CN117961022A - 一种调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料精密铸造领域，涉及一种调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法。该方法包括如下步骤：(1)中空陶瓷型芯的检查与修整，(2)中空陶瓷型芯一端的封堵，(3)根据需要以不同方式填充不同类型材料，(4)根据填充材料进行内腔另一端的封堵，(5)陶瓷型芯表面二次修整，(6)压蜡制壳浇注，(7)陶瓷型芯内腔的清理和脱芯。本发明通过往中空型芯内部填充不同材料及其配比，调节型芯的比热与导热率，从而达到调节凝固顺序，提高铸件冶金质量的效果，所填充材料可以在清壳过程中去除或者在脱芯过程中去除。
Description
技术领域
本发明属于金属材料精密铸造领域，涉及一种调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法。
背景技术
以燃机透平静叶片为代表的大型空心铸件结构复杂，冶金质量要求高，且对补缩的浇冒口设置位置有明确限制，难以实现凝固过程的顺序凝固，容易在局部区域产生热节，降低铸件的冶金质量甚至造成铸件直接报废。
目前多晶产品的精密铸造工艺中，控制凝固过程的措施有很多，例如：通过控制局部型壳的厚度来调节局部的冷却速度，通过控制型壳外部保温棉的厚度来调整局部的冷却速度，以及通过局部施加冷铁来提高局部的冷却速度，等等。但是在一些特殊的位置，例如：叶身和缘板间R角，上述措施很难达到预期效果。
中国发明专利公开号CN111393858A提出一种高温定形相变复合材料及其制备方法，该复合材料以高温相变微胶囊或高温定形相变粉体为相变功能填料，以陶瓷前躯体树脂作为复合材料基体相，通过调整复合材料中相变功能填料含量，实现相变热物性的调整，采用模压工艺，复合材料可室温固化或加热固化，复合材料相变温度范围在200～900℃，最高使用温度达到900℃。但是，该方法并不适合调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，通过调节空心陶瓷型芯热物性能对凝固顺序进行调节，进一步改善铸件冶金质量。
本发明的技术方案是：
一种调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，该方法通过向空心陶瓷型芯内腔中填充不同热物性的填充物，调节空心陶瓷型芯在精密铸造多晶产品的凝固过程中对热量的吸收能力和吸收速度，调节凝固速度，改变凝固顺序，最终达到减少或者消除冶金缺陷，提高产品冶金质量的效果。
所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，通过向空心陶瓷型芯中填充不同比热和导热率的一种材料或两种以上材料不同比例的混合物，改变凝固过程中局部熔体的散热能力，调整铸件的凝固顺序为从远离浇注系统的位置开始向浇注系统的方向进行凝固，最后凝固位置为浇注系统内部，确保铸件内部没有孤立的热节；其中，不同比热和导热率的材料为不同目数型砂、不同粒径金属球、金属塞块、型壳涂料或高导热率材料。
所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，在向空心陶瓷型芯填充材料时，根据局部的散热要求进行梯度填充或者分区域填充。
所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，根据情况调整空心陶瓷型芯内部的填充物，填充物在清壳阶段去除或者在脱芯阶段去除。
所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，在脱芯阶段去除填充物时，采用金属网或者其它措施对铸件进行包裹，防止空心陶瓷型芯内部填充物污染脱芯釜。
所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，包括以下步骤：
(1)中空陶瓷型芯的检查与修整；
(2)中空陶瓷型芯一端的封堵
中空陶瓷型芯内腔一端采用硅溶胶+刚玉砂混合物进行封堵，封堵高度根据芯头高度确定为5mm～30mm之间，确认密封完好后进行下一步；
(3)根据对陶瓷型芯不同位置的比热和热导率的需求，填充不同类型材料；
(4)中空陶瓷型芯另一端的封堵
对填充完毕的中空陶瓷型芯内腔另一端采用与步骤(2)相同的方式密封，密封时用易烧损的细长材料插入整个内腔，以避免型壳在脱蜡、烧壳工序中，陶瓷型芯内部封闭的气体膨胀而造成陶瓷型芯膨胀损坏；
(5)对填充完毕的陶瓷型芯表面进行二次修整；
(6)采用正常流程进行压蜡、制壳和浇注；
(7)浇注完毕后，根据所填充物的不同，在清壳时将填充物直接去除；无法直接去除时，在脱芯前，使用金属网或者其它方式将铸件整体包裹起来，防止污染脱芯釜。
所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，步骤(2)中，按体积百分比计，硅溶胶+刚玉砂混合物的组成为：硅溶胶5vol.％～40vol.％，刚玉砂余量。
所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，步骤(3)中，不同类型材料是不同比热、热导率、在温度1500℃下稳定存在无机物、金属或者二者的混合物，并确保所填充材料在温度上升和下降过程中不会因为体积变化而撑破型芯。
所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，步骤(4)中，易烧损的细长材料是木条或塑料棒，直径在0.5mm～10mm之间，伸出陶芯一端长度在1mm～10mm之间。
本发明的设计思想是：
本发明通过铸件内部缺陷的形成的底层机理层面，对铸造过程的中的型芯准备工序进行优化。通过对参与凝固的材料间热物性性能的调整来改变凝固顺序，并在后续的铸件后处理工序中对型芯内填充材料的去除给出了相应的方案和思路。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明所针对的是重型燃机透平叶片的铸造，鉴于大尺寸高温合金铸件成本高昂，铸造合格率的提高能够显著降低铸造成本。
2、本发明没有引入对浇注系统的更改，不需要对精密铸造的组合、制壳、脱蜡和造型工艺进行改动，适用于所有可以将型芯厚大部位做成空心的大尺寸精密铸造产品。
附图说明
图1-图2为某燃机一级静叶片内腔冶金缺陷超标照片。其中，图1为蓝光检测结果，图2为X射线检测结果。
图3-图4为实施例燃机一级静叶片空心陶瓷型芯热物性参数调整措施照片。其中，图3为填充后的型芯，图2为压型后的蜡模。
图5-图6为实施例燃机一级静叶片空心陶瓷型芯热物性参数调整效果。其中，图5为蓝光检测结果，图6为X射线检测结果。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明提出一种调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，包括以下步骤：
(1)中空陶瓷型芯的检查与修整，参照各铸造厂自身陶瓷型芯入厂检验规程。
(2)中空陶瓷型芯一端的封堵
中空陶瓷型芯内腔一端采用硅溶胶+刚玉砂混合物进行封堵，按体积百分比计，所述混合物的组成为：硅溶胶10vol.％～30vol.％，刚玉砂余量；封堵高度根据芯头高度确定，一般为5mm～30mm之间，待干燥后如有必要可以对干燥部位进行修补，确认密封完好后进行下一步；
(3)根据对陶瓷型芯不同位置的比热和热导率的需求，填充不同类型材料，可以是不同目数型砂、不同粒径金属球、金属塞块、型壳涂料等材料，也可以是多种材料不同比例的混合物，填充时还可以根据不同位置的需求，进行梯度填充或者分区域填充。
其中，不同类型材料是不同比热、热导率、在温度1500℃下稳定存在无机物、金属或者二者的混合物，并确保所填充材料在温度上升和下降过程中不会因为体积变化而撑破型芯。
(4)中空陶瓷型芯另一端的封堵
对填充完毕的中空陶瓷型芯内腔另一端采用与步骤(2)相同的方式密封，注意密封时用一个易烧损的细长材料插入整个内腔(一般为细木棒或塑料棒)，以避免型壳在脱蜡、烧壳等工序中，因为陶瓷型芯内部封闭的气体膨胀而造成陶瓷型芯膨胀损坏；其中，易烧损的细长材料直径在0.5mm～10mm之间，易烧损的细长材料伸出陶芯一端长度在1mm～10mm之间。
(5)对填充完毕的陶瓷型芯表面进行二次修整；
(6)采用正常流程进行压蜡、制壳和浇注；
(7)浇注完毕后，根据所填充物的不同，可以在清壳时将填充物直接去除，无法直接去除时，可以在脱芯前，使用金属网或者其它方式将叶片整体包起来，防止污染脱芯釜。
热物性参数包括热扩散系数、热导率、比热容、表面发射率等是各类材料的重要物理参数，本发明中的热物性参数主要指陶瓷型芯的比热、热导率等。
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1
在某重型燃机一级静叶片生产过程中，由于冶金缺陷导致产品合格率低，主要缺陷集中在第二和第三腔室间的隔板与叶身交汇的R区域。如图1-图2所示，由于冷却顺序晚于周边铸件，造成其形成了疏松缺陷，导致表面荧光检测和内部X射线检测结果超标。
使用本实施例方法，按照一定比例向燃机一级静叶片前中腔的陶瓷型芯内部填充浆料与高导热率材料的混合物(如图3-图4所示)，其中：
按体积百分比计，浆料的组成如下：硅溶胶20vol.％，400目刚玉砂80vol.％。
高导热率材料为直径2mm的不锈钢球，浆料与高导热率材料的体积比为70vol.％：30vol.％。
经过上述调整后，由于不锈钢球的导热率约为50W/(m·K)，大大高于陶瓷型芯的导热率1～2W/(m·K)，从而在相同外部传热条件下，能够大大提高型芯对钢液中热量的导出速率。
另外，由于型芯从中空结构改为了实心结构，能够容纳的热量更多，从而对局部钢液温度冷却幅度更大。综上所述，本发明不仅使局部钢液的冷却速度更快，并且钢液与型芯温度平衡后，温度更低，上述两点能够有效消除局部热节，从而改善和避免铸件冶金疏松的出现。
如图5-图6所示，通过使用本实施例方法，提高了陶瓷型芯对该处热量的导出能力，使该位置钢液与周边钢液同时凝固，该处冶金缺陷最终得到了消除。
实施结果表明，本发明在精密铸造领域，通过往中空陶瓷型芯内部填充不同材料及其配比，调节陶瓷型芯的比热与导热率，从而达到调节凝固顺序，提高铸件冶金质量的效果，所填充材料可以在清壳过程中去除或者在脱芯过程中去除。
Claims (9)
1.一种调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，其特征在于，该方法通过向空心陶瓷型芯内腔中填充不同热物性的填充物，调节空心陶瓷型芯在精密铸造多晶产品的凝固过程中对热量的吸收能力和吸收速度，调节凝固速度，改变凝固顺序，最终达到减少或者消除冶金缺陷，提高产品冶金质量的效果。
2.按照权利要求1所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，其特征在于，通过向空心陶瓷型芯中填充不同比热和导热率的一种材料或两种以上材料不同比例的混合物，改变凝固过程中局部熔体的散热能力，调整铸件的凝固顺序为从远离浇注系统的位置开始向浇注系统的方向进行凝固，最后凝固位置为浇注系统内部，确保铸件内部没有孤立的热节；其中，不同比热和导热率的材料为不同目数型砂、不同粒径金属球、金属塞块、型壳涂料或高导热率材料。
3.按照权利要求2所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，其特征在于，在向空心陶瓷型芯填充材料时，根据局部的散热要求进行梯度填充或者分区域填充。
4.按照权利要求2所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，其特征在于，根据情况调整空心陶瓷型芯内部的填充物，填充物在清壳阶段去除或者在脱芯阶段去除。
5.按照权利要求4所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，其特征在于，在脱芯阶段去除填充物时，采用金属网或者其它措施对铸件进行包裹，防止空心陶瓷型芯内部填充物污染脱芯釜。
6.按照权利要求1至5之一所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)中空陶瓷型芯的检查与修整；
(2)中空陶瓷型芯一端的封堵
中空陶瓷型芯内腔一端采用硅溶胶+刚玉砂混合物进行封堵，封堵高度根据芯头高度确定为5mm～30mm之间，确认密封完好后进行下一步；
(3)根据对陶瓷型芯不同位置的比热和热导率的需求，填充不同类型材料；
(4)中空陶瓷型芯另一端的封堵
对填充完毕的中空陶瓷型芯内腔另一端采用与步骤(2)相同的方式密封，密封时用易烧损的细长材料插入整个内腔，以避免型壳在脱蜡、烧壳工序中，陶瓷型芯内部封闭的气体膨胀而造成陶瓷型芯膨胀损坏；
(5)对填充完毕的陶瓷型芯表面进行二次修整；
(6)采用正常流程进行压蜡、制壳和浇注；
(7)浇注完毕后，根据所填充物的不同，在清壳时将填充物直接去除；无法直接去除时，在脱芯前，使用金属网或者其它方式将铸件整体包裹起来，防止污染脱芯釜。
7.按照权利要求6所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，其特征在于，步骤(2)中，按体积百分比计，硅溶胶+刚玉砂混合物的组成为：硅溶胶5vol.％～40vol.％，刚玉砂余量。
8.按照权利要求6所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，其特征在于，步骤(3)中，不同类型材料是不同比热、热导率、在温度1500℃下稳定存在无机物、金属或者二者的混合物，并确保所填充材料在温度上升和下降过程中不会因为体积变化而撑破型芯。
9.按照权利要求6所述的调整大型铸件用空心陶瓷型芯热物性参数的方法，其特征在于，步骤(4)中，易烧损的细长材料是木条或塑料棒，直径在0.5mm～10mm之间，伸出陶芯一端长度在1mm～10mm之间。
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