CN115889694A - 一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法 - Google Patents

Abstract

一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法，本发明属于铸造领域。解决现有消失模铸造存在铸件晶粒粗大的问题，解决现有冷冻砂型铸造中或存在冷冻砂型造型拔模困难的问题，或存在无法成形复杂铸件的问题。方法：一、制备模样；二、型砂制备；三、造型；四、低温冷冻；五、轻合金熔炼；六、负压浇注；七、清砂。本发明用于消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形。

Description

一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法

技术领域

本发明属于铸造领域。

背景技术

冷冻砂型绿色制造工艺是采用水作为粘接剂，各种砂型颗粒作为耐火骨料的一种新型铸型工艺，低温环境下通过水冻结制备冷冻砂坯。但传统冷冻砂型制造工艺采用亚克力塑料模具造型，冷冻砂型需待冰晶粘接桥形成后方可拔模，形成一定数量的冰晶粘接桥需要冷冻足够的时间。若是冷冻时间过长，亚克力塑料模具会与冷冻砂型接触的部分冻结在一起，在拔模过程中对已成形的砂型表面造成损害。

基于切削冷冻砂型的数字化无模铸造成形技术可实现冷冻砂型的快速成形，但由于数字化无模铸造成形机刀具切削角度固定，对于一些复杂铸件的切削，当铸件内壁与平面所成夹角较小时，刀具难以进入内腔切削成形复杂型腔，同时在切削过程中，飞溅的砂屑会落到型腔内部难以处理，浇注过程中大块的砂屑会随着熔融的金属液一起冲入铸件中，从而导致铸件的表面质量及力学性能都受到了一定的影响。因此弥补无模铸造冷冻砂型成形复杂铸件效果的问题，保证复杂铸件的精确成形是当前工艺亟需考虑的一个重大问题。

消失模铸造(又称实型铸造)是将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型粘结组合成模型簇，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。由于熔融金属随着温度降低由液态冷却至固态的过程中，伴随着形核—长大—结晶，这一过程释放出大量的结晶潜热，金属凝固曲线将会出现一段平台区。而在消失模铸造过程中，EPS模样燃烧会释放大量的热从而使金属冷却缓慢，冷却速率过小使得晶粒停留在长大的时间较长，凝固过程结束后较大尺寸晶粒占总晶粒比例较大，最终形成的铸件晶粒粗大。

发明内容

本发明要解决现有消失模铸造存在铸件晶粒粗大的问题，解决现有冷冻砂型铸造中或存在冷冻砂型造型拔模困难的问题，或存在无法成形复杂铸件的问题，而提一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法。

一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法，它是按以下步骤进行：

一、制备模样：

利用聚苯乙烯塑料制备EPS模样；

二、型砂制备：

将纯水与原砂混合均匀，制得型砂；

三、造型：

将EPS模样放入砂箱中，填入型砂，夯实型砂造型并设置浇道、浇冒口及出气口，得到砂型；

四、低温冷冻：

将砂型进行冷冻，得到冷冻砂型；

五、轻合金熔炼：

将轻合金熔炼至液态，且熔炼过程中进行除气处理，得到液态轻合金；

六、负压浇注：

在低温下，将冷冻砂型抽负压并将液态轻合金进行浇注，得到铸件；

七、清砂：

待铸件冷却后，打开砂箱，取出浇注完成的铸件并利用冷水进行冲洗，即完成消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法。

本发明的有益效果是：

本发明通过采用EPS消失模冷冻砂型实型造型，简化了造型过程，节省了铸造成本。铸型具有较强的冷却能力，细化了铸件晶粒，提高了铸件质量。负压浇注，有利于液体金属的充型和补缩，提高了铸件的组织致密度。浇注后冷冻砂型自行溃散，落砂非常简单，原砂可以100％的回用，节约资源。铸件的形状不受传统的铸造工艺的限制，简化了工艺设计。根据零件的使用性能，可以自由地设计最理想的铸件形状，减轻了铸件重量，提高生产效率，降低了生产成本。采用消失模冷冻砂型铸造工艺可以减少了粉尘、烟尘和噪音污染，实现绿色化铸造，改善了铸造过程的劳动环境，降低了劳动强度。

本发明用于一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法。

附图说明

图1为实施例三制备的连杆铝合金铸件的实物图；

图2为实施例一制备的法兰盘铝合金铸件精加工后的实物图；

图3为实施例二制备的变径法兰铝合金铸件精加工后的实物图；

图4为实施例三制备的连杆铝合金铸件精加工后的实物图；

图5为轻合金微观组织，a为对比实验制备的法兰盘铝合金铸件，b为实施例一制备的法兰盘铝合金铸件；

图6为具体实施方式六砂箱中浇道、浇冒口及出气口的结构示意图，1为横浇道，2为竖浇道，3为浇冒口，4为出气口，5为上砂箱，6为EPS模样，7为下砂箱。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法，它是按以下步骤进行：

一、制备模样：

利用聚苯乙烯塑料制备EPS模样；

二、型砂制备：

将纯水与原砂混合均匀，制得型砂；

三、造型：

将EPS模样放入砂箱中，填入型砂，夯实型砂造型并设置浇道、浇冒口及出气口，得到砂型；

四、低温冷冻：

将砂型进行冷冻，得到冷冻砂型；

五、轻合金熔炼：

将轻合金熔炼至液态，且熔炼过程中进行除气处理，得到液态轻合金；

六、负压浇注：

在低温下，将冷冻砂型抽负压并将液态轻合金进行浇注，得到铸件；

七、清砂：

待铸件冷却后，打开砂箱，取出浇注完成的铸件并利用冷水进行冲洗，即完成消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法。

消失模冷冻砂型轻合金铸件铸造方法是采用消失模(EPS模)作为模样进行冷冻砂型的实型造型(无腔造型)。该方法首先按铸件形状要求加工制备聚苯乙烯塑料模样，且聚苯乙烯塑料模样与铸件形状一致，然后在模样上涂敷涂料并烘干，增强EPS模样强度并且提高铸件表面质量。其次在硅砂中加入纯水进行混砂，再将聚苯乙烯塑料模样放置砂箱中后填入混制好的砂粒夯实造型，然后把砂型(或砂箱)放置在低温环境下进行冷冻，使砂型具有足够的强度，完成造型工艺过程。在低温环境下进行负压浇注，熔融铝液浇入冷冻砂型中，聚苯乙烯塑料模样受热被气化抽出，铝液充满型腔的过程中，与铝液直接接触的砂型部分水分蒸发发生了溃散，随着铝液凝固过程的进行，砂型溃散区域不断扩展，冷冻砂型温度为0℃时溃散截止处。待铸件金属冷却凝固成形之后，进行铸件清理检验。

消失模冷冻砂型铸造方法不仅具有消失模实型铸造法的特点，而且也具有冷冻砂型铸造法的优点。消失模冷冻砂型铸造是用纯水作为粘结剂，用原砂(硅砂、锆英砂、铬铁矿砂等)作为耐火骨料，将适量水分和型砂颗粒混合后在低温环境下固化形成足够强度的砂型进行造型，并负压浇注获得合格铸件的铸造方法。冷冻砂型铸造技术造型时粉尘少，砂型中不加任何粘结剂，无有毒有害气体产生，造型过程实现绿色化，无任何污染。浇注时冷冻砂型中的水分可以迅速蒸发，并能在金属液凝固之前迅速快速逸出，不易产生气孔等铸造缺陷。冷冻砂型冷却能力强，提高了铸件的冷却速度，具有铸件表面晶粒细化作用。浇注后冷冻砂型自行溃散，落砂非常简单，并且原砂可以100％的回用，节约资源。铸件落砂容易，大大降低了落砂的工作量和劳动强度；砂处理系统简单，型砂可全部重复使用，简化了型砂制备和废砂处理过程。

消失模冷冻砂型铸造法具有消失模实型铸造特点。采用实型造型，简化了造型工艺，省去了制芯工艺，消除了由于制芯、下芯造成的铸造缺陷和废品；不合箱、不取模，消除了因取模、合箱引起的铸造缺陷和废品；铸件尺寸形状精确，铸件的表面光洁度高，重复性好，具有精密铸造的特点；铸件无飞边毛刺，使清理打磨工作量减少50％以上；负压浇注，有利于液体金属的充型和补缩，提高了铸件的组织致密度；消失模冷冻砂型铸造工艺不仅适用于几何形状简单的铸件，更适合于普通铸造造型较难的多开边、多芯子、几何形状复杂的铸件。零件的形状不受传统的铸造工艺的限制，简化了工艺设计，根据零件的使用性能，可以自由地设计最理想的铸件形状，减轻铸件重量，提高生产效率，降低了生产成本。采用消失模冷冻砂型铸造工艺可以减少了粉尘、烟尘和噪音污染，大大改善了铸造过程的劳动环境，降低了劳动强度。因此，消失模冷冻砂型铸造法一种具有众多优点的新的绿色铸造方法，将会广泛的应于铸造领域。

本具体实施方式的有益效果是：

本具体实施方式通过采用EPS消失模冷冻砂型实型造型，简化了造型过程，节省了铸造成本。铸型具有较强的冷却能力，细化了铸件晶粒，提高了铸件质量。负压浇注，有利于液体金属的充型和补缩，提高了铸件的组织致密度。浇注后冷冻砂型自行溃散，落砂非常简单，原砂可以100％的回用，节约资源。铸件的形状不受传统的铸造工艺的限制，简化了工艺设计。根据零件的使用性能，可以自由地设计最理想的铸件形状，减轻了铸件重量，提高生产效率，降低了生产成本。采用消失模冷冻砂型铸造工艺可以减少了粉尘、烟尘和噪音污染，实现绿色化铸造，改善了铸造过程的劳动环境，降低了劳动强度。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的EPS模样表面涂覆醇基涂料或水基涂料；所述的醇基涂料为醇基莫来石涂料；所述的水基涂料为水基锆英粉涂料。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中所述的原砂为硅砂、锆英砂或铬铁矿砂；步骤二中所述的原砂为50目～100目原砂。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述的纯水占原砂的质量百分数为3％～5％。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中在转速为300r/min～400r/min的条件下，将纯水与原砂搅拌4min～6min，制得型砂。其它与具体实施方式一二至四相同。

具体实施方式六：结合图6具体说明，本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中将EPS模样放入下砂箱中并填入型砂，然后在下砂箱中设置横浇道，在上砂箱中填入型砂，并设置竖浇道、浇冒口及出气口，将上砂箱及下砂箱闭合，横浇道、竖浇道及浇冒口相连通；步骤六中在低温下，将冷冻砂型抽负压，将液态轻合金由浇冒口浇注并沿浇道流至EPS模样处，EPS模样受热气化并由出气口抽出。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四中将砂型置于温度为-40℃～-30℃的条件下，冷冻24h～36h。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤五中在熔炼温度为700℃～750℃的条件下，将轻合金熔炼0.5h～1h至液态。其它与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤五中所述的除气处理具体是按以下步骤进行：在熔炼过程中分两次加入六氯乙烷进行除气，按每浇注出4kg铸件计算，六氯乙烷每次的加入量为20g～50g，两次间隔15min～25min。其它与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤六中在温度为-40℃～-30℃的条件下，将冷冻砂型抽负压为-30kPa～-20kPa并将液态轻合金进行浇注。其它与具体实施方式一至九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法，它是按以下步骤进行：

一、制备模样：

利用聚苯乙烯塑料制备EPS模样；

二、型砂制备：

在转速为300r/min的条件下，将纯水与原砂搅拌4min，制得型砂；

三、造型：

将EPS模样放入砂箱中，填入型砂，夯实型砂造型并设置浇道、浇冒口及出气口，得到砂型；

四、低温冷冻：

将砂型置于温度为-40℃的条件下，冷冻24h，得到冷冻砂型；

五、轻合金熔炼：

在熔炼温度为750℃的条件下，将轻合金熔炼40min至液态，且熔炼过程中进行除气处理，得到液态轻合金；

六、负压浇注：

在温度为-40℃的条件下，将冷冻砂型抽负压为-30kPa并将液态轻合金进行浇注；

七、清砂：

待铸件冷却后，打开砂箱，取出浇注完成的铸件并利用冷水进行冲洗，得到法兰盘铝合金铸件。

步骤一中所述的EPS模样表面涂覆水基涂料；所述的水基涂料为水基锆英粉涂料。

步骤二中所述的原砂为硅砂；步骤二中所述的原砂为50目～100目原砂。

步骤二中所述的纯水占原砂的质量百分数为4％。

步骤三中将EPS模样放入下砂箱中并填入型砂，然后在下砂箱中设置横浇道，在上砂箱中填入型砂，并设置竖浇道、浇冒口及出气口，将上砂箱及下砂箱闭合，横浇道、竖浇道及浇冒口相连通；步骤六中在低温下，将冷冻砂型抽负压，将液态轻合金由浇冒口浇注并沿浇道流至EPS模样处，EPS模样受热气化并由出气口抽出。

步骤五中所述的轻合金为A356。

步骤五中所述的除气处理具体是按以下步骤进行：在熔炼过程中分两次加入六氯乙烷进行除气，按每浇注出4kg铸件计算，六氯乙烷每次的加入量为20g，两次间隔15min。

实施例二：本实施例与实施例一不同的是：步骤四中将砂型置于温度为-35℃的条件下，冷冻24h，得到冷冻砂型；步骤五中在熔炼温度为730℃的条件下，将轻合金熔炼50min至液态；步骤六中在温度为-35℃的条件下，将冷冻砂型抽负压为-25kPa并将液态轻合金进行浇注；步骤七得到变径法兰铝合金铸件。其它与实施例一相同。

实施例三：本实施例与实施例一不同的是：步骤四中将砂型置于温度为-32℃的条件下，冷冻24h，得到冷冻砂型；步骤五中在熔炼温度为700℃的条件下，将轻合金熔炼30min至液态；步骤六中在温度为-32℃的条件下，将冷冻砂型抽负压为-20kPa并将液态轻合金进行浇注；步骤七得到连杆铝合金铸件。其它与实施例一相同。

对比实验：本对比实验与实施例一不同的是：步骤二将呋喃树脂、固化剂及50目～100目的硅砂进行搅拌混合；所述的呋喃树脂占硅砂质量的2.5％；所述的固化剂占硅砂质量的2.2‰。其它与实施例一相同。

图1为实施例三制备的连杆铝合金铸件的实物图；由图可知，实施例三步骤七当铸件完全冷却，熔融金属凝固之后将其取出，发现铸件表面几乎不附着有硅砂，硅砂容易溃散。由于EPS模样在浇注过程中接触熔融金属会进一步燃烧，铸件表面会残留些许EPS模样烧蚀后的痕迹。少许砂粒随着熔融金属冲入铸件中，铸件表面呈现出桔子皮状，但无明显气孔，无飞边毛刺。

将实施例一制备的法兰盘铝合金铸件、实施例二制备的变径法兰铝合金铸件及实施例三制备的连杆铝合金铸件进行精加工打磨去除表面烧蚀痕迹及桔子皮状。图2为实施例一制备的法兰盘铝合金铸件精加工后的实物图；图3为实施例二制备的变径法兰铝合金铸件精加工后的实物图；图4为实施例三制备的连杆铝合金铸件精加工后的实物图；由图可知，法兰盘A356铝合金铸件、变径法兰A356轻合金铸件及连杆A356铝合金铸件精加工后均无明显气孔等缺陷，铸件表面及内壁处无明显裂纹，成形效果好，尺寸精度较高。

以下微观组织及力学性能测试均采用未精加工的铸件。

图5为轻合金微观组织，a为对比实验制备的法兰盘铝合金铸件，b为实施例一制备的法兰盘铝合金铸件；由图a可知消失模树脂砂型负压铸造A356铝合金的α-Al相的二次枝晶臂较消失模冷冻砂型铸造而言明显减少(图a初生α-Al晶粒平均直径为640.2μm为树脂砂型浇注所得，图b初生α-Al晶粒平均直径为450.02μm为冷冻砂型浇注所得，初生α-Al晶粒全方位细化)。这主要是由于冷冻砂型冷却能力强，浇注过程中冷冻铸造轻合金的凝固速率大于树脂砂型铸造，凝固速率越大，其晶粒形核温度越高，结晶过冷度越大，二次枝晶臂生长过程及聚集程度受限，表现为晶粒尺寸减小。晶粒尺寸减小引起抗拉强度和断裂延伸率的显著增加。

以法兰盘为例，抗拉试样的形状和尺寸根据美国试验与材料协会制定的标准(ASTM E8M-04)制作。硬度测试采用Duramin-100维氏硬度计，测试力为1.96N，加载时间20s，实施例一消失模冷冻砂型铝合金铸造试件的抗拉强度约为228MPa，断裂延伸率0.63％，对比实验消失模树脂砂型铝合金铸造试件的抗拉强度约为205MPa，断裂延伸率0.5％，即消失模冷冻砂型铝合金铸造试件抗拉强度与断裂延伸率远高于树脂砂型，这主要是因为凝固速率越高，晶粒越细化，晶粒越细晶界需要积累更多的位错开动，从而导致抗拉强度和塑性延伸率的提高。消失模冷冻砂型铝合金铸件的微观硬度为1169MPa，对比消失模树脂砂型铝合金铸造试样的微观硬度为1135MPa，消失模冷冻砂型铝合金的微观硬度显著提高。这主要是因为较高的凝固速率使得较多的Si原子固溶到Al基体中，造成基体相硬度增大。消失模冷冻铸造显著改变了合金元素在基体相中的相对含量及组织形貌，进而显著影响合金的力学性能。

Claims (10)

1.一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法，其特征在于它是按以下步骤进行：

一、制备模样：

利用聚苯乙烯塑料制备EPS模样；

二、型砂制备：

将纯水与原砂混合均匀，制得型砂；

三、造型：

将EPS模样放入砂箱中，填入型砂，夯实型砂造型并设置浇道、浇冒口及出气口，得到砂型；

四、低温冷冻：

将砂型进行冷冻，得到冷冻砂型；

五、轻合金熔炼：

将轻合金熔炼至液态，且熔炼过程中进行除气处理，得到液态轻合金；

六、负压浇注：

在低温下，将冷冻砂型抽负压并将液态轻合金进行浇注，得到铸件；

七、清砂：

待铸件冷却后，打开砂箱，取出浇注完成的铸件并利用冷水进行冲洗，即完成消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法。

2.根据权利要求1所述的一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法，其特征在于步骤一中所述的EPS模样表面涂覆醇基涂料或水基涂料；所述的醇基涂料为醇基莫来石涂料；所述的水基涂料为水基锆英粉涂料。

3.根据权利要求1所述的一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法，其特征在于步骤二中所述的原砂为硅砂、锆英砂或铬铁矿砂；步骤二中所述的原砂为50目～100目原砂。

4.根据权利要求3所述的一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法，其特征在于步骤二中所述的纯水占原砂的质量百分数为3％～5％。

5.根据权利要求1所述的一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法，其特征在于步骤二中在转速为300r/min～400r/min的条件下，将纯水与原砂搅拌4min～6min，制得型砂。

6.根据权利要求1所述的一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法，其特征在于步骤三中将EPS模样放入下砂箱中并填入型砂，然后在下砂箱中设置横浇道，在上砂箱中填入型砂，并设置竖浇道、浇冒口及出气口，将上砂箱及下砂箱闭合，横浇道、竖浇道及浇冒口相连通；步骤六中在低温下，将冷冻砂型抽负压，将液态轻合金由浇冒口浇注并沿浇道流至EPS模样处，EPS模样受热气化并由出气口抽出。

7.根据权利要求1所述的一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法，其特征在于步骤四中将砂型置于温度为-40℃～-30℃的条件下，冷冻24h～36h。

8.根据权利要求1所述的一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法，其特征在于步骤五中在熔炼温度为700℃～750℃的条件下，将轻合金熔炼0.5h～1h至液态。

9.根据权利要求8所述的一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法，其特征在于步骤五中所述的除气处理具体是按以下步骤进行：在熔炼过程中分两次加入六氯乙烷进行除气，按每浇注出4kg铸件计算，六氯乙烷每次的加入量为20g～50g，两次间隔15min～25min。

10.根据权利要求1所述的一种消失模冷冻砂型负压铸造轻合金铸件的成形方法，其特征在于步骤六中在温度为-40℃～-30℃的条件下，将冷冻砂型抽负压为-30kPa～-20kPa并将液态轻合金进行浇注。

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