CN114850433A - 一种基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金工业铸造技术领域，具体涉及一种基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法。本发明所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，通过石膏型精密制型技术结合离心浇注工艺形成的石膏型离心铸造工艺，可以实现成形轮廓尺寸不大于500×500×500mm、主体壁厚在1.0‑2.0mm的轻合金铸件的一次性成型，且所述铸件后续仅需对安装对接工作面进行机械加工，即能达到装备使用要求，具有机械加工周期短、成品率高和尺寸一致性好的优点。
Description
技术领域
本发明属于合金工业铸造技术领域，具体涉及一种基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法。
背景技术
近年来，随着我国航天技术的飞速发展，为了满足轻量化和整体化的设计要求，铝合金薄壁舱体铸件的需求和应用越来越广泛，尤其是复杂结构的薄壁轻合金铸件凭借其轻质高强的优点，在航天器上的应用越发广泛。
目前，随着航天器对铸件的减重要求愈发严苛，对成型铸件的壁薄要求一再提高，主体壁厚仅在1.0-2.0mm范围内的超薄壁轻合金铸件成为新的行业主流产品。但是，实践证明，基于传统的砂型铸造和纯机械加工成形的方式加工的轻合金铸件，由于受到成形方式固有缺点的限制，难以实现主体壁厚在1.0-2.0mm范围内的超薄壁轻合金铸件的一次性成形，目前只能通过在铸件内外表面预留后续加工余量的方式进行二次成形加工，导致整个机械加工的周期过长，且产品的加工合格率与进度也难以保证。
鉴于此，开发一种可实现主体壁厚在1.0-2.0mm范围内的超薄壁轻合金铸件的一次性成形铸造工艺，对于轻量化和整体化铸件材料的开发及应用具有积极的意义。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，以解决现有技术中传统铸件工艺无法适用于超薄璧铸件一次性成型的问题；
本发明所要解决的第二个技术问题在于提供基于上述工艺加工的超薄壁铝合金铸件。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，包括如下步骤：
(1)取高密度聚乙烯微粒加入至中温模料混合，得到高强韧蜡模材料并进行铸件蜡样压制，备用；
(2)取高密度聚乙烯颗粒加入至低温模料混合，得到蜡模浇道材料并进行浇道的加工及焊接；
(3)将焊接好所述浇道的整套铸件蜡样置于砂箱内，并灌满石膏浆料得到石膏铸型；随后将所述石膏铸型进行焙烧处理；
(4)将焙烧后的所述石膏铸型置于真空加压罐内的旋转平台上，并将熔炼好的铝合金熔体转入所述真空加压罐的浇包中，在保护气氛下进行抽真空处理；随后启动旋转平台，当所述石膏铸型达到预设转速后，转动浇包将所述合金熔体进入所述石膏铸型；待浇注完成后泄压并取出铸件，即得。
具体的，所述步骤(1)中，所述高密度聚乙烯微粒的直径为0.2-0.3mm；
所述高密度聚乙烯微粒的加入量占所述中温模料用量的4-8wt％。
具体的，所述步骤(1)中，还包括将所得高强韧蜡模材料升温至72-78℃进行铸件蜡样压制的步骤。
具体的，所述步骤(2)中，所述高密度聚乙烯颗粒的直径为0.7-0.9mm；
所述高密度聚乙烯颗粒的加入量占所述低温模料用量的5-10wt％。
具体的，所述步骤(2)中，还包括将所述蜡模浇道材料升温至61-65℃进行浇道加工的步骤。
具体的，所述步骤(2)中，所述浇道包括直浇道和横浇道；其中，
所述直浇道纵向设置于所述铸件蜡样的旋转中心线位置，并纵向贯穿所述铸件蜡样；
所述横浇道横向连接于所述直浇道和所述铸件蜡样的内壁之间，所述横浇道沿所述铸件蜡样的内壁设置多层；
所述浇道的焊接步骤包括先逐层焊接所述横浇道到所述铸件蜡样上，再焊接所述直浇道的步骤。
具体的，所述步骤(2)中，所述浇道的焊接步骤中：
所述横浇道的截面积为焊接点部位壁厚的1.5-2倍；
所述横浇道焊接点在所述铸件蜡样上的距离为相邻壁厚的80-100倍；
所述直浇道的截面积为同水平高度位置所有横浇道截面积总和的8-10倍。
具体的，所述步骤(4)中，所述抽真空步骤具体包括：关闭真空罐，抽真空至-0.07～-0.09MPa，保持20-30s；然后使用保护气氛将调整压力至0.1-0.12MPa，并保持10-20s；再次抽真空至-0.04～-0.06MPa。
具体的，所述步骤(4)中，所述石膏铸型的预设转速为300-400转/min。
具体的，所述步骤(4)中，还包括在所述合金熔体浇注完成后立即加压的步骤，控制加压压力在0.7-0.8MPa，同时继续保持所述石膏铸型旋转20-30s，并保持加压压力15-20分钟。
本发明还公开了由所述方法制备得到的超薄壁铝合金铸件，所述铸件的成形轮廓尺寸不大于500×500×500mm、主体壁厚在1.0-2.0mm，例如可以是圆筒型铸件或方筒型铸件。
本发明所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，通过石膏型精密制型技术结合离心浇注工艺形成的石膏型离心铸造工艺，其中，采用低温(280-300℃)石膏型作为充型模具，再加上真空状态充型和分区独立供给补缩，大大降低了常规离心铸造的旋转速度，而对于超薄壁铸件而言，铝液的充型结束时间和凝固时间相隔较近，也不必进行长时间的离心旋转保持，这就使得浇注时间周期大幅缩短，生产效率大幅提高；而采用真空增压离心铸造工艺，充型能力显著提升，不仅在浇道数量上远小于常规精密铸造工艺，而且充型补缩距离在离心力的加持下大幅增加，常规石膏型精密铸造工艺中，内浇口的补缩距离在20-40倍，壁厚小于2mm的铸件，内浇口的补缩距离取下限，但本发明通过结合离心铸造工艺，达到了内浇口充型补缩距离在80-100倍，对于后期清理和变形控制具有显著的正向支撑作用。本发明所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，可以实现成形轮廓尺寸不大于500×500×500mm、主体壁厚在1.0-2.0mm的轻合金铸件的一次性成型，且所述铸件后续仅需对安装对接工作面进行机械加工，即能达到装备使用要求，具有机械加工周期短、成品率高和尺寸一致性好的优点。
本发明所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，通过在铸件蜡样和浇道中加入不同颗粒尺寸高密度聚乙烯颗粒，起到颗粒增强作用，保证超薄壁构件铸件蜡样和浇道的强度和整体轮廓刚度，其中，铸件蜡样采用尺寸较小的高密度聚乙烯颗粒，在起到增强作用的同时，能够避免因为颗粒较大导致铸件蜡样表面出现凹凸不平的情况，而浇道则可采用尺寸较大的高密度聚乙烯颗粒以显著提高强度和刚度；而所述铸件蜡样的成型之所以采用中温磨料、浇道采用低温模料，是为了保证升温脱蜡过程的顺序性，促使形成由浇道—铸件方向形成顺序脱蜡，避免蜡液熔化流出不及时造成的涨型，进而导致铸件壁厚超差，有效保证了合金铸件的薄壁要求。
本发明所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，相对于常规石膏型真空加压铸造工艺，其成形构件的壁厚更薄，浇注系统结构简单，无需大量的金属熔体补缩通道，材料利用率高，铸型内部浇道与焙烧炉内循环气氛换热充分，石膏铸型收缩均匀，焙烧时间短，节约能源；而且，由于离心浇注工艺之后旋转速度较常规离心浇注工艺的旋转速度低，在有效降低充型紊流的同时，提供了足够的正向补缩压力，铸件内部组织致密。本发明所述石膏型离心铸造工艺，只需通过常规设备进行集成改造即能实现硬件基础，无需特种定制非标设备，推广应用前景好。
本发明基于所述石膏型离心铸造工艺制备的超薄壁铝合金铸件，可以实现成形轮廓尺寸不大于500×500×500mm、主体壁厚在1.0-2.0mm的铝合金铸件的一次性成型，且铸件壁厚差控制在±0.16mm，外表面轮廓度在±0.2mm，铝合金铸件内部质量达到GB/11346标准的1级铸件要求，保证了铸件的应用性能。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，
图1为本发明所述超薄璧铝合金铸件的浇道结构示意图；
图2为本发明所述超薄璧铝合金铸件的浇道结构示意图的主视图；
图3为本发明所述超薄璧铝合金铸件的浇道结构示意图的俯视图；
图4为本发明所述超薄璧铝合金铸件的浇道结构示意图的仰视图；
图5为本发明所述超薄璧铝合金铸件的浇道结构示意图的剖视图；
图中附图标记表示为：1-直浇道，2-横浇道，3-铸件蜡样。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。
本发明如下实施例的焊接步骤中，涉及的指标定义包括：
所述焊接点部位壁厚：指的是横浇道端部与铸件蜡样连接部位的壁厚，由于横浇道是连接到铸件蜡样加强筋交接部位，所以焊接点部位壁厚指的是铸件蜡样加强筋部位壁厚(包括加强筋厚度和铸件蜡样本身厚度)；
相邻壁厚指的是：同一水平高度的两个横浇道之间，铸件蜡样的壁厚。
实施例1
本实施例制备的所述超薄璧铝合金铸件的轮廓尺寸为直径(外径)500mm×高度500mm，主体壁厚2mm，材质为ZL114A。
本实施例所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，包括如下步骤：
(1)将直径0.3mm的高密度聚乙烯微粒(加入比例为4wt％)加入中温模料，得到高强韧蜡模材料，将高密度聚乙烯微粒和中温模料的混合料进行机械搅拌30分钟，当温度达到72℃，按照预设结构进行压制铸件蜡样；
(2)将直径0.9mm的高密度聚乙烯颗粒(加入比例为10wt％)加入低温模料，得到蜡模浇道材料，将所得混料进行机械搅拌20分钟，当温度达到61℃，进行浇道制备；
按照图1-5所示的浇道结构，先逐层焊接所述横浇道到铸件蜡样上，再焊接所述直浇道，其中，通过加热至500℃的3mm铁质蜡刀将横浇道焊接到所述铸件蜡样的内壁上，所述横浇道截面积等效圆直径为焊接点部位壁厚的1.6倍，横浇道焊接点在铸件蜡样上的充型保障距离为相邻壁厚的99.5倍，一次直浇道位于旋转中心线，一次直浇道的截面积为同水平高度位置所有横浇道截面积总和的10倍，并使得一次直浇道贯穿整个铸件蜡样最高点和最低点；
(3)将焊接好所述直浇道和横浇道的整套蜡样放置在圆截面砂箱内，并在砂箱内灌满石膏浆料，得到石膏铸型；将石膏铸型在带有循环风加热的焙烧炉中进行常规焙烧处理；
(4)焙烧完成后，将所述石膏铸型吊入具备抽真空和气体加压的真空加压罐中，并固定在所述真空加压罐内的旋转平台上，调整所述直浇道的中心线与旋转平台中心线相重合，同时将熔炼好的铝合金熔体转入真空加压罐中的浇包中；关闭真空罐，抽真空至-0.07MPa并保持20s，然后使用纯度为99.9％的氩气将罐内压力调整至0.1MPa并保持10s，再次抽真空至-0.04MPa；同时启动旋转平台，使得所述石膏铸型以300转/min的速度匀速旋转，当石膏铸型达到规定转速后保持5s；同时转动浇包使得所述铝合金熔体通过所述直浇道进入所述石膏铸型，浇注时间控制在2.5kg/s；浇注完成后立即加压，加压压力在0.7MPa，继续保持石膏铸型旋转20s，保持加压压力20分钟后，泄压取出铸件。
本实施例所得铸件经清理后，壁厚差为(-0.1，+0.1)mm，外表面轮廓度在(-0.2，+0.2)mm，铝合金铸件内部质量达到GB/11346标准的1级。
实施例2
本实施例制备的所述超薄璧铝合金铸件的轮廓尺寸为直径(外径)100mm×高度150mm，主体壁厚1.0mm，材质为ZL101A。
本实施例所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，包括如下步骤：
(1)将直径0.2mm的高密度聚乙烯微粒(加入比例为6wt％)加入中温模料，得到高强韧蜡模材料，将高密度聚乙烯微粒和中温模料的混合料进行机械搅拌40分钟，当温度达到78℃，即可进行铸件蜡样压制；
(2)将直径0.7mm的高密度聚乙烯颗粒(加入比例为5wt％)加入低温模料，得到蜡模浇道材料，将上述混合料进行机械搅拌30分钟，当温度达到65℃，进行浇道制备；
按照图1-5所示的浇道结构，先逐层焊接横浇道到铸件蜡样上，再焊接一次直浇道，其中，通过加热至550℃的3mm铁质蜡刀将横浇道焊接到所述铸件蜡样的内壁上，横浇道截面积为焊接点部位壁厚的2倍，横浇道焊接点在铸件蜡样上的距离为相邻壁厚的80倍，一次直浇道位于旋转中心线，一次直浇道的截面积为同水平高度位置所有横浇道截面积总和的8倍，并使得一次直浇道贯穿整个铸件蜡样最高点和最低点；
(3)将焊接好浇道和整套蜡样放置在圆截面砂箱内，并在砂箱内灌满石膏浆料，得到石膏铸型；将石膏铸型在带有循环风加热的焙烧炉中进行常规焙烧处理；
(4)焙烧完成后，将所述石膏铸型吊入具备抽真空和气体加压的真空加压罐中，并固定在真空加压罐内的旋转平台上，使得一次直浇道中心线与旋转平台中心线重合，并将熔炼好的铝合金熔体转入真空加压罐中的浇包中；关闭真空罐，抽真空至-0.09MPa并保持30s，然后使用纯度为99.9％的氩气将罐内压力调整至0.12MPa并保持20s，再次抽真空至-0.06MPa，同时启动旋转平台，使得石膏铸型以400转/min的速度匀速旋转，当石膏铸型达到规定转速后保持10s，同时转动浇包，使得铝合金熔体通过所述直浇道进入石膏铸型，浇注时间控制在5kg/s；浇注完成后立即加压，加压压力在0.8MPa，继续保持石膏铸型旋转30s，保持加压压力20分钟后，泄压取出铸件。
本实施例所得铸件经清理后，壁厚差为(-0.16，+0.16)mm，外表面轮廓度在(-0.1，+0.1)mm，铝合金铸件内部质量达到GB/11346标准的1级。
实施例3
本实施例制备的所述超薄璧铝合金铸件的轮廓尺寸为直径(外径)260mm×高度350mm，主体壁厚1.8mm，材质为ZL114A。
本实施例所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，包括如下步骤：
(1)将直径0.26mm的高密度聚乙烯微粒(加入比例为8wt％)加入中温模料，得到高强韧蜡模材料，将高密度聚乙烯微粒和中温模料的混合料进行机械搅拌34分钟，当温度达到75℃，即可进行铸件蜡样压制；
(2)将直径0.8mm的高密度聚乙烯颗粒(加入比例为7wt％)加入低温模料，得到蜡模浇道材料，将上述混料进行机械搅拌27分钟，当温度达到63℃，进行浇道制备；
按照图1-5所示的浇道结构，先逐层焊接横浇道到铸件蜡样上，再焊接一次直浇道，其中，通过加热至600℃的3mm铁质蜡刀将横浇道焊接到铸件蜡样上，横浇道截面积为焊接点部位壁厚的1.5倍，横浇道焊接点在铸件蜡样上的距离为相邻壁厚的90倍，一次直浇道位于旋转中心线，一次直浇道的截面积为同水平高度位置所有横浇道截面积总和的9倍，并使得一次直浇道贯穿整个铸件蜡样最高点和最低点；
(3)将焊接好浇道和整套蜡样放置在圆截面砂箱内，并在砂箱内灌满石膏浆料，得到石膏铸型；将石膏铸型在带有循环风加热的焙烧炉中进行焙烧；
(4)焙烧完成后，将石膏铸型吊入具备抽真空和气体加压的真空加压罐中，并固定在真空加压罐内的旋转平台上，使得一次直浇道中心线与旋转平台中心线重合，并将熔炼好的铝合金熔体转入真空加压罐中的浇包中；关闭真空罐，抽真空至-0.08MPa并保持26s，然后使用纯度为99.9％的氩气将罐内压力调整至0.11MPa并保持14s，再次抽真空至-0.048MPa，同时启动旋转平台，使得石膏铸型以320转/min的速度匀速旋转，当石膏铸型达到规定转速后保持7s，并转动浇包，使得铝合金熔体通过所述直浇道进入石膏铸型，浇注时间控制在3kg/s；浇注完成后立即加压，加压压力在0.73MPa，继续保持石膏铸型旋转24s，保持加压压力20分钟后，泄压取出铸件。
本实施例所得铸件经清理后，壁厚差为(-0.15，+0.15)mm，外表面轮廓度在(-0.18，+0.18)mm，铝合金铸件内部质量达到GB/11346标准的1级。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取高密度聚乙烯微粒加入至中温模料混合，得到高强韧蜡模材料并进行铸件蜡样压制，备用；
(2)取高密度聚乙烯颗粒加入至低温模料混合，得到蜡模浇道材料并进行浇道的加工及焊接；
(3)将焊接好所述浇道的整套铸件蜡样置于砂箱内，并灌满石膏浆料得到石膏铸型；随后将所述石膏铸型进行焙烧处理；
(4)将焙烧后的所述石膏铸型置于真空加压罐内的旋转平台上，并将熔炼好的铝合金熔体转入所述真空加压罐的浇包中，在保护气氛下进行抽真空处理；随后启动旋转平台，当所述石膏铸型达到预设转速后，转动浇包将所述合金熔体进入所述石膏铸型；待浇注完成后泄压并取出铸件，即得。
2.根据权利要求1所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述高密度聚乙烯微粒的直径为0.2-0.3mm；
所述高密度聚乙烯微粒的加入量占所述中温模料用量的4-8wt％。
3.根据权利要求1或2所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，还包括将所得高强韧蜡模材料升温至72-78℃进行铸件蜡样压制的步骤。
4.根据权利要求1-3任一项所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述高密度聚乙烯颗粒的直径为0.7-0.9mm；
所述高密度聚乙烯颗粒的加入量占所述低温模料用量的5-10wt％。
5.根据权利要求1-4任一项所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，还包括将所述蜡模浇道材料升温至61-65℃进行浇道加工的步骤。
6.根据权利要求1-5任一项所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述浇道包括直浇道和横浇道；其中，
所述直浇道纵向设置于所述铸件蜡样的旋转中心线位置，并纵向贯穿所述铸件蜡样；
所述横浇道横向连接于所述直浇道和所述铸件蜡样的内壁之间，所述横浇道沿所述铸件蜡样的内壁设置多层；
所述浇道的焊接步骤包括先逐层焊接所述横浇道到所述铸件蜡样上，再焊接所述直浇道的步骤。
7.根据权利要求6所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述浇道的焊接步骤中：
所述横浇道的截面积为焊接点部位壁厚的1.5-2倍；
所述横浇道焊接点在所述铸件蜡样上的距离为相邻壁厚的80-100倍；
所述直浇道的截面积为同水平高度位置所有横浇道截面积总和的8-10倍。
8.根据权利要求1-7任一项所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述抽真空步骤具体包括：关闭真空罐，抽真空至-0.07～-0.09MPa，保持20-30s；然后使用保护气氛将调整压力至0.1-0.12MPa，并保持10-20s；再次抽真空至-0.04～-0.06MPa；
所述石膏铸型的预设转速为300-400转/min。
9.根据权利要求1-8任一项所述基于石膏型离心铸造工艺制备超薄壁铝合金铸件的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，还包括在所述合金熔体浇注完成后立即加压的步骤，控制加压压力在0.7-0.8MPa，同时继续保持所述石膏铸型旋转20-30s，并保持加压压力15-20分钟。
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