CN108015228A - 铸型异形型腔温度场分区调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铸型、型芯或模型表面涂层的成分选择技术领域，具体涉及一种铸型异形型腔温度场分区调控方法，包括刷涂底层涂料步骤、分区喷涂步骤和烘干步骤，按照壁厚，将型腔的变截面薄壁区和异形分散热节区分为壁厚＜6mm的区域A、壁厚为6‑15mm的区域B和壁厚＞15mm的区域C，区域A仅喷激热层涂料，区域B先喷激冷层涂料再喷激热层涂料，区域C则仅喷激冷层涂料。本发明所述方法能够促进熔体的长流程充型，加快凝固速率，显著改善铸件的组织、性能，提高合格率，降低制造成本，安全环保，适用范围广，操作简便，稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于铸型、型芯或模型表面涂层的成分选择技术领域，具体涉及一种铸型异形型腔温度场分区调控方法。
背景技术
砂型铸造是指在砂型中生产铸件的铸造方法，由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制备简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，且生产效率高，广泛应用于航空航天、兵器、车辆等领域的轻合金构件成形。
随着装备轻量化的发展，大量铸件材料选用低密度的铝合金材料，结构设计向整体化、复杂、薄壁趋势发展。该类铸件具有异形、变截面、热节分散众多等特点，金属铸型无法成形，石膏型成本高、周期长、性能低，而砂型铸造由于自身型腔导热过快、流阻过大等问题，生产的铸件极易出现浇不足、冷隔等充型缺陷，以及热节区缩孔、缩松等凝固缺陷，特别是大面积壁厚小于5mm的变截面薄壁区和难以安装冷铁的异形内腔孤立热节区等。上述缺陷的频繁出现，极大限制了砂型铸造的低成本、高效率、高性能优势的发挥，成为制约装备研制、生产进程的瓶颈。
为解决以上问题，公开号为CN1254328C的专利文件公开了一种铝合金薄壁件金属型铸造用焓变涂料，将三氧化二铁与镁粉应用于铝合金薄壁件的铸造过程中，利用二者的放热反应，提高铝合金薄壁铸件金属液的充型能力。但采用该方法对铸件进行处理时，存在如下技术问题：涂料附着力较弱，易开裂、剥落，封孔能力和各层间透气性不足，不适合砂型铸造；仅针对薄壁简单结构的充型问题，无法解决10mm左右中等壁厚异形、复杂结构激热充型后熔体过热带来的组织性能恶化，以及难以安装冷铁异形型腔的凝固问题；氧化剂不直接添加，而是依靠水解反应生成，多次喷涂工序繁琐，操作性差；只采用单一氧化剂氧化铁密度大，易沉降，且成本高；镁粉氧化放热过程中存在燃烧风险。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铸型异形型腔温度场分区调控方法，该方法有利于促进熔体的长流程充型，加快凝固速率，获得充型完好、致密的铸态组织，提高力学性能及合格率，同时附着力、透气性等优良，操作性强，稳定性好，安全环保，最终大幅扩展砂型铸造工艺在铝、镁合金铸件上的应用范围，降低制造成本，提升制造效率和质量。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
铸型异形型腔温度场分区调控方法，包括刷涂底层涂料步骤、分区喷涂步骤和烘干步骤，按照壁厚，将型腔的变截面薄壁区和异形分散热节区分为壁厚＜6mm的区域A、壁厚为6-15mm的区域B和壁厚＞15mm的区域C，区域A仅喷激热层涂料，区域B先喷激冷层涂料再喷激热层涂料，区域C则仅喷激冷层涂料。
进一步，所述底层涂料由耐火砖粉、煅烧石绵粉、短纤维、水玻璃和乙醇组成。
进一步，以质量百分比计，所述所述底层涂料的配比关系为：耐火砖粉18％-20wt％、煅烧石绵粉3％-5％、短纤维0.1％-0.2％、水玻璃4％-5％和乙醇余量。
进一步，所述底层涂料的喷涂厚度为160-200μm。
进一步，底层涂料刷涂过程中通过局部点燃实现干燥、硬化。
进一步，激热层涂料包括激热背层涂料和激热面层涂料，所述激热背层涂料由氧化锌粉、氧化铁粉、煅烧石绵粉、水玻璃和水组成，激热面层涂料由镁粉、石墨粉、硼酸、水玻璃和水组成。
进一步，所述激热背层涂料和激热面层涂料的喷涂厚度均为120-160μm。
进一步，以质量百分比计，所述激热背层涂料的配比关系为：氧化锌粉12％-14％、氧化铁粉5％-7％、煅烧石绵粉5％-7％、水玻璃3％-4％和水余量。
进一步，以质量百分比计，所述激热面层涂料的配比关系为：激热面层涂料由镁粉9％-11％、石墨粉19％-21％、硼酸0.5％-0.8％、水玻璃3％-4％和水余量。
进一步，所述所述激冷层涂料由石墨粉、氢氧化铝凝胶、煅烧石绵粉、十二烷基硫酸钠和水组成。
进一步，以质量百分比计，所述激冷层涂料的配比关系为：石墨粉5％-8％、氢氧化铝凝胶25％-28％、煅烧石绵粉2％-4％、十二烷基苯磺酸钠0.5％-1％和水余量。
进一步，所述激冷层涂料的喷涂厚度为120-160μm。
进一步，所述烘干的温度为120-160℃，时间为≥60min。
本发明的有益效果在于：
本发明所述方法将变壁厚及难以安装冷铁实现激冷的异形型腔温度场进行分解，分为壁厚＜6mm的区域A、壁厚为6-15mm的区域B和壁厚＞15mm的区域C三种壁厚区域的充型及凝固问题分别提出只激热、先激热后激冷和只激冷三种解决方案，覆盖面广，能够实现对各种结构件铸型型腔的进行全面、整体调控，重构温度场，大幅提高铸件合格率。
本发明所述方法针对薄壁充型问题，显著提升了熔体充型能力，避免了采用单一氧化剂——氧化铁密度大、易沉降、成本高等问题，并降低了镁粉氧化放热过程中的燃烧风险。
本发明所述方法既促进充型又避免过热，热量疏导能力强，显著改善组织性能。
本发明所述方法针解决了分层涂覆造成的附着力弱、开裂、剥落问题，改善封孔能力，提升各层间透气性；提高了涂料的悬浮能力，工艺性好。
本发明所述方法适合通过砂型铸造生产的各种复杂、异形、变截面铸件，适用范围广，操作简便，稳定性高，安全可靠，能够最大限度发挥砂铸的低成本、高效率、高性能优势，能够大规模推广应用。
将本发明所述方法应用于砂型铸造，制备的5mm薄壁嵌管铝合金铸件，能够将薄壁浇不足、冷隔缺陷导致的废品率从72％降低到4％，突破了砂型铸造难以制备薄壁件的行业工艺瓶颈；制备的变截面异形壳体，实现了壁厚3-42mm区域针孔度和缩松度全部I级，本体抗拉强度及断后伸长率达315MPa和10.5％。
附图说明
图1为实施例1铸件处理前后的5mm嵌管薄壁成形质量对比图；
图2为实施例2的砂型异形型腔温度场分区调控方案图；
图3为采用实施例3和对比例1所述方法处理的铸件的低倍组织图，其中，a为采用实施例3所述方法处理的铸件的低倍组织图，b为采用对比例1所述方法处理的铸件的低倍组织图；
图4为采用实施例3所述方法处理的复杂异形型腔面附近铝液的温度变化曲线。
具体实施方式
所举实施例是为了更好地对本发明的内容进行说明，但并不是本发明的内容仅限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
铸型异形型腔温度场分区调控方法(铸件为壁厚为5mm的薄壁铝合金内嵌钢管结构，材料为ZL101A，采用树脂砂型重力铸造成形)，铸型分为上下两型，射砂造型、修整完毕后，首先采用软毛刷在型腔面整体均匀、平滑刷涂底层涂料(组成如表1所示)，刷涂厚度为200μm，刷涂过程中通过点燃涂层实现干燥、硬化；在薄壁区依次喷涂激热面层和激热背层两种涂料(组成分别如表2和表3所示)，各喷涂均通过喷枪沿型腔面匀速平行移动完成，喷嘴距型腔面350mm，并均匀覆盖前一涂层，喷涂厚度均为120μm；喷涂完毕，将上下型置于干燥箱内150℃烘干60min；出炉后合型，完成重力下浇注成形，ZL101A浇注温度720℃。
表1底层涂料组成
| 成分 | 耐火砖粉 | 煅烧石棉粉 | 短纤维 | 水玻璃 | 乙醇 |
| 配比wt.％ | 20 | 5 | 0.1 | 5 | 69.9 |
表2激热背层涂料成分及配比
| 成分 | 氧化锌粉 | 氧化铁粉 | 煅烧石棉粉 | 水玻璃 | 水 |
| 配比wt.％ | 14 | 5 | 5 | 4 | 72 |
表3激热面层涂料成分及配比
| 成分 | 镁粉 | 石墨粉 | 硼酸 | 水玻璃 | 水 |
| 配比wt.％ | 9 | 19 | 0.5 | 4 | 67.5 |
通过三螺旋法测试熔体的充型流长，采用该方法处理前后的熔体流长和该铸件因5mm嵌管薄壁浇不足、冷隔缺陷导致的铸件废品率，结果如表4和图1所示。
表4性能测试结果
由表4可知，与处理前相比，采用本发明所述方法处理的铸件的流长提高了45.5％，因5mm嵌管薄壁浇不足、冷隔缺陷导致的废品率降低了94.4％。
由此证明，本发明所述方法能够显著提高铝熔体的薄壁充型流长，降低铸件因5mm嵌管薄壁浇不足、冷隔缺陷导致的废品率，从而进一步说明本发明所述方法能够解决壁嵌管型腔充型过程中频繁出现的浇不足的技术难题。
由图1可知，本发明所述方法能够显著提高5mm嵌管薄壁成形质量。
实施例2
铸型异形型腔温度场分区调控方法(铸件为720mm高、壁厚为3-42mm的变截面异形壳体，材料为ZL305，采用树脂砂型差压铸造成形)，铸型分为内、外型及多个型芯，造型、修整完毕后，首先采用软毛刷在型腔面整体均匀、平滑刷涂底层涂料(组成如表5所示)，刷涂厚度为160μm，刷涂过程中通过点燃涂层实现干燥、硬化；除易安装冷铁的区域外，按照壁厚，将型腔的变截面薄壁区和异形分散热节区分为3mm≤壁厚＜6mm的区域A、壁厚为6-15mm的区域B和15mm＜壁厚≤42mm的区域C，并按照图2所示方案(图2中以上和以下均不包括本数，例如，6mm以下具体指壁厚＜6mm)进行分区域顺序喷涂：区域A只喷激热层涂层(组成如表6和表7所示)；区域B先喷激冷层涂料(组成如表8所示)再喷激热层涂料(组成如表6和表7所示)；区域C只喷激冷层涂料(组成如表8所示)；各喷涂均通过喷枪沿型腔面匀速平行移动完成，喷嘴距型腔面350mm，并均匀覆盖前一涂层，每层喷涂厚度均120μm。喷涂完毕，将内、外型及型芯置于干燥箱内120℃烘干120min。出炉后合型，完成差压下浇注成形，ZL305浇注温度690℃，充型压差75kPa，凝固保压压力5MPa，保压时间25min。
表5底层涂料组成
| 成分 | 耐火砖粉 | 煅烧石棉粉 | 短纤维 | 水玻璃 | 乙醇 |
| 配比wt.％ | 18 | 3 | 0.2 | 4 | 74.8 |
表6激热背层涂料成分及配比
| 成分 | 氧化锌粉 | 氧化铁粉 | 煅烧石棉粉 | 水玻璃 | 水 |
| 配比wt.％ | 12 | 7 | 7 | 3 | 71 |
表7激热面层涂料成分及配比
| 成分 | 镁粉 | 石墨粉 | 硼酸 | 水玻璃 | 水 |
| 配比wt.％ | 11 | 21 | 0.8 | 3 | 64.2 |
表8激冷层涂料成分及配比
| 成分 | 石墨粉 | 氢氧化铝凝胶 | 煅烧石棉粉 | 十二烷基苯磺酸钠 | 水 |
| 配比wt.％ | 8 | 28 | 2 | 1 | 61 |
本实施例所得的铸件，全部铸造表面均未出现浇不足及冷隔缺陷。
检测采用该方法处理前后6-42mm壁厚区域的针孔度和缩松度，处理前后型腔改性区域的抗拉强度和断后伸长率，结果如表9所示；
其中，针孔度和缩松度的测试方法为：X射线探伤法检测；
抗拉强度和断后伸长率按照《GBT 228.1-2010金属材料拉伸试验第一部分:室温试验方法》进行测试。
表9性能测试结果
由表9可知，与处理前相比，采用本发明所述方法处理的铸件的针孔度和缩松度提升了II级以上；抗拉强度提高了16.7％；断后伸长率提高了23.5％。由此证明，本发明所述方法能够显著改善铸件的充型及凝固质量，抑制缺陷产生，提高力学性能。
实施例3
铸型异形型腔温度场分区调控方法(铸件为540mm高、壁厚为10mm的复杂箱体，材料为ZL205，采用树脂砂型低压铸造成形)，铸型分为内、外型及多个型芯，造型、修整完毕后，首先采用软毛刷在型腔面整体均匀、平滑刷涂底层涂料(组成如表10所示)，刷涂厚度为160μm，刷涂过程中通过点燃涂层实现干燥、硬化；其次，除易安装冷铁的区域外，按照壁厚，将型腔的变截面薄壁区和异形分散热节区分为3mm≤壁厚＜6mm的区域A和壁厚为6-10mm的区域B，并按照图2所示方案(图2中以上和以下均不包括本数，例如，6mm以下具体指壁厚＜6mm)进行分区域顺序喷涂：区域A只喷激热层涂层(组成如表11和表12所示)；区域B先喷激冷层涂料(组成如表13所示)再喷激热层涂料(组成如表11和表12所示)；各喷涂均通过喷枪沿型腔面匀速平行移动完成，喷嘴距型腔面350mm，并均匀覆盖前一涂层，每层喷涂厚度均130μm。喷涂完毕，将内、外型及型芯置于干燥箱内140℃烘干时间为150min。出炉后合型，完成低压下浇注成形，ZL205浇注温度700℃，压力70kPa，保压时间20min。
表10底层涂料成分及配比
| 成分 | 耐火砖粉 | 煅烧石棉粉 | 短纤维 | 水玻璃 | 乙醇 |
| 配比wt.％ | 18.5 | 4 | 0.1 | 4.5 | 72.9 |
表11激热背层涂料成分及配比
| 成分 | 氧化锌粉 | 氧化铁粉 | 煅烧石棉粉 | 水玻璃 | 水 |
| 配比wt.％ | 13 | 6 | 6 | 3.5 | 71.8 |
表12激热面层涂料成分及配比
| 成分 | 镁粉 | 石墨粉 | 硼酸 | 水玻璃 | 水 |
| 配比wt.％ | 10 | 20 | 0.6 | 3.5 | 65.9 |
表13激冷层涂料成分及配比
| 成分 | 石墨粉 | 氢氧化铝凝胶 | 煅烧石棉粉 | 十二烷基苯磺酸钠 | 水 |
| 配比wt.％ | 5 | 25 | 4 | 0.5 | 65.5 |
对比例1
铸型异形型腔温度场分区调控方法(铸件为540mm高、壁厚10mm的变截面异形壳体，材料为ZL205，采用树脂砂型低压铸造成形)，铸型分为内、外型及多个型芯，造型、修整完毕后，首先采用软毛刷在型腔面整体均匀、平滑刷涂底层涂料(组成如表14所示)，刷涂厚度为160μm，刷涂过程中通过点燃涂层实现干燥、硬化；其次，除易安装冷铁的区域外，按照壁厚，将型腔的变截面薄壁区和异形分散热节区均只喷激热层涂层(组成如表15和表16所示)；各喷涂均通过喷枪沿型腔面匀速平行移动完成，喷嘴距型腔面350mm，并均匀覆盖前一涂层，每层喷涂厚度均130μm。喷涂完毕，将内、外型及型芯置于干燥箱内140℃烘干90min。出炉后合型，完成差压下浇注成形，ZL205浇注温度700℃，压力70kPa，保压时间20min。
表14底层涂料成分及配比
| 成分 | 耐火砖粉 | 煅烧石棉粉 | 短纤维 | 水玻璃 | 乙醇 |
| 配比wt.％ | 18 | 4 | 0.2 | 4.8 | 73 |
表15激热背层涂料成分及配比
| 成分 | 氧化锌粉 | 氧化铁粉 | 煅烧石棉粉 | 水玻璃 | 水 |
| 配比wt.％ | 12 | 6 | 5 | 4 | 73 |
表16激热面层涂料成分及配比
| 成分 | 镁粉 | 石墨粉 | 硼酸 | 水玻璃 | 水 |
| 配比wt.％ | 10 | 20 | 0.7 | 3.6 | 65.7 |
性能测试
分别测试实施例3和对比例1得到的铸件的低倍组织，测试方法为剖面低倍组织观察，其结果如图3所示；
测试经过实施例3所述方法处理的异形型腔面附近铝液的温度变化曲线，具体测试过程为，结果如图4所示。
由图3可知，采用实施例3所述方法处理的铸件的低倍组织均匀致密；而采用对比例1所述方法处理的铸件的低倍组织分布着大量分散缩松、夹杂等缺陷。由此证明，本发明所述方法能够实现对铸件充型及凝固质量的同步控制，避免了单一激热涂料因局部过热造成的凝固缺陷控制难题。
由图4可知，10mm壁厚复杂异形型腔面附近的铝液，在流经本发明涂料层后，经历了先快速升温后快速降温的变化过程。由此证明，本发明所述方法能够对充型困难又易过热的型腔区域铝熔体依次进行激热和激冷作用，既促充型又利凝固，大幅提升了铸件成形质量。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.铸型异形型腔温度场分区调控方法，包括刷涂底层涂料步骤、分区喷涂步骤和烘干步骤，其特征在于，按照壁厚，将型腔的变截面薄壁区和异形分散热节区分为壁厚＜6mm的区域A、壁厚为6-15mm的区域B和壁厚＞15mm的区域C，区域A仅喷激热层涂料，区域B先喷激冷层涂料再喷激热层涂料，区域C则仅喷激冷层涂料。
2.根据权利要求1所述的铸型异形型腔温度场分区调控方法，其特征在于，所述底层涂料由耐火砖粉、煅烧石绵粉、短纤维、水玻璃和乙醇组成。
3.根据权利要求2所述的铸型异形型腔温度场分区调控方法，其特征在于，以质量百分比计，所述所述底层涂料的配比关系为：耐火砖粉18％-20wt％、煅烧石绵粉3％-5％、短纤维0.1％-0.2％、水玻璃4％-5％和乙醇余量。
4.根据权利要求1、2或3所述的铸型异形型腔温度场分区调控方法，其特征在于，所述底层涂料的厚度为160-200μm。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的铸型异形型腔温度场分区调控方法，其特征在于，激热层涂料包括激热背层涂料和激热面层涂料，所述激热背层涂料由氧化锌粉、氧化铁粉、煅烧石绵粉、水玻璃和水组成，激热面层涂料由镁粉、石墨粉、硼酸、水玻璃和水组成。
6.根据权利要求5所述的铸型异形型腔温度场分区调控方法，其特征在于，以质量百分比计，所述激热背层涂料的配比关系为：氧化锌粉12％-14％、氧化铁粉5％-7％、煅烧石绵粉5％-7％、水玻璃3％-4％和水余量。
7.根据权利要求5或6所述的铸型异形型腔温度场分区调控方法，其特征在于，以质量百分比计，所述激热面层涂料的配比关系为：镁粉9％-11％、石墨粉19％-21％、硼酸0.5％-0.8％、水玻璃3％-4％和水余量。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的铸型异形型腔温度场分区调控方法，其特征在于，所述所述激冷层涂料由石墨粉、氢氧化铝凝胶、煅烧石绵粉、十二烷基硫酸钠和水组成。
9.根据权利要求8所述的铸型异形型腔温度场分区调控方法，其特征在于，以质量百分比计，所述激冷层涂料的配比关系为：石墨粉5％-8％、氢氧化铝凝胶25％-28％、煅烧石绵粉2％-4％、十二烷基苯磺酸钠0.5％-1％和水余量。
10.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的铸型异形型腔温度场分区调控方法，其特征在于，所述烘干的温度为120-160℃，时间≥60min。
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