大部分镁合金产品是以铸造方法生产的。
现在成熟的镁合金铸造方式主要是金属型铸造和砂型铸造。金属型铸造优点是金属型可以反复多次使用，生产效率高，尺寸精度好，表面质量优良；缺点是模具费用高，开模周期长，且因模具材料尺寸和加工设备的原因限制了金属型的尺寸，所以在小批量或大尺寸铸件生产时一般不使用金属型。砂型的优点是适用性强，单件、小批量、大批量均可使用；但缺点是铸件尺寸精度低，表面质量差。因此，提供一种生产周期短，生产效率高，尺寸精度好，表面质量高，且单价便宜，适合于复杂结构镁合金部件的试制及小批量生产的方法是目前需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种复杂镁合金结构件的制造方法，本发明提供的镁合金结构件的制备方法无需制作金属磨具，且相对于砂型模具铸件表面质量光滑，可用于复杂结构的镁合金部件的制备。
本发明提供了一种复杂镁合金结构件的制造方法，包括：
1)采用激光快速成型机对UG软件制得的图进行打印成型，得到树脂模型，
所述树脂模型包括工件、浇注系统、浇口和冒口；
2)在步骤1)得到的树脂模型的表面刷涂锆溶胶，然后撒上刚玉砂，固化得到固化白玉砂的模型；
3)将固化白玉砂的模型放入砂箱，浇灌石膏浆料，得到石膏模型；
4)将稀土镁合金通过真空差压铸造机在石膏模型中浇铸成型，得到复杂镁合金结构件。
优选的，所述打印成型的工艺参数为：分层厚度：0.08～0.35mm；扫描速度：7000～9000mm/s；成型速度：90-130cm3/h；成型材料：树脂砂。
优选的，所述刚玉砂的目数为60～150目。
优选的，所述步骤2)固化的温度为35～65℃。
优选的，所述石膏浆料由以下组分组成：α石膏25～35重量份，铝矾土粉20-30重量份，铝矾土砂10-23重量份，石英粉10-20重量份，硫酸镁5-15重量份，辅料1.5～3重量份及余量水。
优选的，所述步骤3)中浇灌石膏浆料后还包括将硬化的石膏型移入烘干炉烘干、脱蜡和焙烧，然后得到石膏模型。
优选的，所述焙烧的温度为500～700℃。
优选的，所述稀土镁合金，以重量份数计，由以下组分组成：
Al：8.5-9.5重量份，Zn：0.4-0.8重量份，RE：0.3-0.8重量份，Mn：0.1-0.3重量份，余量为Mg。
优选的，所述RE为含有75～85wt％的Y的混合稀土。
优选的，所述步骤4)浇铸成型的工艺参数为：升液充型速率20-100mm/s，同步工作压力：0.6～1.0MPa，工作压差0.15～0.4MPa，压差控制误差：±0.001MPa，保压时间20～40min。
与现有技术相比，本发明提供了一种复杂镁合金结构件的制造方法，包括：首先采用激光快速成型机对UG软件制得的图进行打印成型，得到树脂模型，所述树脂模型包括工件、浇注系统、浇口和冒口；然后将得到的树脂模型的表面刷涂锆溶胶，然后撒上刚玉砂，固化得到固化白玉砂的模型；然后将固化白玉砂的模型放入砂箱，浇灌石膏浆料，得到石膏模型；最后将稀土镁合金通过真空差压铸造机在石膏模型中浇铸成型，得到复杂镁合金结构件；与现有制造工艺相比，本发明工艺流程短，无需制作金属型模具；相比于砂型铸造，铸件表面质量光滑，尺寸精度好；采用3D打印技术制造蜡模，可做到近终成形；采用差压铸造工艺制备稀土镁合金铸件，性能较好，特别适合于复杂结构的镁合金部件的试制及小批量生产；而且通过实验结果检测表明，本发明得到的镁合金铸件抗拉强度、屈服强度和延伸率分别可高达273MPa、162MPa和7％。
附图说明
图1为实施例1得到的结构件的金相组织；
图2为实施例2得到的结构件的金相组织；
图3为实施例3得到的结构件的金相组织；
图4为实施例1得到的复杂镁合金结构件。
具体实施方式
本发明提供了一种复杂镁合金结构件的制造方法，包括：
1)采用激光快速成型机对UG软件制得的图进行打印成型，得到树脂模型，
所述树脂模型包括工件、浇注系统、浇口和冒口；
2)在步骤1)得到的树脂模型的表面刷涂锆溶胶，然后撒上刚玉砂，固化得到固化白玉砂的模型；
3)将固化白玉砂的模型放入砂箱，浇灌石膏浆料，得到石膏模型；
4)将稀土镁合金通过真空差压铸造机在石膏模型中浇铸成型，得到复杂镁合金结构件。
按照本发明，本发明通过采用激光快速成型机对UG软件制得的图进行打印成型，得到树脂模型；其中，所述打印成型的工艺参数优选为：分层厚度：0.08～0.35mm；扫描速度：7000～9000mm/s；成型速度：90-130cm3/h；成型材料：树脂砂；所述分层厚度更优选为0.10～0.25mm，所述扫描速度优选为8000～8500mm/s；所述成型速度优选为100～120cm3/h。
按照本发明，本发明还在步骤1)得到的树脂模型的表面刷涂锆溶胶，然后撒上刚玉砂，固化得到固化白玉砂的模型；其中，刷涂锆溶胶，然后撒上刚玉砂的操作优选重复进行3～4次；其中，本发明对锆溶胶没有特殊要求，本领域公知的模型表面用锆溶胶即可；所述刚玉砂优选为白刚玉砂；所述刚玉砂的目数优选为60～150目，更优选为80～120目；所述固化的温度优选为35～65℃，更优选为45～55℃；所述固化的时间通过采用以0.1mm/min的烘干速率进行计算。
按照本发明，将固化白玉砂的模型放入砂箱，浇灌石膏浆料，得到石膏模型；其中，所述石膏浆料由以下组分组成：α石膏25～35重量份，铝矾土粉20-30重量份，铝矾土砂10-23重量份，石英粉10-20重量份，硫酸镁5-15重量份，辅料1.5～3重量份和余量水；更优选为α石膏28～30重量份，铝矾土粉25-28重量份，铝矾土砂15-20重量份，石英粉12-15重量份，硫酸镁8-12重量份，辅料2～2.5重量份和余量水；所述辅料优选为硼酸1～2重量份、磷酸三钠0.1～0.2％、玻璃纤维0.2～0.4重量份。本发明对浇灌石膏浆料的方法没有特殊要求，本领域技术人员公知的浇灌方法即可。
本发明中，所述浇灌石膏浆料后还包括将硬化的石膏型移入烘干炉烘干、脱蜡和焙烧，然后得到石膏模型；其中，所述烘干的温度优选为80-120℃，更优选为100-110℃；所述烘干的时间优选为18-24h；所述脱蜡的温度优选为200-350℃，更优选为250～300℃，所述脱蜡的时间优选为12-20h，所述焙烧的温度优选为500-700℃，更优选为600-650℃；所述焙烧的时间优选为10-16h。
按照本发明，本发明还将稀土镁合金通过真空差压铸造机在石膏模型中浇铸成型，得到复杂镁合金结构件；其中，所述稀土镁合金，以重量份数计，优选由以下组分组成：Al：8.5-9.5重量份，Zn：0.4-0.8重量份，RE：0.3-0.8重量份，Mn：0.1-0.3重量份，余量为Mg；其中，所述RE为含有75～85wt％的Y的混合稀土，更优选为含有78～80wt％的Y的混合稀土，更具体的，所述RE由0.11wt％La、0.16wt％Nd、0.11wt％Dy、6.30wt％Ho、11.22wt％Er、1.45wt％Tm、0.18wt％Yb、0.55wt％Lu和79.75wt％Y组成；本发明所述稀土镁合金优选按照以下方法制备得到：1)按照各组分的质量百分比配比镁、铝、锌、镁-稀土中间合金和镁-锰中间合金；2)将熔炼坩埚预热至200℃～300℃，加入镁，并加入5号熔剂将镁进行覆盖；3)待镁完全融化后，将熔体升温至720℃～780℃，分批向熔体中加入预热到150℃～200℃的铝、锌、镁-稀土中间合金和镁-锰中间合金，搅拌均匀，通氩气精炼，待熔体温度降到700℃-725℃，静置30min-60min，得到稀土镁合金。
本发明中，所述通过真空差压铸造机浇铸成型的工艺参数优选为：升液充型速率20-100mm/s，同步工作压力：0.6～1.0MPa，工作压差0.15～0.4MPa，压差控制误差：±0.001MPa，保压时间20～40min，更优选为升液充型速率40-80mm/s，同步工作压力：0.8～0.9MPa，工作压差0.25～0.3MPa，压差控制误差：±0.001MPa，保压时间30～35min。
本发明提供了一种复杂镁合金结构件的制造方法，包括：首先采用激光快速成型机对UG软件制得的图进行打印成型，得到树脂模型，所述树脂模型包括工件、浇注系统、浇口和冒口；然后将得到的树脂模型的表面刷涂锆溶胶，然后撒上刚玉砂，固化得到固化白玉砂的模型；然后将固化白玉砂的模型放入砂箱，浇灌石膏浆料，得到石膏模型；最后将稀土镁合金通过真空差压铸造机在石膏模型中浇铸成型，得到复杂镁合金结构件；与现有制造工艺相比，本发明工艺流程短，无需制作金属型模具；相比于砂型铸造，铸件表面质量光滑，尺寸精度好；采用3D打印技术制造蜡模，可做到近终成形；采用差压铸造工艺制备稀土镁合金铸件，性能较好，特别适合于复杂结构的镁合金部件的试制及小批量生产；且得到的镁合金铸件抗拉强度、屈服强度和延伸率均很好。
下面将结合本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
采用UG软件制图后，采用LaserCore-5300型激光快速成型机制备树脂型(包括工件、浇铸系统、浇口冒口)，选用参数为分层厚度：0.08mm，扫描速度：8000mm/s，成型速度：90cm3/h，成型材料：树脂砂。对树脂型表面刷涂锆溶胶溶液后，均匀撒上60目白刚玉砂，该过程共进行4次，之后在烘箱内进行烘干，烘干温度为35℃，烘干时间采用0.1mm/min的烘干速率进行计算。之后将已固化的白刚玉砂型固定于合适大小的砂箱中，向砂箱中浇灌石膏浆料，石膏浆料的配比为α石膏35％，铝矾土粉20％，铝矾土砂10％，石英粉20％，硫酸镁15％，在浇灌过程中对砂箱施加振动，以保证石膏浆料充分灌满砂箱。在浇灌石膏浆料完毕后，将砂箱静置，待石膏浆料硬化后，移除砂箱，将石膏型移入专用烘干炉中，进行烘干、脱蜡、焙烧过程，烘干过程为80℃，保温24h，脱蜡过程为200℃，保温20h，焙烧过程为700℃，保温10h，随炉冷却至200℃后取出，即完成石膏型的制备过程。选用稀土镁合金的成分及各组分的质量百分比为：Al：9.5％，Zn：0.8％，RE：0.8％，Mn：0.3％，余量为Mg及不可避免的杂质元素。将熔炼坩埚预热至300℃，加入镁，并加入5号熔剂将镁进行覆盖；待镁完全融化后，将熔体升温至760℃，分批向熔体中加入预热到200℃的铝、锌、镁-稀土中间合金和镁-锰中间合金，搅拌均匀，通氩气精炼，待熔体温度降到725℃，静置45min；将经过熔炼、搅拌、精炼、静置后的稀土镁合金，采用CGCE500型真空差压铸造机在石膏型中浇铸成型，差压铸造工艺参数为：升液充型速率20mm/s，同步工作压力：0.8MPa，工作压差0.25MPa，压差控制误差：±0.001MPa，保压时间30min，即完成复杂镁合金结构件的制造。
对得到的结构件的形貌进行检测，结果见图1，图1为实施例1得到的结构件的金相组织；
对实施例1得到的结构件的性能进行测试，结果见表1，表1为实施例1～2以及对比例提供的构件的拉伸性能测试结果。
抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％)
实施例1 273 162 7
实施例2 262 155 5
对比例1 220 145 3
实施例2：
采用UG软件制图后，采用LaserCore-5300型激光快速成型机制备树脂型(包括工件、浇铸系统、浇口冒口)，选用参数为分层厚度：0.35mm，扫描速度：8000mm/s，成型速度：130cm3/h，成型材料：树脂砂。对树脂型表面刷涂锆溶胶溶液后，均匀撒上120目白刚玉砂，该过程共进行4次，之后在烘箱内进行烘干，烘干温度为65℃，烘干时间采用0.15mm/min的烘干速率进行计算。之后将已固化的白刚玉砂型固定于合适大小的砂箱中，向砂箱中浇灌石膏浆料，石膏浆料的配比为α石膏25％，铝矾土粉30％，铝矾土砂23％，石英粉10％，硫酸镁12％，在浇灌过程中对砂箱施加振动，以保证石膏浆料充分灌满砂箱。在浇灌石膏浆料完毕后，将砂箱静置，待石膏浆料硬化后，移除砂箱，将石膏型移入专用烘干炉中，进行烘干、脱蜡、焙烧过程，烘干过程为120℃，保温18h，脱蜡过程为350℃，保温12h，焙烧过程为500℃，保温16h，随炉冷却至200℃后取出，即完成石膏型的制备过程。选用稀土镁合金的成分及各组分的质量百分比为：Al：8.5％，Zn：0.4％，RE：0.3％，Mn：0.2％，余量为Mg及不可避免的杂质元素。将熔炼坩埚预热至200℃，加入镁，并加入5号熔剂将镁进行覆盖；待镁完全融化后，将熔体升温至780℃，分批向熔体中加入预热到150℃的铝、锌、镁-稀土中间合金和镁-锰中间合金，搅拌均匀，通氩气精炼，待熔体温度降到700℃，静置60min；将经过熔炼、搅拌、精炼、静置后的稀土镁合金，采用CGCE500型真空差压铸造机在石膏型中浇铸成型，差压铸造工艺参数为：升液充型速率60mm/s，同步工作压力：0.8MPa，工作压差0.25MPa，压差控制误差：±0.001MPa，保压时间30min，即完成复杂镁合金结构件的制造。
对得到的结构件的形貌进行检测，结果见图2，图2为实施例2得到的结构件的金相组织；
对实施例2得到的结构件的性能进行测试，结果见表1，表1为实施例1～2以及对比例提供的构件的拉伸性能测试结果。
对比例1：
采用UG软件制图后，采用LaserCore-5300型激光快速成型机制备树脂型(包括工件、浇铸系统、浇口冒口)，选用参数为分层厚度：0.15mm，扫描速度：8000mm/s，成型速度：110cm3/h，成型材料：树脂砂。对树脂型表面刷涂锆溶胶溶液后，均匀撒上150目白刚玉砂，该过程共进行4次，之后在烘箱内进行烘干，烘干温度为45℃，烘干时间采用0.1mm/min的烘干速率进行计算。之后将已固化的白刚玉砂型固定于合适大小的砂箱中，向砂箱中浇灌石膏浆料，石膏浆料的配比为α石膏32％，铝矾土粉28％，铝矾土砂15％，石英粉20％，硫酸镁5％，在浇灌过程中对砂箱施加振动，以保证石膏浆料充分灌满砂箱。在浇灌石膏浆料完毕后，将砂箱静置，待石膏浆料硬化后，移除砂箱，将石膏型移入专用烘干炉中，进行烘干、脱蜡、焙烧过程，烘干过程为100℃，保温22h，脱蜡过程为300℃，保温15h，焙烧过程为650℃，保温12h，随炉冷却至200℃后取出，即完成石膏型的制备过程。选用镁合金的成分及各组分的质量百分比为：Al：8.8％，Zn：0.5％，Mn：0.1％，余量为Mg及不可避免的杂质元素。将熔炼坩埚预热至220℃，加入镁，并加入5号熔剂将镁进行覆盖；待镁完全融化后，将熔体升温至720℃，分批向熔体中加入预热到170℃的铝、锌、镁-稀土中间合金和镁-锰中间合金，搅拌均匀，通氩气精炼，待熔体温度降到720℃，静置30min；将经过熔炼、搅拌、精炼、静置后的稀土镁合金，采用CGCE500型真空差压铸造机在石膏型中浇铸成型，差压铸造工艺参数为：升液充型速率100mm/s，同步工作压力：0.8MPa，工作压差0.25MPa，压差控制误差：±0.001MPa，保压时间30min，即完成复杂镁合金结构件的制造。
对得到的结构件的形貌进行检测，结果见图3，图3为实施例3得到的结构件的金相组织；
对对比例1得到的结构件的性能进行测试，结果见表1，表1为实施例1～2以及对比例提供的构件的拉伸性能测试结果。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复杂镁合金结构件的制造方法，包括：
1)采用激光快速成型机对UG软件制得的图进行打印成型，得到树脂模型，
所述树脂模型包括工件、浇注系统、浇口和冒口；
2)在步骤1)得到的树脂模型的表面刷涂锆溶胶，然后撒上刚玉砂，固化得到固化白玉砂的模型；
3)将固化白玉砂的模型放入砂箱，浇灌石膏浆料，得到石膏模型；
4)将稀土镁合金通过真空差压铸造机在石膏模型中浇铸成型，得到复杂镁合金结构件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述打印成型的工艺参数为：分层厚度：0.08～0.35mm；扫描速度：7000～9000mm/s；成型速度：90-130cm3/h；成型材料：树脂砂。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述刚玉砂的目数为60～150目。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)固化的温度为35～65℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石膏浆料由以下组分组成：α石膏25～35重量份，铝矾土粉20-30重量份，铝矾土砂10-23重量份，石英粉10-20重量份，硫酸镁5-15重量份，辅料1.5～3重量份和余量水。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中浇灌石膏浆料后还包括将硬化的石膏型移入烘干炉烘干、脱蜡和焙烧，然后得到石膏模型。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述焙烧的温度为500～700℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述稀土镁合金，以重量份数计，由以下组分组成：
Al：8.5-9.5重量份，Zn：0.4-0.8重量份，RE：0.3-0.8重量份，Mn：0.1-0.3重量份，余量为Mg。
9.根据权利要8所述的制备方法，其特征在于，所述RE为含有75～85wt％的Y的混合稀土。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)浇铸成型的工艺参数为：升液充型速率20-100mm/s，同步工作压力：0.6～1.0MPa，工作压差0.15～0.4MPa，压差控制误差：±0.001MPa，保压时间20～40min。
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