熔融石英在深孔窄槽類零件制殼工藝中的應(yīng)用研究

黃秋玉 胡嘯

(株洲中航動力精密鑄造有限公司,湖南株洲 412002)

熔融石英在深孔窄槽類零件制殼工藝中的應(yīng)用研究

黃秋玉 胡嘯

(株洲中航動力精密鑄造有限公司,湖南株洲 412002)

將熔融石英制殼與傳統(tǒng)制殼工藝進(jìn)行對比試驗(yàn),結(jié)果表明熔融石英能很好解決鑄件細(xì)孔窄槽類成型等問題,能夠代替陶瓷型芯,并能有效降低清殼過程中導(dǎo)致的鑄件裂紋問題,使鑄件容易清理干凈,說明熔融石英在深孔窄槽類零件制殼工藝上,能夠代替陶瓷型芯,縮短研制周期,降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量,具有較高的優(yōu)越性。

深孔窄槽 熔融石英 制殼 高溫強(qiáng)度 潰散性

1 前言

目前，精密鑄造中模殼制備工藝已經(jīng)比較成熟，模殼達(dá)到了生產(chǎn)的基本要求。手工及制殼線所用的涂料主要是以硅溶膠、硅酸乙酯為黏結(jié)材料[1]，以鋯英粉、剛玉粉、莫來石粉、煤矸石粉、鋁酸鈷為耐火材料配置而成。但是隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代，鑄件結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜、尺寸精度及穩(wěn)定性要求更高，對模殼提出高溫下尺寸穩(wěn)定、低溫殘留強(qiáng)度低的嚴(yán)苛要求，尤其是對深孔窄槽類零件來說，還存在縮短研制周期，降低生產(chǎn)成本的迫切要求。

為了適應(yīng)這種要求，熔融石英材料異軍突起，成為僅次于鋁-硅系的耐火材料，表1為熔融石英模殼與莫來石模殼參數(shù)對比[2]。

深孔窄槽類零件采用傳統(tǒng)涂料方案的制殼成型工藝一直是難點(diǎn)，經(jīng)常出現(xiàn)模殼干燥不透、鼓殼、掉殼、裂紋、澆注過程中漏鋼等問題。對于窄槽類零件，目前的涂料工藝所得鑄件漏鋼率較高，且容易產(chǎn)生鐵瘤，很難清除，因此大多數(shù)情況下不得不采用陶瓷型芯。由表1可以看出，熔融石英新涂料具有熱膨脹小、高溫強(qiáng)度高、殘余強(qiáng)度低潰散性好等優(yōu)勢，是比較理想能夠替代陶瓷型芯用于深孔窄槽類零件的制殼材料，因此熔融石英在深孔窄槽類零件制殼工藝中的應(yīng)用研究，顯得十分重要和迫切。

表1 熔融石英和鋁硅系材料型殼性能比較

2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選深彎孔類典型零件轉(zhuǎn)接段和窄槽類典型零件導(dǎo)向葉片，選取不同耐火材料制定涂料工藝方案，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出較好的涂料工藝方案，解決窄槽零件漏鋼問題。

2.1 結(jié)構(gòu)及工藝難點(diǎn)分析

表2 熔融石英涂料方案

表3 莫來石涂料方案

表4 試驗(yàn)方案及結(jié)果

表5 熔融石英和鋁-硅系型殼殘余強(qiáng)度對比 MPa

圖1 轉(zhuǎn)接段毛坯圖

圖2 導(dǎo)向葉片毛坯

圖3 熔融石英涂制模殼斷口示意圖

圖4 熔融石英涂料和鑄件窄槽位置圖示

圖5 莫來石模殼窄槽位置的鐵瘤示意圖

試驗(yàn)零件為轉(zhuǎn)接段，下圖1所示為其毛坯圖，內(nèi)腔為一直徑較小且轉(zhuǎn)彎處較長的通孔，轉(zhuǎn)彎處長度約為25mm，內(nèi)孔直徑分別為φ 7mm，φ10mm，φ18mm，且壁厚最薄處為2mm。

鑄造工藝難點(diǎn)：深彎孔的制得，傳統(tǒng)方法是采用陶瓷型芯獲得內(nèi)孔，但這種方法周期較長，包括模具的設(shè)計與制作，成本較高，且壓制和后期脫芯過程中可能會出現(xiàn)斷裂、收縮不一致、不均勻等各方面的問題，效率較低。

導(dǎo)向葉片，具有窄槽特征，槽寬2.4mm深4.8mm，如下圖2所示，涂掛過程中漿料容易堆積在窄槽中，涂料層干燥困難，導(dǎo)致窄槽處模殼強(qiáng)度低，澆注時容易發(fā)生漏鋼，漏鋼率達(dá)80%左右，且鑄件易產(chǎn)生鑄瘤。

2.2 試驗(yàn)方案

由于諸多優(yōu)點(diǎn)，在國外已被廣泛應(yīng)用。所以本試驗(yàn)摒棄傳統(tǒng)陶瓷型芯的方法，探索用制殼工藝來直接獲得此零件內(nèi)腔，解決窄槽內(nèi)涂料層的均勻性和強(qiáng)度問題。分別采用普通的莫來石涂料和熔融石英涂料來涂制，方案如見表2、表3。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果(表4)

通過上述結(jié)果對比分析，得出使用熔融石英涂料，模殼層數(shù)顯著減少；如圖3所示，制得模殼致密均勻，直接由涂料制得內(nèi)孔，代替了傳統(tǒng)工藝方法制作陶瓷型芯；提高細(xì)孔窄槽的模殼強(qiáng)度，鑄件漏鋼減少；模殼潰散性好，殘留模殼容易清除。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熔融石英模殼前兩層已經(jīng)構(gòu)建較好的強(qiáng)度，模殼比較均勻，因此在澆注過程中保證其強(qiáng)度。而正式工藝目前通過灌漿壓槽等方法來保證前兩層模殼強(qiáng)度，此方法很容易破壞面層涂料，從而導(dǎo)致澆注過程中的夾雜，同時漏鋼率依然很高。圖4為涂完一層后葉片，其窄槽明顯，下層漿料可以浸入，從而保證了窄槽處模殼強(qiáng)度，其葉片澆注后鐵瘤極少。莫來石涂料所得鑄件如圖5所示，窄槽處有鐵瘤，且不易清除，為后續(xù)加工留下隱患。

3.2 工藝分析

深孔窄槽類零件漏鋼的主要原因是模殼壁厚不均，強(qiáng)度不夠。傳統(tǒng)涂料制殼強(qiáng)度低的原因如下：(1)在漿料涂掛過程中，由于孔較深且是彎孔，槽很窄，普通涂料流動性差，容易造成料漿堆積；(2)涂料層不均勻；(3)深孔和窄槽內(nèi)模殼很難干燥完全。

熔融石英涂料強(qiáng)度高的原因如下：(1)流動性好，對于深孔窄槽特征不會造成涂料堆積；(2)浸潤性好，很容易掛砂；(3)浮砂容易清理，便于保證每層模殼的強(qiáng)度。因此采用熔融石英涂料制得的模殼均勻，致密性好，強(qiáng)度高。

圖6 不同材料在高溫下變形量的對比

圖7 熔融石英模殼加熱過程中的相變

3.3 熔融石英模殼的優(yōu)越性分析

(1)熱膨脹性。熔融石英的熔化溫度為1713℃，導(dǎo)熱系數(shù)低，熱膨脹系數(shù)幾乎是所有耐火材料中最小的，因此有利于減小型殼加熱過程中內(nèi)外溫差造成的熱應(yīng)力，能夠有效防止型殼在脫蠟、焙燒、澆注過程中因溫度劇變而產(chǎn)生的開裂、變形，對提高鑄件尺寸精度也非常有利。

(2)高溫強(qiáng)度。采用熔融石英涂制的模殼高溫強(qiáng)度很高[5]，這是因?yàn)槿廴谑⒌母邷乜谷渥兡芰Ρ容^高，高溫下不同材料的變形量見下圖。由圖6明顯得出，隨著時間的增加和溫度的升高，熔融石英的變形量非常小，而鋁-硅系耐火材料在不同的溫度下變形量則非常大，形成鮮明的對比。熔融石英類模殼的高溫抗蠕變能力高，是因?yàn)槿廴谑⒃诟邷叵?約1200℃)發(fā)生了析晶反應(yīng)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣练绞?，如下圖7所示。實(shí)踐證明，在澆注溫度下，型殼中約70%熔融石英轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞ⅰ?/p>

(3)潰散性好。不同材料型殼殘余強(qiáng)度見表5，熔融石英在高溫下晶化轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞ⅲS著鑄件冷卻，型殼溫度下降至230℃左右，發(fā)生相變，方石英存在著高低溫轉(zhuǎn)變，從高溫型轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏匦停瑫r體積發(fā)生驟變(2.8%)見圖7，無數(shù)裂紋隨之產(chǎn)生，模殼殘余強(qiáng)度大幅降低，潰散性好，脫殼性得到很大改善，容易脫殼和清理，能夠有效抑制鑄件在清殼過程中產(chǎn)生的裂紋。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)的莫來石料制殼工藝等相比，熔融石英對細(xì)孔窄槽有很好的潤濕性，高溫強(qiáng)度高，能很好解決鑄件細(xì)孔窄槽類等問題，降低澆注過程中漏鋼等問題，能夠代替陶瓷型芯，節(jié)約成本，縮短周期；與傳統(tǒng)的莫來石料制殼工藝等相比，熔融石英高溫晶化，低溫相變，潰散性好，能有效降低清殼過程中導(dǎo)致的鑄件裂紋問題，使鑄件容易清理干凈，能夠降低勞動強(qiáng)度，并提高產(chǎn)品質(zhì)量；采用熔融石英涂制殼的試驗(yàn)對象件已合格入庫，合格率90%以上，說明熔融石英在深孔窄槽類零件制殼工藝上，能夠代替陶瓷型芯，縮短研制周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，具有較高的優(yōu)越性。

[1]曲衛(wèi)濤.鑄造工藝學(xué)[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社,1996.

[2]陳冰.制殼耐火材料新秀——熔融石英一國外精鑄技術(shù)進(jìn)展評述(5)[J].特種鑄造及有色合金,2005(5).

[3]籍君豪,徐廣民.熔融石英在硅溶膠型殼中的應(yīng)用[J].鑄造,2008(8).

黃秋玉(1987— ),女,株洲中航動力精密鑄造有限公司技術(shù)員。