CN107876704A - 一种低成本的大模组铸造成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本的大模组铸造成型方法，属于精密铸造技术领域。该方法首先设计出大模组模型和选择组模方案；然后采用压制工艺制备蜡件，保证蜡件充型完整，且不变形，根据优化出的模型组焊蜡模；再利用L型搅拌机将面层浆料搅拌72h以上，进行粘浆，干燥后制备出面层；从第二层开始为背层，背层层数在5层以上，制出大模组型壳；最后，在特定浇注工艺下铸造成型。采用本发明方法，一次性铸造成型整组或整台套铸件，即使用一个模组铸造出来一台份以上铸件，数量为24‑108件。铸件合格率高，成本低，制造时间短，可适用性强，在质量一致性上具有明显的技术优势。
Description
技术领域：
本发明涉及精密铸造技术领域，具体涉及一种低成本的大模组铸造成型方法。
背景技术：
精密铸造是制造一些高端产品(如航空航天、石油行业、锅炉工业使用的发动机上零部件)的主要技术之一。传统的方法是采用小模组铸造技术。小模组具有操作简单、冶金缺陷容易控制等优点，但是它同时具有效率低、成本高、整组或整台份叶片质量一致性低等缺点。大模组铸造是使用一个模组、一个型壳、一个坩埚，一次性铸造成型整组或整台套叶片。国外一些铸造厂家已经采用这种技术。国内仍然使用小模组技术。但这种小模组技术已经不适应航空航天科技、石油、锅炉等行业的发展需求。大模组铸造能够显著缩短叶片制造周期、降低制造成本，同时明显提高了铸件型面和尺寸的一致性和稳定性，对降低发动机流耗量，提高发动机工作效率具有重要作用。因此，研发高效低成本的大模组铸造技术，制备符合需求(一次性成型合格率高)的叶片等产品，成为目前研发人员的重要研发方向。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种低成本的大模组铸造成型方法，该方法可行性强，铸件一次性合格率高，成本低，制造时间短，适用于可铸造的所有零部件。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种低成本的大模组铸造成型方法，该方法首先设计出大模组模型和选择组模方案；然后采用压制工艺制备蜡件，保证蜡件充型完整，且不变形，根据优化出的模型组焊蜡模，一次性铸造成型整组或整台套铸件，即一个模组生产出一台份以上铸件，数量为24-108件。再利用L型搅拌机将面层浆料搅拌72h以上，进行粘浆，干燥后制备出面层；从第二层开始为背层，背层层数在5层以上，制出大模组型壳；最后，在特定浇注工艺下铸造成型。
所述蜡件原材料为F28-44B型进口中温蜡料。
采用压制工艺制备蜡件时，蜡件压制温度55-80℃，压力为1.0～3.0MPa，保压时间60-180s；蜡件放置方式为立放，时间24-72h；蜡件组焊在72h内完成，组焊完的模组在12h后进入制壳工序。
所述面层浆料是将原料EC95刚玉粉、铝酸钴粉、硅溶胶、消泡剂和润湿剂按比例混合并搅拌均匀后获得，通过去离子水调整浆料粘度在15-25s范围内；该面层浆料中，所述EC95刚玉粉与铝酸钴粉的重量比例为(7-9)：(1-3)；所述EC95刚玉粉与铝酸钴粉的总重量与硅溶胶重量的比例为(3-5)：1。
所述面层浆料中，所述EC95刚玉粉粒度为320-1000目，铝酸钴粉粒度为2000-3000目；消泡剂和润湿剂的总重量占硅溶胶重量的1-5％。
所述面层浆料涂覆在蜡模后，在温度20-24℃、湿度40-70％的环境下自然干燥4h以上，制备得到面层。
所述背层的制备包括如下步骤：
(1)背层浆料的制备：将原料200-400目的煤矸石粉和硅溶胶按(3-5)：(2-3)的重量比例混合，使用L型搅拌机搅拌72h以上，以去离子水调整浆料粘度范围为10-16s；
(2)背层制备：将步骤(1)所得浆料均匀涂覆在蜡模上，并在雨淋撒砂机中涂挂16-32目的煤矸石粉，涂覆厚度0.1-0.3mm，涂挂煤矸石粉后的背层在温度20-24℃、湿度40-70％的环境下自然干燥6-16h，即获得所述背层。
所述浇注工艺中采用的浇注系统包括浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道四部分，所述内浇道、横浇道与直浇道的横截面积比例为1：(1.1-1.3)：(1.5-2.0；该浇注系统中：浇口杯设于直浇道顶部，用以承接并导入熔融金属；直浇道为垂直通道，将熔融金属导入横浇道；横浇道为水平通道，用以分配金属液进入内浇道；所述横浇道为若干个，沿直浇道轴向呈三层排布；由直浇道的顶端到底端依次为第一层横浇道、第二层横浇道和第三层横浇道；所述内浇道为若干个，设于横浇道上，并直接与铸型型腔相连，用以引导金属液进入型腔。
所述浇注系统中，每一层的横浇道为六个，环绕直浇道呈放射状排布，相邻横浇道之间夹角为60°，横浇道的长度为200-400cm；所述内浇道为长方体结构，内浇道与铸件的连接端为楔形结构，该楔形结构的粗端截面长度为20-40cm、宽度为10-20cm；该楔形结构的细端截面长度为10-30cm、宽度为8-10cm，具有漏斗过滤作用；所述横浇道的管道设计成阶梯状，具有挡渣滤气作用；所述直浇道上设计2-5处变截面结构；直浇道的底端设有圆形的直浇道窝，其直径为直浇道截面直径的1.2-1.4倍，起到防止湍流和飞溅的作用。
所述浇注系统组合后，放置12h后，再组焊零件蜡型；浇注系统的组合包括如下步骤：
(a)按所需要规格压制各种浇道蜡模；
(b)将浇口杯组合到第一层横浇道上，再依次组合第二层横浇道和第三层横浇道；
(c)将内浇道口组焊在各横浇道的相应位置后，在直浇道上修焊出2-5处变截面区，最后在直浇道下端组焊上直浇道窝；
(d)各浇道蜡模组合成浇注系统后，将零件蜡模组焊在内浇道上；
(e)组合后的蜡模放置后，进行制壳和浇注。
适应大模组的浇注温度1550～1650℃，浇注时间4-8s。
本发明的优点及有益效果是：
1.传统方法采用小模组铸造，这种方法虽然操作简单、冶金缺陷容易控制，但是它的效率低、成本高、整组或整台份铸件质量一致性差。大模组是一次性成型整组或整台份铸件，制造周期短，成本低，经济效益显著。
2.本发明利用大模组技术生产铸件，铸件的型面和尺寸的一致性和稳定性好，大大提高了铸件的质量水平。
3.本发明用于所有可铸造的各类材料的零部件，应用广泛。
附图说明：
图1为大、小模组使用本发明面层制备的铸件缺陷统计。
图2为本发明采用的浇注系统结构示意图。
图3为内浇道的结构；其中(b)为(a)的俯视图。
图4为横浇道的结构和尺寸。
图5为横浇道组合图。
图6为直浇道与浇口杯组合图。
图7为稳流窝的结构和尺寸。
图8为浇注系统各部分蜡型的结构与形貌，其中：(a)浇口杯和第一层横浇道组合图；(b)直浇道和横浇道组合图；(c)组合后浇注系统形貌。
图9为某航空铸件的大、小模组的模型图像；其中：(a)大模组；(b)小模组。
图10为组焊后大、小模组的蜡型图像；其中：(a)大模组；(b)小模组。
图11为大模组的型壳图像。
图12为大、小模组铸造的零件的组织结构对比图形；图中上层为碳化物，下层为对应于上层的强化相。
图13为大、小模组铸造技术优势的对比图；其中：(a)成本对比；(b)周期对比；(c)冶金缺陷对比；(d)型面一致性对比。
图中：1-浇口杯；2-直浇道；201-变截面结构；202-直浇道窝；3-横浇道；4-内浇道。
具体实施方式：
以下通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
在具体实施过程中，本发明高效低成本的大模组铸造方法的具体过程如下：
首先，使用UG计算机画图软件设计大模组模型，并采用Procast数值模拟技术，进行充型过程模拟，确定组合方案。然后按照压蜡工艺要求，压制蜡件，并将蜡件组焊在浇注系统上；而后按照制壳工艺要求制造大模组型壳。最后，采用一定的浇注工艺参数铸造成型整组或整台份的铸件。
蜡件压制在本发明中非常重要，保证蜡件不变形是蜡件压制的关键之一，通过优化压蜡工艺参数来保证蜡件型面的稳定性。本发明中采用F28-44B型进口中温蜡料，在温度55-80℃、压力1.0～3.0MPa、保压时间60-180s条件下，压制蜡件。压制的蜡件立放，放置时间24-72h，以保证蜡件充型完整，且不变形。蜡件在72h内组焊完毕，一个模组件数为24-108个。组焊后模组在12h后进入制壳工序。
制壳过程是大模组铸造过程的关键环节之二，通过研究料浆的搅拌时间、干燥时间和粘度对铸件表面质量的影响，确定最佳制壳工艺参数，获得适合大模组的型壳。
所述面层浆料是将原料320-1000目的EC95刚玉粉、2000-3000目的铝酸钴粉、工业GS-30型号硅溶胶、消泡剂和润湿剂按比例混合并搅拌均匀后获得，以下实施例中，通过去离子水调整浆料粘度在22.1s范围内；面层浆料中，EC95刚玉粉与铝酸钴粉的重量比例为7：3；所述EC95刚玉粉与铝酸钴粉的总重量与硅溶胶重量的比例为3：1。消泡剂和润湿剂的总重量占硅溶胶重量的3％，消泡剂与润湿剂的重量比例为1：1；所述消泡剂为正丁醇，所述润湿剂型号为润木RS-6401。所述面层浆料涂覆在蜡模后，在温度20-24℃、湿度40-70％的环境下自然干燥18h，制备得到面层。
使用该浆料制备的面层没有发现挠曲、凹凸变形及微裂纹等缺陷，表面光洁度在0.8-2μm之间(表1)。制备的铸件表面没有产生陶瓷夹渣、变形、砂眼、麻点等缺陷，铸件表面光洁度在0.7-1.6μm之间(图1和表1)，满足铸件的表面质量要求。
表1使用本发明浆料制备的面层光洁度及铸件的表面光洁度
| 表面光洁度μm | 测量点1 | 测量点2 | 测量点3 | 测量点4 | 测量点5 |
| 面层(实施例1) | 0.80 | 1.56 | 1.98 | 1.12 | 2.01 |
| 铸件(实施例1) | 0.68 | 0.92 | 0.7 | 1.48 | 1.60 |
| 铸件(实施例2) | 0.86 | 0.92 | 0.79 | 1.48 | 1.86 |
| 铸件(实施例3) | 0.83 | 0.92 | 1.80 | 1.48 | 1.59 |
以下实施例中背层的制备包括如下步骤：
(1)背层浆料的制备：将原料200-400目的煤矸石粉和工业GS30型号硅溶胶按5：3的重量比例混合，使用L型搅拌机搅拌98h，以去离子水调整浆料粘度为12.1s；
(2)背层制备：将步骤(1)所得浆料均匀涂覆在蜡模上，将蜡模浸入浆料中三次，直至将浆料均匀涂覆在蜡模表面上，同时保证蜡模表面无气泡和液流等。并在雨淋撒砂机中涂挂16-32目的煤矸石粉，涂覆厚度0.1-0.3mm，涂挂煤矸石粉后的背层在温度20-24℃、湿度40-70％的环境下自然干燥8h，即获得所述背层。在本发明浇注温度和浇注时间下浇注铸件。使用该浆料制备的背层没有产生漏钢、卷气、难清壳等问题。
浇注过程是第三个关键环节，通过合理控制浇注温度和时间，来提高铸件的充型性，并实现了冶金缺陷的有效控制。
本发明浇注中所设计的浇注系统为封闭式，适用于长度在60mm以下的小型零件。如图2所示，该浇注系统包括浇口杯1、直浇道2、横浇道3和内浇道4四部分，所述内浇道、横浇道与直浇道的横截面积比例为1：(1.1-1.3)：(1.5-2.0；该浇注系统各部分设计如下：
浇口杯：设于直浇道顶部，用以承接并导入熔融金属；
直浇道：为垂直通道，将熔融金属导入横浇道；所述直浇道上设计2-5处变截面结构201；直浇道的底端设有圆形的直浇道窝202，其直径为直浇道截面直径的1.2-1.4倍，起到防止湍流和飞溅的作用。
横浇道：为水平通道，用以分配金属液进入内浇道；所述横浇道为若干个，沿直浇道轴向呈三层排布；由直浇道的顶端到底端依次为第一层横浇道、第二层横浇道和第三层横浇道；每一层的横浇道为六个，环绕直浇道呈放射状排布，相邻横浇道之间夹角为60°，横浇道的长度为200-400cm。所述横浇道的管道设计成阶梯状，优选为两个阶梯，具有挡渣滤气作用。
内浇道：所述内浇道为若干个，设于横浇道上，并直接与铸型型腔相连，用以引导金属液进入型腔。所述内浇道为长方体结构，内浇道与铸件的连接端为楔形结构，该楔形结构的粗端截面长度为20-40cm、宽度为10-20cm；该楔形结构的细端截面长度为10-30cm、宽度为8-10cm，具有漏斗过滤作用，如图3(a)-(b)和表2所示，具有漏斗过滤作用。
表2内浇道楔形结构尺寸
| a1 | 20-40 |
| b1 | 10-30 |
| L1 | 10-20 |
| L2 | 8-10 |
| 数量 | 50-100 |
以下实施例中，浇注系统的各部分结构如图2-7及表3所示，其中：内浇道为小长方体，内浇道与铸件连接的一端为楔形，形状见图3。横浇道的管道设计成两级阶梯型，各横浇道呈放射状绕直浇道分布，相邻分支之间角度为60°，横浇道形状见图4-5。直浇道上设计2处变截面，直浇道底端设有用于稳流的圆形直浇道窝，形状见图6-7。
本发明浇注系统的制备流程：首先，压制各种浇道蜡模，检验尺寸，按图2组合：(1)将浇口杯组合到第一层横浇道上，如图8(a)所示。(2)在直浇道上依次组合第二层横浇道和三层横浇道，如图8(b)所示。(3)将内浇口组焊在横浇道的相应位置，修焊出2处变截面区，在下端组焊上直浇道窝(稳流窝)，如图8(c)所示。冷却16h后，将零件蜡模组焊在内浇道上。组合后的蜡模放置一定时间后，进行制壳和浇注。浇注后的叶片经检验外型完整，疏松、夹渣、气泡等冶金缺陷在控制范围内，因冶金缺陷导致报废的叶片为9％。
本发明高效低成本的大模组铸造方法，在真空感应熔炼炉内，在1550～1650℃温度下浇注，浇注时间4-8s。
本发明高效低成本的大模组铸造方法，采用UG软件进行零部件和辅助系统的结构和形状绘制，采用Procast软件模拟浇注过程，保证铸件充型完全，不产生超标缺陷。
实施例1
本实施例中，按照本发明技术方案中所描述的方法制备某航天动力装置上使用的A1合金铸件1台份72片。首先，设计出最佳模型，如图9所示。然后压制蜡件，组焊蜡型，如图10所示。压蜡时，温度为77℃，保压时间120s，压力1.2MPa。蜡件竖放24h后组合，52h内组焊完毕，组焊完2h内进入制壳阶段。而后将大模组浸入料浆中，料浆搅拌100h，测得粘度为24.1s，大模组在料浆中旋转10s，使模组上浆料均匀，干燥24h，如此类推制成9层，如图11所示。最后在浇注温度为1580℃时，在5s时间内完成浇注过程。由此方法制备的铸件组织结构如图12所示，可见，在大模组上下层、内外圈等不同位置上铸件组织中的碳化物和强化相形貌一致。图13表明了大模组铸造的显著技术优势，大模组铸造成本低、周期短、冶金缺陷与小模组相当，且大模组型面一致性高。这种技术不仅大大提高了铸件的质量水平，而且产生了巨大的经济效益。
实施例2
本实施例中，按照本发明技术方案中所描述的方法制备某锅炉泵上使用的A2合金铸件1台泵上36个叶片。首先，设计出最佳模型，然后压制蜡件，组焊蜡型，压蜡时，温度为71℃，保压时间120s，压力1.8MPa。蜡件竖放18h后组合，48h内组焊完毕，组焊完3h内进入制壳阶段。而后将大模组浸入料浆中，料浆搅拌88h，测得粘度为22.1s，大模组在料浆中旋转6s，使模组上浆料均匀，干燥16h，如此类推制成9层。最后在浇注温度为1550℃时，在4s时间内完成浇注过程。由此方法制备的铸件外形完整、表面质量和内部质量合格，符合技术要求的规定。
实施例3
本实施例中，按照本发明技术方案中所描述的方法制备某油井发动机上使用的A3合金铸件1台泵上24片。首先，设计出最佳模型，然后压制蜡件，组焊蜡型，压蜡时，温度为69℃，保压时间90s，压力1.5MPa。蜡件竖放16h后组合，60h内组焊完毕，组焊完1h内进入制壳阶段。而后将大模组浸入料浆中，料浆搅拌92h，测得粘度为27.8s，大模组在料浆中旋转5s，使模组上浆料均匀，然后干燥18h，如此类推制成9层。最后在浇注温度为1650℃时，在4s内完成浇注过程。由此方法制备的铸件外形完整、表面质量和内部质量合格，符合技术要求的规定。
实施例结果表明，本发明开发了一种高效低成本的大模组铸造方法：首先，利用UG软件设计出大模组模型，并利用Procast计算模拟技术优化组模方案；其次，在特定压制工艺下制备蜡件，根据优化出的模型组焊蜡模；而后，利用高能搅拌机在大型号铁桶中搅拌料浆72h以上，进行粘浆，干燥16h以上，制备出面层，以此类推制备出第二层到第九层，制出型壳；最后在特定浇注工艺下铸造成型。采用本发明方法，铸件合格率高，成本低，制造时间短，可适用性强，在质量一致性上具有明显的技术优势。
Claims (10)
1.一种低成本的大模组铸造成型方法，其特征在于：该方法首先设计出大模组模型和选择组模方案；然后采用压制工艺制备蜡件，保证蜡件充型完整，且不变形，根据优化出的模型组焊蜡模；再利用L型搅拌机将面层浆料搅拌72h以上，进行粘浆，干燥后制备出面层；从第二层开始为背层，背层层数在5层以上，制出大模组型壳；最后，在特定浇注工艺下铸造成型。
2.按照权利要求1所述的低成本的大模组铸造成型方法，其特征在于：一次性铸造成型整组或整台套铸件，即一个模组生产出一台份以上铸件，数量为24-108件。
3.按照权利要求1所述的低成本的大模组铸造方法，其特征在于：蜡件原材料为F28-44B型进口中温蜡料；采用压制工艺制备蜡件时，蜡件压制温度55-80℃，压力为1.0～3.0MPa，保压时间60-180s；蜡件放置方式为立放，时间24-72h；蜡件组焊在72h内完成，组焊完的模组在12h后进入制壳工序。
4.按照权利要求1所述的低成本的大模组铸造方法，其特征在于：所述面层浆料是将原料EC95刚玉粉、铝酸钴粉、硅溶胶、消泡剂和润湿剂按比例混合并搅拌均匀后获得，通过去离子水调整浆料粘度在15-25s范围内；该面层浆料中，所述EC95刚玉粉与铝酸钴粉的重量比例为(7-9)：(1-3)；所述EC95刚玉粉与铝酸钴粉的总重量与硅溶胶重量的比例为(3-5)：1，所述消泡剂和润湿剂的总重量占硅溶胶重量的1-5％。
5.按照权利要求4所述的低成本的大模组铸造方法，其特征在于：所述面层浆料涂覆在蜡模后，在温度20-24℃、湿度40-70％的环境下自然干燥4h以上，制备得到面层。
6.按照权利要求1所述的低成本的大模组铸造方法，其特征在于：所述背层的制备包括如下步骤：
(1)背层浆料的制备：将原料200-400目的煤矸石粉和硅溶胶按(3-5)：(2-3)的重量比例混合，使用L型搅拌机搅拌72h以上，以去离子水调整浆料粘度范围为10-16s；
(2)背层制备：将步骤(1)所得浆料均匀涂覆在蜡模上，并在雨淋撒砂机中涂挂16-32目的煤矸石粉，涂覆厚度0.1-0.3mm，经干燥处理后即获得所述背层；所述干燥处理条件为：干燥温度20-24℃，湿度40-70％，自然干燥6-16h。
7.按照权利要求1所述的低成本的大模组铸造方法，其特征在于：所述浇注工艺中采用的浇注系统包括浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道四部分，所述内浇道、横浇道与直浇道的横截面积比例为1：(1.1-1.3)：(1.5-2.0；该浇注系统中：浇口杯设于直浇道顶部，用以承接并导入熔融金属；直浇道为垂直通道，将熔融金属导入横浇道；横浇道为水平通道，用以分配金属液进入内浇道；所述横浇道为若干个，沿直浇道轴向呈三层排布；由直浇道的顶端到底端依次为第一层横浇道、第二层横浇道和第三层横浇道；所述内浇道为若干个，设于横浇道上，并直接与铸型型腔相连，用以引导金属液进入型腔。
8.按照权利要求7所述的低成本的大模组铸造方法，其特征在于：所述浇注系统中，每一层的横浇道为六个，环绕直浇道呈放射状排布，相邻横浇道之间夹角为60°，横浇道的长度为200-400cm；所述内浇道为长方体结构，内浇道与铸件的连接端为楔形结构，该楔形结构的粗端截面长度为20-40cm、宽度为10-20cm；该楔形结构的细端截面长度为10-30cm、宽度为8-10cm，具有漏斗过滤作用；所述横浇道的管道设计成阶梯状，具有挡渣滤气作用；所述直浇道上设计2-5处变截面结构；直浇道的底端设有圆形的直浇道窝，其直径为直浇道截面直径的1.2-1.4倍，起到防止湍流和飞溅的作用。
9.按照权利要求7或8所述的低成本的大模组铸造方法，其特征在于：浇注系统组合后，放置12h后，再组焊零件蜡型；浇注系统的组合包括如下步骤：
(a)按所需要规格压制各种浇道蜡模；
(b)将浇口杯组合到第一层横浇道上，再依次组合第二层横浇道和第三层横浇道；
(c)将内浇道口组焊在各横浇道的相应位置后，在直浇道上修焊出2-5处变截面区，最后在直浇道下端组焊上直浇道窝；
(d)各浇道蜡模组合成浇注系统后，将零件蜡模组焊在内浇道上；
(e)组合后的蜡模放置后，进行制壳和浇注。
10.按照权利要求1所述的低成本的大模组铸造方法，其特征在于：适应大模组的浇注温度1550～1650℃，浇注时间4-8s。
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