1.氣化模-負(fù)壓鑄造技術(shù)(EPC-V法)
EPC-V法鑄造技術(shù)的關(guān)鍵為制造優(yōu)質(zhì)氣化模，配制涂掛性和透氣性好的涂料和負(fù)壓工藝等。
(l)優(yōu)質(zhì)氣化模制造 氣化模在EPC-V法中占有極其重要的地位，其質(zhì)量優(yōu)劣直接影響鑄件的質(zhì)量。
目前用于制造氣化模的材料主要是聚苯乙烯珠粒(EPS)，要求密度和粒度盡可能小，密度為0.015～0.025g/cm3，珠粒直徑參考值見表1。對于不同的鑄造合金，由于澆注溫度不同，對EPS模型的密度要求也有差異詳見表2。成模發(fā)泡時(shí)在型腔內(nèi)要建立一定的負(fù)壓，以利EPS珠粒均勻充滿，獲得表面光潔、密度均勻的泡沫塑料模型。
表 1 鑄件壁厚與 EPS 珠粒直徑關(guān)系
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鑄件壁厚 /mm |
EPS 原珠直徑 /mm |
預(yù)發(fā)泡后珠粒直徑 /mm |
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3 ～ 4 |
0.3 ～ 0.4 |
0.9 ～ 1.2 |
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4 ～ 5 |
0.4 ～ 0.5 |
1.2 ～ 1.5 |
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＞ 5 |
0.5 ～ 0.6 |
1.5 ～ 2.5 |
表 2 不同鑄造合金用 EPS 模型密度參考值
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鑄造合金 |
澆注溫度 / ℃ |
EPS 模型密度 /(kg/m3) |
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鋁合金 |
700 ～ 780 |
24 ～ 25.6 |
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銅合金 |
1030 ～ 126 |
20 ～ 21.6 |
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灰鑄鐵 |
1370 ～ 1450 |
≤ 20 |
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鋼 |
1590 ～ 1650 |
≤ 17.6 |
(2)耐火涂料
涂料必須具有良好的涂掛性、透氣性和強(qiáng)度。由于涂料涂在EPS模樣表面，在施涂方法上采用浸涂和淋涂，因此EPC-V法鑄造要求涂料在模樣上均勻流布附著并保持足夠的厚度，模組從涂料槽中取出后又要求粘度較快增長。具有這種性能的涂料必須是有一定屈服點(diǎn)值(7～12Pa)和較小觸變性的假塑性流體，才能使涂料具有良好的涂掛性。涂料一般以水作載體，分別以鋁礬土、石英粉、剛玉粉、誥英粉等與不同種類粘結(jié)劑如聚乙烯酸(PVA)、羧甲基纖維素(CMC)、聚醋酸乙烯乳液(PAL)、粘土、硅溶膠等配制而成。以PVA、CMC、PAL等作粘結(jié)劑的水基涂料具有觸變性，采用膨潤土和CMC配合作用或用<10μm的細(xì)粉來調(diào)節(jié)涂料的流變性。
由于EPS模型的發(fā)氣量大，按EPS模壁厚不同發(fā)氣量波動(dòng)于5～40cm3/g之間，所有這些氣體都必須通過涂料層排出，因此涂料層必須具有良好的透氣性和強(qiáng)度，這是獲得合格鑄件的關(guān)鍵。提高涂料透氣性的主要途徑：選用粒度較粗0.1～0.075mm(150～200目)顆粒較集中的耐火骨料、選用多孔的輕質(zhì)材料作骨料、采用薄層涂料及微波干燥法均可改善涂料的透氣性。
(3)無粘結(jié)劑干砂造型
該造型法最重要的是要求鑄型具有良好的透氣性、足夠的緊實(shí)度。填砂造型時(shí)一般選用單篩砂，其粒度推薦值見表3，砂粒呈圓形或多角形的型砂，還必須經(jīng)振動(dòng)緊實(shí)，以獲得均勻和足夠的堆積密度。對于形狀簡單的部件，一維振動(dòng)已足夠;對有深腔和凹槽多的復(fù)雜零件，要采用三維振動(dòng)造型來緊實(shí)型砂。造型時(shí)選擇適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)強(qiáng)度。振動(dòng)加速度在1.5～2.5g范圍內(nèi)效果最好。
表 3 型砂粒度推薦值
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澆注合金型砂粒度 /mm |
負(fù)壓造型 |
常壓造型 |
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鑄鋼、鑄鐵件 |
0.355 ～ 0.28(50 ～ 60 目 ) |
— |
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鑄鋁件 |
0.355 ～ 0.28(50 ～ 60 目 ) |
0.355 ～ 0.154(50 ～ 100 目 ) |
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鑄銅件 |
0.154 ～ 0.1(100 ～ 150 目 ) |
0.355 ～ 0.154(50 ～ 100 目 ) |
(4)鑄型負(fù)壓度的控制
該法澆注及冷卻期間，鑄型必須保持一定的負(fù)壓度，其作用為：固定松散的干砂，保持鑄型有足夠的強(qiáng)度、消除澆注時(shí)EPS分解產(chǎn)物對鑄件、填砂及環(huán)境的污染、控制金屬液的充填。
正確選擇真空泵的功率和排氣量是保證EPC-V法鑄型維持適當(dāng)負(fù)壓度的前提條件。真空泵的動(dòng)力消耗可按下式計(jì)算：
W=Kn(V1+βmQ)
式中 W——水環(huán)式真空泵電動(dòng)機(jī)功率(kw);
K——?jiǎng)恿ο禂?shù)， K≈2～6(kw/m3);
n——砂箱個(gè)數(shù);
V1——單個(gè)砂箱的體積(m3);
β——安全系數(shù)(取β=3～10);
m——每個(gè)砂箱內(nèi)的EPS模型質(zhì)量(kg);
Q——EPS發(fā)氣量(澆注鋼鐵時(shí)，取 Q=0.5～1.0m3/kg)。
在實(shí)際生產(chǎn)中一般都是依據(jù)真空罐上的真空表調(diào)節(jié)負(fù)壓度，為了保證鑄型有足夠的穩(wěn)定性，要正確選擇初始負(fù)壓度，初始負(fù)壓度低于0.02MPa時(shí)鑄型強(qiáng)度不夠，極容易出現(xiàn)金屬噴濺現(xiàn)象，若高于0.05MPa時(shí)又容易產(chǎn)生滲透粘砂缺陷，一般鑄型負(fù)壓度控制在0.025～0.05MPa范圍內(nèi)，澆注薄壁小件可取低值。
2.氣化模-精鑄-負(fù)壓復(fù)合鑄造技術(shù)(EPC-CS法)
該工藝的突出特點(diǎn)是用氣化模來代替蠟?zāi)＃虼酥圃靸?yōu)質(zhì)氣化模及超薄陶瓷型殼是EPC-CS法復(fù)合鑄造的關(guān)鍵，其次是振動(dòng)緊實(shí)負(fù)壓工藝。
(1)優(yōu)質(zhì)氣化模的制造
該法氣化模用的原材料為聚苯乙烯珠粒(EPS)，但與EPC-V法用的EPS珠粒不同，為獲優(yōu)質(zhì)氣化模要采用高密度、粒徑小而均勻的EPS珠粒，其粒徑為0.25～0.5mm，密度為 0.l～0. 3g/cm3。
氣化模的成形包括：設(shè)計(jì)與加工氣化模用模具，聚苯乙烯珠粒的預(yù)發(fā)、干燥熟化、氣化模的蒸氣成形工藝。EPS珠粒的預(yù)發(fā)采用熱水預(yù)發(fā)工藝，將EPS珠粒放入連續(xù)式預(yù)發(fā)泡機(jī)中，加入適量的分散劑，為避免珠料預(yù)發(fā)時(shí)粘結(jié)，要嚴(yán)格控制預(yù)發(fā)溫度和時(shí)間，使預(yù)發(fā)后EPS珠粒的密度為0.059/cm3左右。此密度的預(yù)發(fā)珠粒具有較高的膨脹能力，成形后可得到表面光潔、尺寸精確的氣化模。可發(fā)性EPS珠粒最佳熱水預(yù)發(fā)工藝見表4。預(yù)發(fā)后的可發(fā)性 EPS珠粒要在空氣中放置一段時(shí)間，讓空氣滲透到珠粒的泡孔內(nèi)，使珠粒變得干燥而有彈性，這個(gè)過程為熟化。預(yù)發(fā)后的EPS珠粒含水量很高，必須進(jìn)行干燥，干燥熟化工藝見表5。干燥熟化時(shí)，為加快速度可以吹風(fēng)，風(fēng)速以不使EPC珠粒沸騰為限。
表 4 熱水預(yù)發(fā)工藝
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預(yù)發(fā)溫度 / ℃ |
100 ～ 102 |
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熱水預(yù)發(fā)時(shí)間 /min |
2 ～ 3 |
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加料量 / 水量 |
＜ 6 |
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分散加入量 / 水量 |
＞ 0.03 |
表 5 干燥熟化工藝
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干燥熟化溫度 / ℃ |
50 |
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干燥熟化時(shí)間 /h |
＞ 12 |
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干燥后 EPS 珠粒含水量①（ % ） |
＜ 1 |
氣化模成形應(yīng)用最廣、使用效果最好的是蒸汽成形法。該法是用過熱水蒸氣作熱載體，將裝滿頓發(fā)的可發(fā)性EPS珠粒的母型(型壁裝有排氣篩的鋁等輕合金模具)放入蒸汽室，通入過熱蒸汽，熱蒸汽通過排氣篩進(jìn)入母型內(nèi)加熱珠粒，使其發(fā)泡并保持到EPS珠粒再發(fā)泡終了為止。氣化模蒸汽成形工藝見表6。
表 6 蒸汽成形工藝
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噴料壓力 /MPa |
成形壓力 /MPa |
模具預(yù)熱時(shí)間 /s |
成形時(shí)間 /s |
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0.34 ～ 0.44 |
0.098 ～ 0.147 |
10 ～ 15 |
10 ～ 30 |
(2)超薄陶瓷型殼
EPC-CS法復(fù)合鑄造用超薄陶瓷型殼厚一般為3～4mm，因此型殼必須具有足夠的強(qiáng)度，為此選硅溶膠作為粘結(jié)劑，鋯英粉、鋁礬土粉作為涂料的填料，莫來石砂作為撒砂材料。采用如下精鑄制殼工藝制取超薄陶瓷型殼。
1)嚴(yán)格控制涂料的質(zhì)量，涂料按組元配制后，采用“L”型涂料攪拌機(jī)低速長時(shí)間攪拌，使粘結(jié)劑與填料充分潤濕。面層涂料粘度：(30±1)s，加固層涂料粘度：(15±2)s。
2)制殼工藝：根據(jù)鑄件大小，型殼可掛3～4層，制殼工藝參數(shù)詳見表7，最后型殼再掛一遍涂料，干燥后待用。
表 7 制殼工藝參數(shù)
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層次 |
面層 ( 一、二層 ) |
加固層 ( 三、四層 ) |
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撒砂粒度 /mm( 目 ) |
0.45/0.22(40/70 目 ) |
2.0/0.9(10/20 目 ) |
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干燥時(shí)間 /h |
4 ～ 6 |
2 ～ 4 |
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環(huán)境溫度 / ℃ |
18 ～ 20 |
18 ～ 20 |
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相對溫度 (%) |
40 ～ 60 |
40 ～ 60 |
3)失模、型殼焙燒工藝：型殼在高溫焙燒前要將氣化模從型殼中融出，為此將模組放人帶托盤的低溫干燥箱中進(jìn)行加熱，使氣化模變成融熔流體從型腔中脫出，較好的失模溫度為50～90℃，保溫30～40min。
將失模后的超薄陶瓷型殼放入高溫爐中焙燒，在1000～1050℃下保溫lh，出爐用于澆注。由此不難看出，EPC-CS法復(fù)合鑄造在澆注前將氣化模熔失，再進(jìn)高溫爐焙燒，因此在型殼中沒有殘存碳，可用于澆注任何合金鑄件，同時(shí)解決了氣化模燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙霧，減輕環(huán)境污染。
(3)振動(dòng)緊實(shí)及負(fù)壓工藝
將焙燒后的陶瓷型殼放人振動(dòng)臺上的砂箱中，填入0.9mm/0.45mm(20目/40目)或2.0mm/0.9mm(10目/20目)的型砂，通過振動(dòng)緊實(shí)和負(fù)壓物理過程，使型砂得到緊實(shí)，保證型殼具有足夠的抗變形、抗開裂能力，防止型殼因熱沖擊及合金凝固收縮應(yīng)力作用產(chǎn)生破裂、跑火等現(xiàn)象。型砂振動(dòng)緊實(shí)以共振狀態(tài)下緊實(shí)效果為最好，三維振動(dòng)緊實(shí)效果優(yōu)于二維、一維振動(dòng)緊實(shí)效果。一維振動(dòng)參數(shù)選擇合適仍能滿足生產(chǎn)要求，而且設(shè)備投資少，操作簡便。一維振動(dòng)緊實(shí)型砂的最佳工藝參數(shù)如下：頻率為50Hz左右，振幅為0.lmm左右，加速度為1～1.5g左右，振動(dòng)時(shí)間根據(jù)鑄件復(fù)雜程度確定。
在鑄件澆注和冷卻過程中必須實(shí)施負(fù)壓，有利于型腔中氣體的排除和金屬液的充填，提高鑄件表面質(zhì)量。適宜的真空度為0.03MPa左右，澆注后消除負(fù)壓，將鑄件從型砂中取出，除掉超薄陶瓷型殼，獲得優(yōu)質(zhì)鑄件。
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