几种铸造工艺在汽车零件上应用研究

1第一章 概 论1.1 课题的来源、背景及意义现代汽车的发展不仅是朝着品种的多样化方向进行，而更是以汽车的性能为重点，结合人们生活发展的需要，做到价廉、质轻、省油、环保。本课题来源于汽车系电动汽车开发项目，如下图 1.1 是该次试验所要研究的产品。图 1.1 产 品该产品是铝合金铸件。根据图 1.1，可以看出该产品特点是结构紧凑而复杂，并且生产中对该产品的要求是精度高。经分析研究，结合实际情况，我们可采用消失模铸造、精密复合铸造、石膏型铸造对该产品进行研究和探讨。但是这三种方法都是建立在消失模的基础上的。因此，我们需要对消失模技术进行比较系统的认识和了解。进入八十年代以来，采用干砂消失模铸造法(EPC 技术)生产铝合金汽车铸件在欧美得以迅速发展。干砂消失模铸造是一项完全不同于传统湿砂型铸造的全新技术。采用该技术代替传统湿砂型进行生产，具有铸件质量高、生产成本低、结构设计自由度大、易于实现自动化生产、应用范围广等许多优点。该铸造技术可实现铸件的轻量化和精密化，铸件的尺寸精度可达 CT6-8 级，表面粗糙度 Ra6.3-12.5um,与传统砂型铸造相比，可减少加工量 1030%，降低投资成本 1540%，并显著提高生产效率，改善工作环境，2实现清洁生产。该技术是铸造工艺的一个重要发展方向，被誉为二十一世纪的铸造技术 1。1.2 消失模的国内外现状及其发展1.2.1 国外的发展1962 年美国人 M.C.Flemings 开始用干砂和 EPS 模生产铸件 2。80 年代初，干砂消失模铸造专利的失效以及试验研究取得的进展，为这一新工艺的工业应用提供了极好的机遇。福特汽车公司率先在加拿 Essex 工厂建立了生产 100 万只铝进气歧管的高度自动化消失模铸造生产线，揭开了这一新技术在先进工业国家飞速发展的序幕。在不改变原设计及结构的前提下，采用干砂消失模铸造法生产的铝进气管铸件比普通砂型铸造法生产的重量轻 20%左右，成本约下降 20%，而发动机功率可提高 4%左右。1990 年通用汽车公司在 Saturn 建成占地面积 10 万 m2 年产铸件 5.5 万吨的新铸造厂，全自动的 EPC 生产线有三条，其中一线生产 319A1 四缸体，二线生产两种型号的319A1 汽缸盖，三线生产珠光体球铁曲轴和两种型号的传动差动壳体。 Fiat 和 Fata 公司在意大利建造了两个车间，用该法专门生产汽车发动机进气管，其中一个车间在生产率为 50 型/小时的自动线上生产铝进气管，一个铸型可生产四个管件。英国 Perry Bar Mefal 公司已将金属型浇注法生产铝合金铸件改为气化模铸造法生产。目前，该公司向市场提供发动机进气管、水泵和压气机壳体及其它零件。90 年代，德国大众投资2000 万美元建造了四缸铝合金缸体生产线。宝马汽车公司建成了年产 20 万件的六缸铝合金缸盖生产线。日本、荷兰等国也在稳步发展 EPC 技术，使之在铸造生产中发挥其特有的优势。可见，EPC 技术己经在工业发达国家稳定地发展起来，发达国家投入了相当的人力和财力研究和开发干砂消失模铸造技术，并取得了巨大成功。对于复杂消失模铸件，其公差可达到石膏型铸件的水平。1.2.2 国内的发展390 年代以来，我国消失模铸造技术得到了较大发展。但我国消失模铸造工厂生产铸件的品种基本为铸铁和铸钢件。目前，我国采用消失模铸造正式大批量生产铸铝件的厂家仅第一汽车厂一家。第一汽车集团轻型发动机厂从美国 VULCAN 公司引进了制模成套设备及振动台，与国内其它设备配套组成生产线，用于大批量生产 CA488 发动机铝合金进气管，已于 1993 年正式投产。当前我国 EPC 技术水平与工业发达国家相比，无论在零件的品种、复杂程度和铸件质量、在机械化、自动化程度、生产效率方面，或者在基础研究方面，都有着较大的差距。工业发达国家己将先进的气化模铸造工艺应用于铝合金缸体、缸盖、进气歧管、曲轴箱、复合功能部件等。零件复杂程度高、铸件尺寸精度高、表面粗糙度小。而我国目前生产的铸件品种还少，复杂程度和质量比国外还差一个档次。工业发达国家在 EPC 技术的成套问题上解决得比较好，分工合作，使 EPC 技术总体水平迅速提高。我国 EPC 技术的成套化工作还比较差，尚停留在单枪匹马、小而全的阶段，新建的一些生产线生产规模及机械化程度比较低，还没有自动化的生产线。在基础研究方面，工业发达国家对于 EPC 法的几个关键技术(如气化模材料及制模技术、涂料技术、EPC 法充填特性的研究、干砂紧实特性的研究、工艺设计及废品分析)己经作了比较深入的研究，进行了比较长期的技术积累，为工业应用打下了较好的基础。譬如气化模材料及制模技术方面，制定了 EPS 的标准。研究了气化模的尺寸变化及影响因素，因而能获得比重小、表面光洁、尺寸精确、复杂程度高的气化模。对于 EPC 法充填特性的研究，不仅限于多触点法等工程测试方法，而且开始进行计算机数值摸拟，深入掌握特定条件下金属充填的规律，并注意它的实际应用，为解决相关的铸造缺陷提供了依据。而我国的 EPC 基础研究还很薄弱，有待加强这方面的研究。目前，我国对铝合金消失模铸造的某些关键技术尚未掌握，如某厂使用进口 EPS 原始珠粒，且使用美国Ashland 化学公司专用涂料，在实际生产中还是发现当浇注温度较低时铸件成形不良，易产生冷隔和浇不足等铸造缺陷。当前，针孔严重、气密性差，铸件渗漏率甚至高达30%左右，不得不采用浸渗工艺进行补救，从而增加了工艺的复杂性，提高了生产成本。另有一个厂花费 4000 万元巨资从国外引进了成套设备与工艺技术，至今己经五年尚未投入生产。其中，技术上就是铝铸件气密性的问题未能得到解决，给国家造成了巨大经济损失。综上所述，我国与发达国家在消失模铸造技术方面存在很大的差距，国外消失模铸造技术对外极为保密，我国尚未完全掌握国外采用干砂消失模铸造生产铝合金铸件的诀窍，以致铸件针孔严重，气密性差。其技术关键主要体现在涂料研究、铝液高温4(760-800oC)处理、铸造工艺的优化设计以及各工艺参数的正确选取。因此，有必要结合我国的生产实际围绕减少铝铸件的针孔开展干砂消失模铸造铝合金的研究。1.3 铝合金消失模铸造研究现状1.3.1 充型特性充型特性的研究主要包括铝液流动前沿的流动形态、铝液的流动性、充型速度和影响充型的因素(包括模样材料、涂料、浇注温度、真空度、浇注系统设计等) 三个方面。许多研究者采用各种方法, 如冷淬法、高速摄影法、电极触点法等对不同形状的铝合金铸件的流动形态进行了观察。研究结果表明,铝合金消失模铸造的充型与空腔铸造的充型的流动形态有明显的不同。空腔铸造时,金属液的流动受重力的影响比较大,先从下部充填, 然后逐步向上推进,最后充填部分在顶部。而消失模铸造时,金属液流动前沿的流动形态总是以内浇道为中心呈放射弧状依次向前推进,逐层对泡沫模样进行置换,最后充填的部位为离内浇道最远处。负压的引入可能产生附壁效应,即在负压作用下,金属液先沿铸型壁流动。严重的附壁效应会导致厚壁铸件产生夹杂及气孔缺陷。S. Shivkumar3采用热分析法和高速摄影法研究了铝合金充填条形试样时的流动性,结果表明提高静压头、增加试样尺寸均可提高铝液的流动速度以及流动长度。文献4的研究表明,铝液充型前沿热解产物主要为液态,气态产物较少。铝液充型速度主要受模样材料的液态热解产物渗出涂层的速度所控制。施加负压, 提高浇注温度均使流速增加。研究还表明,铝合金消失模铸造充型速度比空腔铸造慢得多的主要原因是EPS 模样热解消耗大量的铝液热量,使铝液充型前沿温度下降, 同时热解产物在铝液与EPS 模样界面上起阻挡作用。而有人却指出,浇注铝合金时存在一个临界温度,在临界温度以下时,液态分解产物较多,提高浇注温度有利于充型速度的提高;而在临界温度以上时,浇注温度的提高促使更多的气体产生,会降低充型速度 5。S. Sh ivkumar认为浇注系统性质显著影响着金属液的充填形态; 并指出, 水平浇注时充填速度先快后慢, 而垂直浇注则先慢后快再慢。有的学者认为, 在阶梯式浇注方式中, 若采用实型直浇道, 则金属液从上内浇道开始流入型腔; 而采用空心直浇道,金属液则从下内浇道开始流入型腔。H. S. Lee6的研究结果表明, 采用顶注、侧注、底注方式均可, 但底注充型平稳, 有利于气体排放, 应优先选用。5魏尊杰 7研究了干砂消失模铸造铝液停止流动机理。在试验基础上建立了铝合金液停止流动物理模型, 并建立了铝液停止流动的统一判据。研究表明, 降低聚苯乙烯密度与气化潜热可以减少金属液流端部凝固壳层厚度或固液两相区的宽度, 而降低聚苯乙烯发气性, 提高涂料层透气性或减少涂料层厚度则可以减少金属液前端的气隙压力, 从而降低金属液充型时的流动阻力, 提高金属液的充型能力。杨军生 4的研究表明, 当铝液充型前沿达共晶温度时仍有显著的充型能力。认为: 随着铝液的充型,模样的激冷作用使铝液前沿出现凝固壳层, 铝液不断熔化和冲破此壳层而流动。当温度降至共晶温度时, 铝液靠其较大的潜热和较低的固相体仍然流动相当长的一段距离, 只有当前沿的固相率增大到临界固相率时, 流动才停止。1.3.2 模样热分解、传热传质特性模样的热分解方式以及生成的气相、液相和固相产物数量取决于金属液的浇注温度, 浇注速度以及聚苯乙烯材料的物理化学性能。文献 8采用DTA , TGA ,LO I 等技术研究了模样加热过程中的热破坏, 并给出了聚苯乙烯破坏的热谱图。研究表明, 在铝合金液浇注温度范围内(700800) , 模样基本上只分解成蒸汽状的液体馏分和一定量的气体, 燃烧只是有限地进行。J. Brenner认为聚苯乙烯是以缓慢的裂解方式形成二聚物、三聚物、单体很少。将一定量金属液滴过模样块, 测得模样分解的液相产物比气相产物多一个数量级。进一步研究指出, 在660900范围内, 模样发气量基本没有变化, 约为(20525)cm3/g。在消失模铸造充型过程中, 金属液与模样、涂料和干砂之间发生传导、对流、辐射等热量传递过程。S.Shivkum r 借助于计算机采用计算的办法计算了充型过程中铝合金的前沿温度。有人把模样消失归纳为一个有潜热的相变过程,确定了热解相变过程的数学模型。上述研究表明铝合金前沿存在较大的温度梯度。干砂消失模铸造的传质现象是指热解产物的型腔中的行为及通过涂层向干砂传输而排出的过程。在铝合金干砂消失模铸造中, 模样的热解产物是气液混合物, 且以液态为主。铝合金干砂消失模铸造时, EPS 热解产物在涂料中的传输是靠液态热解产物的润湿和渗透。有人实测了干砂中不同区域热解产物的灼烧减量。文献 4对液态热解产物通过涂层向干砂中的传输特性进行了研究, 应用LOI法对铸铝件铸型中的EPS 热分解产物残留量进行了分析, 研究表明, 液态热解产物通过润湿和渗透以及铝液的压力作用能迅速进入涂层及相邻6干砂中。当铝液前沿流过后, 涂层及邻近干砂中液态产物受铝液传热的影响进一步热解产生大量苯乙烯单体。通过不断蒸发和凝结传输到离铸件较远的干砂或空气中, 干砂冷到室温后, 在铸件附近区域的干砂内残留的主要是低分子聚苯乙烯及苯乙烯的氧化衍生物。1.3.3 模样材料、涂料铝合金干砂消失模铸造普遍采用聚苯乙烯泡沫材料(EPS)。聚苯乙烯模样性能是影响干砂消失模铸造过程的最重要因素之一, 包括聚苯乙烯气化潜热, 发气性及密度。当聚苯乙烯材质一定时, 降低模样密度可以著降低模样气化吸热以及热解产物对合金液充型过程的不利影响, 从而提高合金液的充型能力及铸件质量 , 但密度降低, 模样的强度和刚度将下降。一般要求模样密度大于0.018 g/ cm 3, 以保证模样具有足够的强度和刚度抵抗使用过程中的变形及机械破坏。聚苯乙烯珠粒成分, 分子量大及结构是影响聚苯乙烯模样气化潜热与发气性的最本质因素, 不同的模样材质可以具有不同的气化潜热值及发气性能, 而且相差很大。干砂消失模铸造过程中, 需要在模样表面涂挂一层耐火涂料。涂料对消失模铸造的成败起着关键性作用。涂料层的性状不仅影响模样热解产物的迁移, 而且与铸件表面缺陷、铸件精度乃至铸件内在质量等都密切相关。消失模铸造涂料与一般砂型铸造涂料相比有其独特性, 除了应具有一般砂型铸造涂料所要求的性能外, 消失模涂料尤其要求应有良好的涂挂性、滴淌性、透气性和强度。对于铝合金干砂消失模铸造, 为了提高铝液的充型能力, 涂料应具有良好的保温性能。在国外, 消失模铸造使用的涂料都是专利产品, 如英国Foseco公司研制Styromol 系列涂料,具有不同的保温性、透气性和耐火性。一些学者对消失模涂料的性能及其在铸型中的行为进行了研究。上野治已研究了涂层厚度对模样造型时变形量的影响, 认为当涂料层的厚度达到 0.3 mm 时即具有足够的强度保证模样的变形在很小的范围内。C. A. Goria认为如果涂料层太厚, 则在铸件表面很容易形成皱皮、光亮层或浇不足等缺陷。福特公司David强调, 消失模铸造涂料要有高的透气性以保证金属液具有较高的充型速度。文献 9认为涂料透气性对铸件尺寸精度及冶金质量有影响, 涂料透气性影响着热解产物的逸出、金属液的凝固特点以及铸件的显微组织。有人采用浇注试验研究了涂料对铝合金充型过程温度场、充型能力的影响, 并指出当其他条件一定时, 只有当涂料同时具有较高的透气性和保7温性时, 才能保证金属液具有较高的充型能力 10。1.4 目标及主要工作内容本文用消失模铸造、精密复合铸造、石膏型铸造这三种方法对产品进行本文用消失模铸造、精密复合铸造、石膏型铸造这三种方法对产品进行研究，以找出一种合适的工艺为目标。其具体工作内容是：利用消失模技术进行模样制作，然后对模样涂敷涂料、造型、完成浇注，最后对所做产品进行质量和工序对比。8第二章 模样的制造模样是消失模铸造成败的关键，没有高质量的模样，绝对不能得到高质量的消失模铸件。与传统的铸造方法相比，消失模模样除了保证有良好的外形尺寸和表面质量外，其内部质量也是影响铸件质量的关键因素。因为消失模的模样与金属液直接作用发生复杂的物理和化学反应。所以对模样的要求是：（1）模样表面必须光滑，珠粒间融合良好，其形状和尺寸准确地符合模样的要求。（2）模样内不允许有夹杂物，同时其密度不得超过允许的上限（密度通常为1625kg/m3 ） ，以使热解产物尽量少，保证金属液顺利充填，并且不产生铸造缺陷。（3）模样必须干燥处理后，才能涂敷涂料，以保证尺寸的稳定性。（4）模样还必须具有一定的强度和刚度，以保证后处理时不易被损坏。模样是通过泡沫塑料发泡而成，因此，发泡工艺对模样的质量起绝对作用。模样的生产工艺流程如图 2.1。模具图 模具发泡珠粒 预发泡 熟化 成形模样组合 冷却出模干燥铸件图零件图检验图 2.1 模样生产流程图2.1 模样材料的选取目前，在消失模生产实际中，对于不同的铸件其模样材料的选取也各有不同。比较常用的三种珠粒是 EPS、EPMMA 、STMMA。从分子结构看，EPS 分子中含有 8 个碳原子，碳占分子质量的 92%；而 EPMMA9分子中只含有 5 个碳原子，碳只占分子质量的 60%；因此，热解后 EPS 产生的炭渣多，对黑色金属会产生增碳现象，只适应于有色金属。从发气量和发气速率看，EPMMA比 EPS 大得多，其发泡剂含量一般比较高，通常在 10%以上 11，因而在浇注时，EPMMA 会产生反喷现象。但是 EPMMA 具有更好的阻隔性， ，同时细珠粒的发泡剂含量也能保持不变，因此用 EPMMA 模样能生产更薄的铸件（壁厚 2.02.5mm） ，同时EPMMA 的存储期在 6 个月以上。与这两种珠粒相比，STMMA 其性能介于两者之间，弥补了两者的缺点。由于本课题研究的减速器壳体为铝铸件，其结构比较复杂，壁厚最大处仅 7mm，大部分的壁厚只有 3mm。这对模样材料的选取提出了更高的要求，综合各方面，选取STMMA 作为试验用的模样材料。 ，在选取珠粒的大小时，根据模样壁厚大小，选取超细料 11作为预发泡珠粒。2.2 预发泡预发泡是为了获得密度低、表面光洁、质量优良的泡沫模样，它是可发性珠粒进行成形发泡之前必须进行的变质处理。进行预发泡最简单的方法是将预发泡珠粒放入 90o100oC 的热水中，煮大约