CN118218539A - 一种组合式螺旋脱蜡钉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密铸造型壳制备技术领域，具体为一种组合式螺旋脱蜡钉及其制备方法。组合式螺旋脱蜡钉由两部分组成，包括螺旋脱蜡钉蜡模和螺旋堵塞钉陶瓷，两者采用相同的螺旋纹理；螺旋脱蜡钉蜡模设计为蜡模模具，利用蜡模模具压制成型；而螺旋堵塞钉陶瓷设计为型芯模具，利用型芯模具压制、烧结成型。在蜡模工序，将螺旋脱蜡钉蜡模粘接在模组局部脱蜡处，制成型壳，脱蜡钉蜡模端面型壳预留开口，促使型壳脱蜡过程局部快速排蜡；熔铸前将螺旋堵塞钉陶瓷旋转拧入脱蜡钉型壳开口内完成型壳封堵。本发明组合式螺旋脱蜡钉主要作用为促使型壳有序脱蜡，改善型壳裂纹缺陷。方便了型壳脱蜡孔封堵过程的操作，可以降低铸件跑钢及夹杂问题的产生几率。

Description

一种组合式螺旋脱蜡钉及其制备方法

技术领域

本发明涉及高温合金熔模精密铸造型壳制备技术领域，具体为一种组合式螺旋脱蜡钉及其制备方法，适用于型壳制备过程。

背景技术

目前，随着国家设计单位对航空、航海领域的发动机、燃气轮机设计性能和尺寸的不断提升和推新，大尺寸精密铸造叶片及结构件的需求也日益增加，同时对大尺寸铸件的冶金质量也提出了更高的要求。所以，不断提高大尺寸铸件精密铸造制备技术，解决大尺寸铸件精密铸造过程中常见的难点问题，是中国每一个高温合金铸造行业技术人员的责任和使命。

大尺寸高温合金铸件在铸造过程中常出现胀壳缺陷，其产生的主要原因为型壳脱蜡过程中未能有序排蜡，导致膨胀的蜡料使型壳发生尺寸变形。国内高温合金制造行业针对这一问题，普遍采取一种圆锥结构脱蜡钉制备型壳，并完成型壳的封堵和浇注。虽然可以解决胀壳问题，但封堵过程繁琐，且封堵过程极容易引入杂质产生夹杂缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组合式螺旋脱蜡钉及其制备方法，用于替代常规脱蜡钉，可以有效简化型壳脱蜡过程脱蜡孔封堵过程的操作，同时降低铸件跑钢及夹杂问题的产生几率，提高大尺寸高温合金铸件产品的冶金合格率，主要适用于高温合金较大尺寸铸件的制备过程，对型壳裂纹、胀壳缺陷的控制起到显著效果。

本发明的技术方案是：

一种组合式螺旋脱蜡钉及其制备方法，包括螺旋脱蜡钉蜡模和螺旋堵塞钉陶瓷，两者采用相同的螺旋结构；在蜡模工序，利用模具压制出成型的螺旋脱蜡钉蜡模，将螺旋脱蜡钉蜡模组合在铸件蜡模模组上；在型壳工序，将粘接有螺旋脱蜡钉蜡模的蜡模模组进行挂浆、撒砂制备预留脱蜡孔道型壳，由螺旋脱蜡钉蜡模形成脱蜡孔道；铸件熔铸前，将螺旋堵塞钉陶瓷按照螺旋结构的旋转方向拧入预留脱蜡孔道型壳的脱蜡孔道中。

所述的组合式螺旋脱蜡钉，螺旋结构中，螺距设计为2mm～4mm。

所述的组合式螺旋脱蜡钉，螺旋脱蜡钉蜡模和螺旋堵塞钉陶瓷具有相同的螺旋结构，将螺旋堵塞钉陶瓷旋转拧入脱蜡孔道内完成型壳封堵。

所述的组合式螺旋脱蜡钉，螺旋脱蜡钉蜡模设计为蜡模模具，利用蜡模模具压制成型；螺旋堵塞钉陶瓷设计为型芯模具，利用型芯模具压制、烧结成型。

所述的组合式螺旋脱蜡钉，螺旋脱蜡钉蜡模制成的脱蜡孔道型壳和螺旋堵塞钉陶瓷，两者间螺旋结构配合为间隙配合。

所述的组合式螺旋脱蜡钉，螺旋脱蜡钉蜡模模具和螺旋堵塞钉陶瓷型芯模具在设计初期，需将两者的理论尺寸进行优化处理，预留配合间隙为0.05mm～0.20mm。

所述的组合式螺旋脱蜡钉，螺旋脱蜡钉蜡模模具的设计尺寸为原型尺寸的1.005～1.009倍，螺旋堵塞钉陶瓷型芯模具的设计尺寸为原型尺寸的1.006～1.012倍。

所述的组合式螺旋脱蜡钉，利用螺旋堵塞钉陶瓷封堵螺旋脱蜡钉蜡模制成的脱蜡孔道型壳开口时，使用辅助材料配合完成型壳的密封，辅助材料为耐火材料浆料或粘壳胶。

所述的组合式螺旋脱蜡钉的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：设计组合式螺旋脱蜡钉三维模型，即螺旋脱蜡钉蜡模和螺旋堵塞钉陶瓷三维模型；设计时，螺旋堵塞钉陶瓷的尺寸小于螺旋脱蜡钉蜡模的尺寸，保证两者存在0.02mm～0.20mm的间隙，形成间隙配合；

步骤2：将绘制好的螺旋脱蜡钉蜡模和螺旋堵塞钉陶瓷三维模型设计成蜡模模具和陶瓷型芯模具，螺旋脱蜡钉蜡模模具的设计尺寸为原型尺寸的1.005～1.009倍，螺旋堵塞钉型芯模具的设计尺寸为原型尺寸的1.006～1.012倍；

步骤3：利用步骤2中的蜡模模具压制螺旋脱蜡钉蜡模；在蜡模组合工序，将螺旋脱蜡钉蜡模粘接在蜡模模组局部；在型壳制备工序，脱蜡钉蜡模端面型壳预留开口，形成脱蜡孔道；

步骤4：利用步骤2中的型芯模具压制螺旋堵塞钉陶瓷型芯，螺旋堵塞钉陶瓷型芯经烧结、强化后用于脱蜡孔道的堵塞，堵塞时将螺旋堵塞钉陶瓷旋转拧入脱蜡钉型壳开口内完成型壳封堵；

步骤5：完成步骤4中的操作后，使用辅助材料配合完成型壳的密封；

步骤6：型壳脱蜡孔封堵完成后，按铸件的工艺要求进行铸件的熔铸操作。

本发明的设计思想是：

本发明中组合式螺旋脱蜡钉主要作用为促使型壳有序脱蜡，改善型壳裂纹缺陷。本发明组合式螺旋脱蜡钉由两部分组成，包括螺旋脱蜡钉蜡模和螺旋堵塞钉陶瓷，两者采用相同的螺旋纹理，其中螺旋脱蜡钉蜡模设计为蜡模模具，利用蜡模模具压制成型；而螺旋堵塞钉陶瓷设计为型芯模具，利用型芯模具压制、烧结成型。在蜡模工序，将螺旋脱蜡钉蜡模粘接在模组局部脱蜡处，制成型壳，脱蜡钉蜡模端面型壳预留开口，促使型壳脱蜡过程局部快速排蜡；熔铸前将螺旋堵塞钉陶瓷旋转拧入脱蜡钉型壳开口内完成型壳封堵。本发明方便了型壳脱蜡孔封堵过程的操作，可以降低铸件跑钢及夹杂问题的产生几率。

本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明组合式螺旋脱蜡钉，因独特的螺旋结构设计，实现了堵塞钉陶瓷和脱蜡孔道的精准配合，封堵过程简单、高效，降低铸件熔铸过程型壳脱蜡孔跑钢问题的产生几率。

2、本发明组合式螺旋脱蜡钉，可根据实际型壳脱蜡需求，对组合式螺旋脱蜡钉设计尺寸进行调控，脱蜡钉的制备过程灵活、方便。

3、本发明组合式螺旋脱蜡钉，在脱蜡孔道的密封方面，相比常规脱蜡钉，其密封过程更简单、效果更优异，且密封过程不易造成型壳杂质脱落，对铸件产品的冶金质量有显著的改善作用。

4、本发明组合式螺旋脱蜡钉，用于铸件的批量化生产，可以提高型壳和铸件产品的质量稳定性。

附图说明

图1为本发明螺旋脱蜡钉蜡模结构示意图。

图2为本发明螺旋堵塞钉陶瓷结构示意图。

图3为本发明螺旋脱蜡钉蜡模与螺旋堵塞钉陶瓷设计间隙示意图。其中，(b)为(a)中的虚线部分放大图。

图4为本发明中安装了螺旋脱蜡钉蜡模的蜡模模组结构示意图。

图5为本发明中安装有螺旋脱蜡钉蜡模模组制备的型壳结构示意图。

图6为本发明中脱蜡后具有螺旋结构脱蜡孔道型壳的结构示意图。

图7为本发明螺旋堵塞钉陶瓷堵塞型壳的结构示意图。

图中，1螺旋脱蜡钉蜡模，2螺旋堵塞钉陶瓷，3螺旋结构，4设计间隙，5蜡模模组，6预留脱蜡孔道型壳，7脱蜡孔道。

具体实施方式

在具体实施过程中，首先需设计脱蜡钉的结构。如图1、图2所示，分别为本发明组合式螺旋脱蜡钉中螺旋脱蜡钉蜡模1和螺旋堵塞钉陶瓷2的结构示意图，在设计组合式螺旋脱蜡钉三维模型时，螺旋脱蜡钉蜡模1和螺旋堵塞钉陶瓷2均采用相同的螺旋结构3进行匹配。如图3所示，本发明螺旋脱蜡钉蜡模与螺旋堵塞钉陶瓷设计间隙示意图，螺旋堵塞钉陶瓷2的尺寸略小于螺旋脱蜡钉蜡模1的尺寸，保证两者存在0.02mm～0.15mm的设计间隙4，形成间隙配合，因型壳和陶瓷属脆、硬介质材料，所以螺旋结构3的螺距不宜太小，通常螺距设计为2mm～4mm。在完成螺旋脱蜡钉蜡模1和螺旋堵塞钉陶瓷2的三维型设计后，螺旋脱蜡钉蜡模1设计为蜡模模具，利用蜡模模具压制成型；螺旋堵塞钉陶瓷2设计为型芯模具，利用型芯模具压制、烧结成型。

将绘制好的螺旋脱蜡钉蜡模和螺旋堵塞钉陶瓷三维模型设计成蜡模模具和陶瓷型芯模具，螺旋脱蜡钉蜡模模具的设计尺寸为原型尺寸的1.005～1.009倍，螺旋堵塞钉型芯模具的设计尺寸为原型尺寸的1.006～1.012倍；此过程给定了模具收缩率，用来补偿蜡模模具型腔到型壳的收缩及陶瓷型芯模具型腔到烧结后的收缩，以达到精准控制型壳的钉孔和螺旋堵塞钉陶瓷尺寸的目的。

在型芯工序，利用型芯模具压制出成型的螺旋堵塞钉陶瓷2，将螺旋堵塞钉陶瓷2进行烧结、或烧结+强化处理，完成螺旋堵塞钉陶瓷2的制备。

在蜡模工序，利用模具压制出成型的螺旋脱蜡钉蜡模1，将螺旋脱蜡钉蜡模1组合在铸件蜡模模组5上，如图4所示。在粘接螺旋脱蜡钉蜡模1和蜡模模组5的过程中，应确保粘接处光滑转接，避免出现蜡瘤、蜡缝、虚连的组合缺陷。

在型壳工序，将粘接有螺旋脱蜡钉蜡模1的蜡模模组5进行清洗，并自然干燥或风干，之后进行挂浆、撒砂制备型壳。型壳制备过程中，每层完成撒砂后，应清理螺旋脱蜡钉蜡模1端面的浆料和砂，使整个蜡模模组5中局部的螺旋脱蜡钉蜡模1端面不参与制壳。如图5所示，安装有螺旋脱蜡钉蜡模模组制备的型壳结构示意图，根据制壳层数的工艺要求，最终制备出预留脱蜡孔道型壳6。在型壳脱蜡过程中，预留脱蜡孔道型壳6内部的螺旋脱蜡钉蜡模1和蜡模模组5通过型壳浇口杯及脱蜡孔道7排出型壳，得到预留有螺旋结构脱蜡孔道7的预留脱蜡孔道型壳6，其结构如图6所示。预留脱蜡孔道型壳6在经过型壳焙烧，最终制备具有高温强度型壳成品。

如图7所示，螺旋堵塞钉陶瓷2堵塞型壳的结构示意图。铸件熔铸前，将螺旋堵塞钉陶瓷2按照螺旋结构3的旋转方向拧入预留脱蜡孔道型壳6的脱蜡孔道7中。堵塞后可使用辅助材料配合完成型壳的密封，例如：耐火材料浆料、粘壳胶等，完成封堵的型壳可进行后续熔铸操作。

下面，通过实施例进一步详述本发明。

实施例1

本实施例是一种大尺寸K644合金等轴晶H块铸件。铸件呈长方体四棱柱结构，长310mm，宽60mm，厚35mm，采用顶注式浇注系统进行蜡模组合和熔铸，每组组合8件。铸件结构较为简单，浇注系统设置符合顺序凝固原理，采用常规等轴晶型壳浇注后，铸件疏松缺陷符合技术要求，但H块铸件在熔铸过程中常出现跑火问题，并且铸件在目视检验过程中，发现铸件表面存在多处因型壳裂纹产生的线性金属凸起毛刺，在荧光渗透检验过程中，铸件表面存在有密集点状荧光夹杂缺陷显示。经分析，铸件产生上述缺陷的原因为：该铸件产品蜡模模组的体积较大，在完成型壳制备后进行脱蜡时，由于蜡液的排出通道不能满足整体模组快速有序的排出，型壳中蜡模及蜡液的膨胀致使型壳在脱蜡过程中了产生了严重的裂纹缺陷，最终导致铸件在熔铸过程中跑火、线性凸起毛刺及夹杂等缺陷的产生。

解决上述H块铸件存在的问题，需从解决型壳的裂纹缺陷着手。脱蜡钉技术是目前解决此类问题主要的技术手段，考虑采用常规脱蜡钉技术方案虽然可以使型壳内蜡模有序排出，但由于该铸件熔铸过程中金属液的体量较大，浇注时对堵塞钉的冲击强度也较大，常规堵塞钉(如：锥形钉、圆柱钉等)的封堵方式极可能造成封堵处强度不足，导致浇注跑火。采用本发明中组合式螺旋脱蜡钉，即在满足型壳脱蜡过程中蜡模的快速排出，在封堵型壳脱蜡通道时利用螺旋结构，又可以有效增强型壳封堵局部的强度，满足铸件熔铸对型壳整体强度的需求。

在应用过程中，按本发明的技术方案设计组合式螺旋脱蜡钉三维模型，包括螺旋脱蜡钉蜡模和螺旋堵塞钉陶瓷三维模型，两者采用相同的螺纹匹配结构，设计间隙为0.10mm，螺距为3mm。螺旋脱蜡钉蜡模利用蜡模模具压制成型，其蜡模模具的设计收缩率为1.007；螺旋堵塞钉陶瓷利用型芯模具压制、烧结成型，型芯模具的设计收缩率为1.006。在蜡模组合工序，依据H块铸件蜡模组合工艺要求，将压制成型的螺旋脱蜡钉蜡模粘接在蜡模模组局部横浇道端面处，粘接数量为2个，将附有螺旋脱蜡钉蜡模的模组进行模组清洗和干燥后，进行型壳的制备。型壳制备按照H块铸件型壳制备工艺要求进行，型壳制备过程中，模组在每层完成料浆涂挂和撒砂后，将螺旋脱蜡钉蜡模端面用工具(手工铲等)去除浆料和砂，以保证制备的型壳预留出脱蜡孔道。型壳干燥后送至型壳脱蜡工序利用蒸汽式脱蜡釜和型壳焙烧炉进行型壳脱蜡和焙烧，由于改善了型壳脱蜡顺序，焙烧出炉的型壳经目视检验和甲基蓝溶液渗透检验未发现裂纹缺陷。铸件熔铸前，将烧结成型的螺旋堵塞钉陶瓷拧入脱蜡孔道内，并辅用粘壳胶完成型壳的封堵。封堵后的型壳按熔铸工艺要求进行型壳造型、预烧、熔铸、清壳和切割后，铸件的目视检验合格率为100％，跑火欠铸及表面线性金属凸起毛刺缺陷消除；铸件经荧光渗透检验和X射线检验的合格率为100％，夹杂缺陷消除。目前，组合式螺旋脱蜡钉工艺技术方案已成为H块铸件的定型生产工艺，该方法显著提高了铸件产品的合格率，产品终检合格率达95％以上。此实施例表明本发明组合式螺旋脱蜡钉从设计到应用技术方案是可行、有效的，对型壳脱蜡过程中裂纹缺陷的产生有着显著的改善、优化效果。

实施例2

本实施例是一种K40M合金高压涡轮导向叶片缘板铸件。铸件结构呈平行四边形薄壁大平面结构，相邻两边的长度分别为122mm和105mm，铸件流道壁厚尺寸为1.5mm，流道面的中间分布有两处型孔及筋肋结构。在铸造工艺上，铸件采用顶注+底注混合式浇注系统进行蜡模组合和熔铸，每组组合2件。由于上、下横浇道的设计尺寸较厚大，导致铸件型壳在脱蜡过程中产生肉眼可见的裂纹缺陷，批产过程铸件常见跑火、夹杂等缺陷，导致铸件报废率升高。

为提高铸件合格率，在铸件蜡模过程中采用了与实施例1中相同的螺旋脱蜡钉蜡模，将螺旋脱蜡钉蜡模粘接于缘板铸件蜡模模组上、下横浇道端面(上、下横浇道各粘接一处)，然后将组合后的模组进行蜡模的清洗、干燥以及型壳的制备、脱蜡和焙烧。完成型壳焙烧后，将备好的螺旋堵塞钉陶瓷拧入脱蜡孔道内，辅用粘壳胶完成型壳的封堵。封堵后的型壳按熔铸工艺要求进行型壳造型、预烧、熔铸、清壳和切割后，铸件的目视检验合格率达95％以上，跑火欠铸缺陷消除；铸件经荧光渗透检验和X射线检验的合格率达90％以上，夹杂缺陷基本消除。目前，组合式螺旋脱蜡钉工艺技术方案已成为此缘板铸件的定型生产工艺，该方法显著提高了铸件产品的合格率，产品终检合格率达80％以上。此实施例表明本发明组合式螺旋脱蜡钉从设计到应用技术方案是可行、有效的，对型壳脱蜡过程中裂纹缺陷的产生有着显著的改善、优化效果。

Claims (9)

1.一种组合式螺旋脱蜡钉及其制备方法，其特征在于，包括螺旋脱蜡钉蜡模和螺旋堵塞钉陶瓷，两者采用相同的螺旋结构；在蜡模工序，利用模具压制出成型的螺旋脱蜡钉蜡模，将螺旋脱蜡钉蜡模组合在铸件蜡模模组上；在型壳工序，将粘接有螺旋脱蜡钉蜡模的蜡模模组进行挂浆、撒砂制备预留脱蜡孔道型壳，由螺旋脱蜡钉蜡模形成脱蜡孔道；铸件熔铸前，将螺旋堵塞钉陶瓷按照螺旋结构的旋转方向拧入预留脱蜡孔道型壳的脱蜡孔道中。

2.按照权利要求1所述的组合式螺旋脱蜡钉，其特征在于，螺旋结构中，螺距设计为2mm～4mm。

3.按照权利要求1所述的组合式螺旋脱蜡钉，其特征在于，螺旋脱蜡钉蜡模和螺旋堵塞钉陶瓷具有相同的螺旋结构，将螺旋堵塞钉陶瓷旋转拧入脱蜡孔道内完成型壳封堵。

4.按照权利要求3所述的组合式螺旋脱蜡钉，其特征在于，螺旋脱蜡钉蜡模设计为蜡模模具，利用蜡模模具压制成型；螺旋堵塞钉陶瓷设计为型芯模具，利用型芯模具压制、烧结成型。

5.按照权利要求4所述的组合式螺旋脱蜡钉，其特征在于，螺旋脱蜡钉蜡模制成的脱蜡孔道型壳和螺旋堵塞钉陶瓷，两者间螺旋结构配合为间隙配合。

6.按照权利要求3、4或5所述的组合式螺旋脱蜡钉，其特征在于，螺旋脱蜡钉蜡模模具和螺旋堵塞钉陶瓷型芯模具在设计初期，需将两者的理论尺寸进行优化处理，预留配合间隙为0.05mm～0.20mm。

7.按照权利要求3、4或5所述的组合式螺旋脱蜡钉，其特征在于，螺旋脱蜡钉蜡模模具的设计尺寸为原型尺寸的1.005～1.009倍，螺旋堵塞钉陶瓷型芯模具的设计尺寸为原型尺寸的1.006～1.012倍。

8.按照权利要求3、4或5所述的组合式螺旋脱蜡钉，其特征在于，利用螺旋堵塞钉陶瓷封堵螺旋脱蜡钉蜡模制成的脱蜡孔道型壳开口时，使用辅助材料配合完成型壳的密封，辅助材料为耐火材料浆料或粘壳胶。

9.一种权利要求1所述的组合式螺旋脱蜡钉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：设计组合式螺旋脱蜡钉三维模型，即螺旋脱蜡钉蜡模和螺旋堵塞钉陶瓷三维模型；设计时，螺旋堵塞钉陶瓷的尺寸小于螺旋脱蜡钉蜡模的尺寸，保证两者存在0.02mm～0.20mm的间隙，形成间隙配合；

步骤2：将绘制好的螺旋脱蜡钉蜡模和螺旋堵塞钉陶瓷三维模型设计成蜡模模具和陶瓷型芯模具，螺旋脱蜡钉蜡模模具的设计尺寸为原型尺寸的1.005～1.009倍，螺旋堵塞钉型芯模具的设计尺寸为原型尺寸的1.006～1.012倍；

步骤3：利用步骤2中的蜡模模具压制螺旋脱蜡钉蜡模；在蜡模组合工序，将螺旋脱蜡钉蜡模粘接在蜡模模组局部；在型壳制备工序，脱蜡钉蜡模端面型壳预留开口，形成脱蜡孔道；

步骤4：利用步骤2中的型芯模具压制螺旋堵塞钉陶瓷型芯，螺旋堵塞钉陶瓷型芯经烧结、强化后用于脱蜡孔道的堵塞，堵塞时将螺旋堵塞钉陶瓷旋转拧入脱蜡钉型壳开口内完成型壳封堵；

步骤5：完成步骤4中的操作后，使用辅助材料配合完成型壳的密封；

步骤6：型壳脱蜡孔封堵完成后，按铸件的工艺要求进行铸件的熔铸操作。