【文章內(nèi)容簡介】 造的制殼方法在 泡沫模表面制備陶瓷型殼，最后在真空下重力澆注成形。該工藝具有諸多優(yōu)點：泡沫模樣結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活、尺寸穩(wěn)定、收縮小、成本低，能夠生產(chǎn)中大型復(fù)雜精密鑄件；澆注前脫去泡沫模樣，可避免消失模鑄件易出現(xiàn)的氣孔、夾雜和增碳等缺陷；鑄件同時具有熔模鑄造精鑄件的質(zhì)量，且克服了熔模鑄造難以生產(chǎn)大件以及成本高的不足。 這種工藝具有旺盛的生命力 ,具有許多顯而易見的優(yōu)點和廣泛的應(yīng)用范圍 ,贏得了鑄造界的關(guān)注。英國 Foseco 公司最早建立了 Replicast CS 工藝車間，用以批量生產(chǎn)質(zhì)量達 50kg 以上的鐵、鋼、青銅等鑄件，其中生 產(chǎn)的最大鑄件質(zhì)量可達 450kg。 我國對 Replicast CS 工藝的研究始于 90 年代，其中沈陽鑄造研究所、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和南昌航空工業(yè)學(xué)院等單位進行了相關(guān)技術(shù)的研究。 1991年沈陽鑄造研究所、清華大學(xué)以及沈陽第一閥門廠將該新工藝成功地應(yīng)用于G125Q41F16P21不銹鋼球閥鑄件的生產(chǎn)，鑄件尺寸精度達到 CT46級，表面粗糙度 m，并很好地解決了消失模鑄造碳鋼和不銹鋼鑄件的增碳問題。 Replicast CS 工藝的研究主要集中在以下幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)上：泡沫模樣制備陶瓷型制備，泡沫 模脫去技術(shù)（失模工藝）及焙燒等工藝。以下主要闡述泡沫模和型殼制備，失模、焙燒工藝等關(guān)鍵技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 氣化模用原材料及成型工藝研究現(xiàn)狀 Replicast CS 工藝對泡沫模樣性能具有以下要求：密度小、強度高、表面質(zhì)量好、收縮量小和發(fā)氣量低等。按照上述要求對國產(chǎn)原材料進行了優(yōu)化并與國外同類產(chǎn)品進行比較 ,用于 EPCCS 復(fù)合工藝的聚苯乙烯珠粒與 EPCV 工藝用聚苯乙烯珠粒不同 , 其中可發(fā)性聚苯乙烯珠粒（ Expandable Polystyrene，簡稱 EPS）的性能、珠粒預(yù)發(fā)泡工 藝和發(fā)泡成型工藝等都對最終泡沫模質(zhì)量有直接影響。為獲得優(yōu)質(zhì)氣化模要采用高密度、粒徑小而均勻的聚苯乙烯珠粒 , 沈桂榮、李德成等對聚苯乙烯珠粒材料的選擇集泡沫模成型工藝進行了研究得出用于Replicast CS工藝的聚苯乙烯珠粒應(yīng)具有高密度和小顆粒，其粒徑為 ～ mm,密度為 0. 1～ 0. 3 g/ cm3,可用于 EPCCS復(fù)合工藝作氣化模的聚苯乙烯珠粒的性能見表 11。 表 11 聚苯乙烯珠粒的性能 余歡等人對大型薄壁零件的泡沫模樣的成型工藝進行了研究。指出珠粒粒徑越大，預(yù)發(fā)后堆密 度越大；隨著發(fā)泡成型時間延長，模樣密度減小。預(yù)發(fā)珠粒的堆密度與最終模樣密度基本一致。他還對薄壁泡沫模的尺寸收縮特性進行了研究，得出泡沫模的尺寸收縮率與其發(fā)泡成型后的冷卻速率有關(guān)，冷卻速率越大，收縮率越大，而泡沫模密度越大，收縮率越??；泡沫模發(fā)泡成型后，在存放過程中會有一定量的收縮，為了提高泡沫模樣的精度，應(yīng)嚴格控制泡沫模成型后的冷卻條件和存放時間，盡量提高泡沫模樣密度。 氣化模的成型包括 :制做氣化模用模具的設(shè)計與加工 ,可發(fā)性聚苯乙烯珠粒的預(yù)發(fā)、干燥熟化 ,氣化模的蒸氣成型工藝等。該工藝的突出特點是用氣化 模來代替熔模精鑄的蠟?zāi)? ,因此制造優(yōu)質(zhì)氣化模是 EPCCS 復(fù)合工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一。聚苯乙烯的預(yù)發(fā)采用熱水預(yù)發(fā)工藝 ,預(yù)發(fā)過程中要加入適量的分散劑 ,避免珠粒預(yù)發(fā)時粘結(jié) ,同時要嚴格控制預(yù)發(fā)溫度和時間 ,使預(yù)發(fā)后聚苯乙烯珠粒的體積質(zhì)量為 g/ cm3 左右。只有達到該體積質(zhì)量的預(yù)發(fā)聚苯乙烯珠粒具有較高的再膨脹能力 ,成型后可得到表面光滑、輪廓清晰、尺寸精確、密度適宜的氣化模 ,通過試驗確定可發(fā)性聚苯乙烯珠粒最佳熱水預(yù)發(fā)工藝見表 12。 表 12 熱水預(yù)發(fā)工藝參數(shù) 預(yù)發(fā)后的可發(fā)性聚苯乙烯珠粒要在 干燥的空氣中放置一段時間 ,讓空氣滲透到珠粒的泡孔內(nèi) ,使珠粒變得干燥而有彈性 ,這個過程稱為熟化。預(yù)發(fā)后的聚苯乙 烯珠粒含水量很高 ,必須進行干燥 ,由試驗確定可發(fā)性聚苯乙烯珠粒熱水預(yù)發(fā)后的干燥熟化工藝如下 :干燥熟化溫度為 50 ℃ ,干燥熟化時間 12 h ,干燥時為加快速度可以鼓風(fēng) ,風(fēng)速以不使聚苯乙烯珠粒沸騰為限 ,干燥后聚苯乙烯珠粒的含水量 (質(zhì)量分數(shù) )應(yīng)小于 1 %。氣化模的成型方法很多 ,一般根據(jù)加熱方式不同分為 : ①熱水成型法 。 ②蒸氣成型法 。 ③蒸氣沖擊成型法 。 ④高頻感應(yīng)加熱成型法等。 其中應(yīng)用最廣、使用效果最好的是蒸氣成型法和蒸氣沖擊成型法 ,根據(jù)工廠的應(yīng)用情況主要研究蒸氣成型法。蒸氣成型法是用過熱水蒸氣作為載熱體 ,將裝滿預(yù)發(fā)的可發(fā)性聚苯乙烯珠粒的型 (型壁裝有排氣塞的鋁合金模具 )放入蒸氣室 ,通入過熱蒸氣 ,熱蒸氣通過排氣塞進入母型內(nèi)加熱珠粒 ,使其發(fā)泡并保持到聚苯乙烯珠粒再發(fā)泡終了為止 ,此法設(shè)備簡單 ,成本低 ,通過試驗確定了蒸氣成型法工藝見表 13所示 。 表 13 蒸氣成型工藝 經(jīng)過檢測 ,氣化模的密度 ～ g/cm3,抗壓屈服強度 ～ MPa ,氣化模時效時間為一周 ,線收縮率 % ,在 60 ℃以下氣化模的尺寸穩(wěn)定。 陶瓷型殼制備工藝研究現(xiàn)狀 陶瓷型殼鑄造法始于 20世紀 50年代，由英國人肖氏兄弟（ Cliffordamp。Shaw）試驗成功并獲得生產(chǎn)陶瓷型專利權(quán)，故又稱肖氏法（ Shaw Process）。它是在砂型熔模鑄造的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鑄造新工藝。陶瓷型是由硅酸乙酯水溶液和耐火度高、熱膨脹系數(shù)小的耐火材料如石英砂、鋯英砂、剛玉等再催化劑的作用下經(jīng)灌漿、結(jié)膠、起模、噴燒和焙燒等工序而制成的。陶瓷型鑄造的主要特點有： （ 1） 陶瓷型鑄造的耐火材料在高溫下熱穩(wěn)定性高； （ 2） 陶瓷型鑄造的模具使用壽命高于機械加工方法制成的模具； （ 3） 陶瓷型的耐火度高，高溫性能穩(wěn)定，可用來澆鑄多種合金，如高溫合金、合金鋼、碳鋼、鑄鐵、銅合金、鋁合金等； （ 4） 陶瓷型可鑄造重量高達十幾噸的精度要求高的鑄件； （ 5） 由于陶瓷型鑄造有灌漿工序，且工藝過程難以實現(xiàn)機械化和自動化，故不適合生產(chǎn)批量大、重量輕和形狀復(fù)雜的鑄件。 EPCCS復(fù)合鑄造用型殼厚一般為 3～ 4 mm ,因此型殼必須具有足夠的強度。型殼是經(jīng)配料，浸涂料，撒砂，干燥硬化和高溫焙燒等工序而制成。通常，型殼應(yīng)具有以 下要求：常溫強度和高溫強度高，殘留強度低，高溫下不發(fā)生變形，熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱性好，有良好的透氣性、熱震穩(wěn)定性、熱化學(xué)穩(wěn)定性、脫殼性以及耐火度高等性能。 制備型殼的材料主要包括粘結(jié)劑、耐火材料和撒砂材料等。涂料由粘結(jié)劑和耐火粉料配成，是型殼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其分為面層和加固層。面層涂料與金屬液直接接觸，其應(yīng)為平整、致密、光滑的工作表面，并保證不與金屬液發(fā)生作用。加固層涂料是用來加厚和加固型殼，保證型殼具有足夠的強度。常作為面層型殼材料有鋯砂，電熔剛玉和熔融石英；作為加固層材料多用鋁 硅系耐火材料，如高嶺土熟料，莫 來石，鋁礬土和煤矸石等。 涂料常用的粘結(jié)劑主要有水玻璃、硅酸乙酯和硅溶膠三種。這三種粘結(jié)劑制備的型殼各有優(yōu)缺點。水玻璃型殼采用化學(xué)硬化，強度建立快，型殼濕強度大，制殼周期短，價格低廉；但型殼表面質(zhì)量差，尺寸精度低，高溫強度低，抗變形能力差。硅溶膠型殼高溫強度好，高溫抗變形能力強，熱震穩(wěn)定性高，且型殼表面質(zhì)量好；為水基粘結(jié)劑，型殼不需要化學(xué)硬化，使用方便，環(huán)境衛(wèi)生；但型殼干燥速度慢，濕強度低，制殼周期長。硅酸乙酯型殼室溫和高溫強度高，抗變形能力強，鑄件尺寸穩(wěn)定性好，采用氨氣干燥硬化，生產(chǎn)周期短；然而溶劑乙醇易于揮發(fā)，不利于環(huán)保，且其高溫強度不如硅溶膠型殼，價格昂貴。 目前，國內(nèi)外主要采用硅溶膠為粘結(jié)劑制備陶瓷型殼，主要由于硅溶膠型殼具有較高的高溫強度和較好的表面質(zhì)量，且無污染，是一種綠色粘結(jié)劑。然而硅溶膠型殼主要通過干燥失水進行硬化干燥，水分蒸發(fā)較慢，若型殼干燥不徹底就涂掛下一層涂料，型殼會產(chǎn)生溶脹、剝落，因此硅溶膠制殼周期長，嚴重影響了制殼效率，為了解決這一問題，目前國內(nèi)外開發(fā)出快干型硅溶膠，旨在縮短制殼周期，提高生產(chǎn)效率，取得了一定效果。制殼材料確定后 ,型殼質(zhì)量決定于制殼工藝。針對不同的零部件，我們可采用 不同的涂料和粘結(jié)劑。本論文在實驗中會詳細說明。 研究課題目的、意義及內(nèi)容 研究目的及意義 鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用，使用量僅次于鋼。同時在資源重復(fù)利用方面鋁合金還具有便于回收再利用的特點。鋁合金的優(yōu)良性能使其成為現(xiàn)有的被應(yīng)用在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)展最快的合金材料之一。隨著汽車 輕量化的要求，以及近年來制造節(jié)能減排汽車理念的提出，更為重要的是， 中國鋁土礦資源較為豐富，鋁土礦保有基礎(chǔ)儲量在世界上居第七位，儲量在世界上居第八位。 資源汽車工業(yè)將加快對鋼制產(chǎn)品的替代工作。因為用鋁合金制作汽車零件，在保證汽車強度的前提下可以大大減輕汽車的總成質(zhì)量以減少汽車燃料的消耗。從鋁資源上講，鋁在地球上儲存量非常豐富，可以被大規(guī)模發(fā)掘利用。因此我國作為未來汽車產(chǎn)品的巨大潛在市場，加速鋁合金相關(guān)的成型研究具有重大的意義。目前實際應(yīng)用的鋁合金零件成形方法主要是鑄造成型為主，其中壓力鑄造技術(shù)是目前為止比較成熟 的應(yīng)用面較廣的鋁合金鑄造方式。但是壓力鑄造成型的鑄件尺寸及復(fù)雜程度有限，在面對小批量零件生產(chǎn)時鑄造成本過高，并且壓力鑄造受設(shè)備及金屬模具的限制，并不能完全滿足現(xiàn)代工業(yè)對大型鋁合金構(gòu)件的需求，限制了鋁合金在大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用中的推廣。所以在鋁合金鑄造成型方面具有鑄造靈活性高的的鑄造工藝被越來越多人研究探索。 進氣管是汽車發(fā)動機的重要零部件之一。若進氣管內(nèi)壁光滑，可減少氣體的流動阻力，提高發(fā)動機功率。用砂型鑄造方法生產(chǎn)的進氣管不僅管道內(nèi)壁粗糙，而且容易出現(xiàn)偏芯現(xiàn)象，使管道壁厚不均勻。由于目前的大多數(shù)鑄造工藝在生產(chǎn)較 大尺寸的復(fù)雜薄壁精密鑄件時經(jīng)常遇到許多問題，比如成形困難、鑄造缺陷多、品質(zhì)低等。本研究進行了在真空低壓消失模殼型鑄造技術(shù)中，基于泡沫模樣的高質(zhì)量型殼制備材料及工藝的選擇及優(yōu)化，主要將進行消失模殼型鑄造陶瓷型殼制備工藝優(yōu)化研究，旨在為鋁合金進氣歧管消失模殼型制備提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。而這對于國防、航空航天、汽車工業(yè)行業(yè)等領(lǐng)域都有極其重要的意義。 研究內(nèi)容 本課題將現(xiàn)有鑄造技術(shù)中的消失模鑄造、熔模鑄造、真空鑄造有機結(jié)合在一起，用其所長，避其所短，通過實驗研究對消失模殼型復(fù)合鑄造工藝展開 探索。該工藝吸取了消失模鑄造的工藝優(yōu)點，在原有的 EPS白?；A(chǔ)上采用熔模鑄造的制殼工藝，避免了熔融鋁合金與 EPS模型的直接接觸。并且利用無粘結(jié)劑的干砂填充，負壓澆注，克服鋁合金消失模鑄造充型能力不足。針對鋁合金進氣歧管消失模殼型鑄造陶瓷型殼制備工藝優(yōu)化研究，致力于獲得具有周期短、成本低及性能優(yōu)良的適合鋁合金精密成形的復(fù)合型殼制備工藝。具體研究包括以下幾個方面： 研究鋁合金消失模殼型復(fù)合鑄造的制殼材料與工藝。通過選擇合適的型殼提高型殼的燒結(jié)強度；同時選擇合適的制殼工藝與材料，提高型殼的干燥速度。 選擇合 適的澆注系統(tǒng)減少零件成形過程中的缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 第二章 鑄造結(jié)構(gòu)分析 鑄件材料 分析 鑄件材料的特點 本文研究的鑄件材料是鋁合金，故鋁合金的特點主要是： （ 1）質(zhì)輕 鋁及鋁合金密度接近 3gcm，是鐵和銅的三分之一。在材質(zhì)輕量化的當代工業(yè)中扮演著不可或缺的角色。 （ 2）耐腐蝕性好 鋁的表面易自然產(chǎn)生一層致密牢固的三氧化二鋁保護膜，能很好的保護集體不受腐蝕。通過人工陽極氧 化及著色，可獲得良好的鑄造性能的鑄造鋁合金或加工好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好的變形鋁合金。 （ 3）強度高 鋁及鋁合金的強度高，經(jīng)過一定程度的冷加工可強化基體強度，部分牌號的鋁合金還可以通過熱處理進行強化處理。 （ 4）導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好 導(dǎo)電性能僅次于銀、銅和金，顯然成本低廉，是電導(dǎo)線的常用材料。 （ 5）加工性能和表面處理性能佳 通過添加其他金屬元素，可獲得鑄造鋁合金和變形鋁合金，可加工成各種工業(yè)需求的零件。 （ 6）焊接性能好并且無低溫脆性，常常用在船舶行業(yè)中。 鑄件材料的設(shè)計要點 消失模 精密鑄造是在