（材料加工工程专业论文）新型焓变涂料及其在薄壁件铸造技术中的应用.pdf

摘要 随着凝固理论和凝固技术的发展，砂型薄壁铸造由于其冷却速度小等缺点， 造戍铸件凝固组织粗大，使合金性能偏低，己不能满足生产优质铸件的要求。因 此会属型薄壁铸造以优良的铸造质量和优异的铸件力学性能而得到广泛应用。但 是由于金属型的激冷作用，冷却速率很大，充型困难，并使得薄壁铸造过程中易 产生冷隔、浇不足、铸件表面桔皮组织等而使铸件质量下降，限制了金属型薄壁 铸造的应用。因此，如何提高薄壁铸件在会属型中的充型能力成为制约金属型薄 壁铸造应用的一项瓶颈技术。 本文系统的阐述了造成金属型铸造中薄壁铸件充型能力不足的原因，并且总 结了提高会属型薄壁铸造过程中充型能力的方法。从提高涂料绝热性能和涂料放 热两方面入手，研究了提高金属型铸造中金属液充型能力，并不致降低铸型冷却 能力的方法。以a 3 5 7 合金的薄壁铸造为研究对象，研制出了适用于此合会的焓 变涂料。 在原始会属型绝热涂料中加入合适的还原剂，使其能在金属液浇注过程中的 高温下放出热量，改善金属液的充型能力。本文研制了含镁粉和加入氧化铁等两 种氧化锌涂料，实验证明，后者能使金属液的充型能力有较大的提高，并且不降 低铸型的冷却能力。 同时，本文还研究了涂料对铸件的冷却速度和微观组织的影响，研究结果表 明加入氧化铁涂料能满足a 3 5 7 合金的使用要求。并且对a 3 5 7 合金铸件的t 6 热 处理工艺进行了探讨，研究了热处理前后合会中各成分的演化行为，并且找出了 最佳的t 6 热处理工艺。 关键词：金属型薄壁铸造，焓变涂料，a 3 5 7 合金，t 6 热处理。 a b s t r a e t w i t ht h ed e v e l o p i n go fs o l i d i f i c a t i o nt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e s t h i n w a l ls a n d m o u l dc a s t i n gw i l lb es u b s t i t u t e db yd i e c a s t i n g f o r i n c r e a s i n g t h e c o o l i n g r a t e h o w e v e r d i e - c a s t i n gh a sd a s hc o l de f f e c te s p e c i a l l yf o rt h et h i n w a l lc a s t i n g w h i c h w i l lb r i n gc o l ds h u t s ，r u n n i n gi n s u f f i c i e n c y e t c a n dm a k et h eq u a l i t yo fc a s t i n g d e c l i n i n g t h e r e t b r e i m p r o v i n gt h ef i l l i n gc a p a c i t yb e c o m e s ac o r ep r o b l e ml i ht h e a p p l i c a t i o no fd i e c a s t i n gi n t h i n - w a l lc a s t i n g t h i s p a p e re x p l a i n s t h er e a s o n sf o rt h ed e f i c i e n c i e so ff i l l i n gc a p a c i t y i n t h i n w a l ld i e - c a s t i n g t w ow a y so r et u r n e do u tf o ri m p r o v i n gt h ef i l l i n gc a p a c i t yi e h e a t i n s u l a t i n gc o a t i n ga n dh e a t r e l e a s i n gc o a t i n g t h ec o m m e r c i a la 3 5 7a l l o y w a s u s e da st h ee x a m p l e sf o rt h ee x p e r i m e n tt ot e s tt h ep e r f o m a a n c eo f t h ec o a t i n g t oc o m m i n g l es o m e a p p r o p r i a t er e d u c i n ga g e n t si n t ot h eh e a t i n s u l a t i n gc o a t i n g r e l e a s e sh e a tt h r o u g hr a d i a t i v er e a c t i o n , h e nb e a tb ym e l t i n gm e t a ld u r i n gf i l l i n g p r o c e s s i t c a l l i m p r o v et h ef i l l i n gc a p a c i t yt w o k i n d so fz i n co x i d ec o a t i n gw i t h a d d i t i o n so fm go rf e 2 0 3p o w d e r sr e s p e c t i v ew e r et e s t e d 。i ti sf o u n dt h a tt h el a t t e r o n e i sb e t t e r t h ei n f l u e n c eo ft h ec o a t i n g so nt h ec o o l i n gr a t ea n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h e c a s t i n gw e r ea l s os t u d i e d t h er e s u l ts h o w t h a tc o a t i n gw i t hf e 2 0 3p o w d e ri sm u c h m o r es u i t a b l e t h e7 6h e a tt r e a t m e n tt e c h n i c so fa 3 5 7a l l o yc a s t i n gh a sb e e na l s o d i s c u s s e di nt h i s p a p e l t h ee v o l v e m e n tb e h a v i o r so fs i ，m 9 2 s ie t a c o m p o n e n t s d u r i n g h e a tt r e a t m e n th a v eb e e n i n v e s t i g a t e d t h eo p t i m i z e dt 6 h e a tt r e a t m e n t p a r a m e t e r s w a sa l s oo b t a i n e d k e yw o r d s ：t h i n w a i lo fd i e - c a s t i n g ，e n t h a l p yc h a n g i n gc o a t i n g ，a 3 5 7a l l o y s t 6h e a tt r e a t m e n t 西北工业大学硕上学位论z 第一章文献综述 1 1 研究背景 随着工业生产，特别是航空航天技术的发展，对优质铸件的需求越来越多。 而优质铸件不仅要求具有较高的强度和较好的塑性，而且要求具有优良的铸造 性、可焊性等综合性能。铸造a l s i m g 系a 3 5 7 合金在经过热处理后可以挟得优 良的比强度等综合性能，因而广泛的应用于优质铸件的生产，特别是在航t l 航天 等工业部门，a 3 5 7 合金具有更大的应用空间。 随着科学技术的发展，合金力学性能的不断提高使许多零部件有向轻型化、 复杂化和薄壁化发展的趋势。对于大型薄壁及形状复杂的优质铸件，_ 业巾常采 用砂型低压铸造的方法生产。用砂型铸造，由于冷却速率小，凝固组织粗人，合 金性能往往偏低，满足不了生产优质铸件的要求。因此，用金属型来替代普通砂 型，利用金属型的快速冷却能力来提高a 3 5 7 等合金大型薄壁铸件的力学性能就 成为一种必然。但是金属型在加快了冷却速度的同时带来了充型、铸造质量不稳 定等方面的问题，例如容易出现冷隔、挠不足等铸造缺陷。因此如何提高博壁铸 件在金属铸型铸造中的充型能力以及减少铸件中的缺陷就成为了个急需解决 的课题。 众所周知，铸型涂料在金属型铸件的质量控制中起着极其重要的作月j ，通过 改进涂料在金属浇注过程中的功能来提高金属液在金属型中的充型能力成为一 条重要的途径。提高充型能力不外乎两种方法，其一是减少在金属液浇注过程中 热量的散失，即提高涂料的绝热性能，这可以通过更换绝热性能更优良的耐火骨 料或者是增加涂料的厚度来实现：其一二是在金属液浇注过程中涂料能够放出热 量，即利用焓变放热来减少熔融金属液在浇注过程中的散热。其中第利，乃式在 薄壁铸造中经常采用“l ，而第二种方法，却在涂料的使用中几乎没有报导一般 所用的焓变涂料皆是通过在铸型的某些部位的涂敷化学热铁或冷铁，以控制铸件 各部位的冷却速率和凝固顺序 1 0 l ，以实现铸件的顺序凝固，减少铸件中的缺陷， 提高铸件性能。 本课题的研究就是基于此种情况，希望能找到一种适用fa 3 5 7 合金薄壁铸 件金属型铸造的放热涂料，在提高金属型铸造时金属液充型能力的同【i 、f l j 损炙金 属型的导热能力，保证铸件的力学性能达到较高的使用要求。 第一章z 献练述 1 2a i s i m g 系列a 3 5 7 合金的性质1 2 2 i 铝的密度小，塑性高，具有优良的导电和导热性，表面有致密的氰化膜，抗 腐蚀性能好。铸造铝合金是在纯铝的基础上加入其他金属或非金属元素，小仅能 保持纯铝的基本性能，而且由于合金化及热处理的作用，使铝合金具有良好的综 合性能。因此铝及铝合金近2 0 年来获得了突飞猛进的发展，并在工业上占有越 来越重要的地位。不但大量用于军事工业，农业，轻工业，重工业和交通运输事 业，也广泛用作建筑结构材料，家庭生活用具和体育用品等。应用比较广的铝合 金主要有：a l s i 系合金，a 1 c u 系合金，a i m g 系合金，a l z n 系合金和a l r e ( 稀土) 系合金等5 类。本课题所研究的a 3 5 7 合金就属于a l s i 系铸造铝合金 中的一种。这类合金中s i 是作为主要合金化元素加入的，具有较好的铸造性能， 浇注时液体金属的流动性好，热裂倾向小，s i 的加入可以减少疏松，提高气密性， 获得致密铸件，同时具有好的抗蚀稳定性和中等的切削加工性能。 1 2 1a i s i m g 系a 3 5 7 合金的特点 工业中常用的a i s i m g 系合金有3 5 6 、a 3 5 6 、3 6 0 、t e n s 5 0 和a 3 5 7 ( 美 国牌号) 等五种，其相应的中国牌号和成分如表11 所示。 表1 1 砧s i m g 系列合金成分 t a b l e1 1t h e c o m p o s i t i o no f a l m g s ia l l o y s 对应的中主要元素成分( ) 美国牌号 国牌号 s i m g t i 其他 a l a 3 5 7z l l l 4 a65 751 ) 4 5 06 5t l1 0 02 0 b e ( ) ( j 4 ) 0 7 余量 3 5 6z l l 叭65 75 ( j2 5 04 5 余量 a 3 5 6z l l o l a65 75i ) 2 5 04 500 8 02 0 祭量 3 6 i lz l l 0 480 1 05【1 1 7 03 余量 t e n s 5 0z l l l 665 罐5( ) 3 5 05 50 1 0 o3 0b e 0l5 - i ) 4 i ) 余量 a 3 5 7 合金具有很高的力学性能和很好的铸造性能，即很高的强度、好的韧 性和很好的流动性、气密性和抗热裂性，能铸造复杂形状的高强度铸件，卜要用 来生产高强度优质铸件。a 3 5 7 合金的力学性能主要取决于合金的化学战分、熔 体处理、铸造方法及工艺和热处理工艺等四个方面。 通过熔体处理可以减少合金中有害化学成分的含量，改进铸造方法可以改变 西北工业夫学硕士学位论文 铸件中各部分的晶粒状况和细化晶粒，从而提高铸件的力学性能。热处理是提高 a i s i m g 系合金性能的有效途径，而固溶处理是热处理过程中的重要一环固 溶处理是把铸件加热到尽可能高的温度，即接近于a 1 s i 共晶体的熔点，在凌温 度f 保持足够长的时间，并随后快速冷却，使强化组元在a a 1 中最大限度的溶 解，进而提高铸件的强度和塑性，改善合金的耐腐蚀性能。同时，通过后续的时 效处理获得弥散强化的效果。固溶处理温度、保温时间和淬火冷却速度是影响固 溶处理效果的三个重要参数，尤其是固溶温度和保温时间，如果选择不当，则会 产生组织过烧，强化元素未充分固溶等问题，从而使合金的强度和塑性大幅度地 降低，甚至导致铸件的报废。 而对于a l s i m g 合金的杂质也需要严格控制 5 7 1 。在杂质元素中，f e 对铸造 a l s i m g 合金危害最大，它与a l 、s i 、m g 等元素易形成脆性的金属问化合物， 严重降低材料的韧性。在含f e 的a 1 一s i m g 合金的凝固过程中，可以彤成多种含 铁化合物，即q 相( f e 2 s i a l 8 ) ，0 相( f e s i a l 5 ) 和相( f e m 9 3 s i 6 a 1 8 ) ，其中b 相对合金的机械性能的影响最为严重。随着b 相呈粗大状沉淀析出，将导致延展 性、冲击韧性和抗断裂韧性的降低。这是因为呈板片状析出的p 相，将会割裂 a al 基体，产生应力集中和裂纹源。当铁相界面处的裂纹或基体中的裂纹扩展 到铁相界面时，就使合金发生局部脆性断裂。铁相的形状越细、薄、长，就越容 易发生局部脆断，铁相也越容易在断裂过程中与基体脱离，从而使合金的= = 玎塑性 下降“。表t 2 给出了a t s i - t n g 系列合金允许的杂质含量。 表1 2a 卜s i - m g 系合金杂质含量 t a b t e1 2i m p u r i t yc o n t e n to fa t m g s ia 1 1 0 y s 杂质含量( ) 合金 f e 杂质总和 代号 c uz f lm ns np b s j h j ： 5 60 50 9o 2030 3 500 1( ) 0 5l ( )1 4 a 3 5 60 2( ) 2o 10 10 1o 0 lo 0 3( j 6( ) 6 ： 6 ( )0 60 9o10 2 500 l0 0 51 l1 4 t p n s 5 ( )o 6( ) 6o 3o0 l( ) 0 51 01 o a 3 5 7o ：0 3o 1( ) 0 10 【) 5( j81 0 注：s 表示砂型铸造 第一章妇畎综述 i 一表示金属型铸造。 1 2 2 提高a 3 5 7 合金性能的方法 1 1 7 】 a l m g s i 合金的性能主要是由合金成分、熔体处理、热处理工艺决j 的， 因此提高a l s 卜m g 合金性能的方法可以从以下几个方面入手： 1 ) 严格控制合金中f e 元素的含量。在合金熔炼和浇注过程中尽可能的减少 引入铁元素的可能，不仅需要采用高纯度的金属炉料，还必须严格控制熔炼操作 工艺，尽量不使用铁质熔炼工具，避免金属液和炉料与铸铁坩埚和铁质熔炼工具 直接接触。若要使用铸铁坩埚和铁质熔炼工具则其表面必须均匀涂敷有足够厚度 的粘附牢固的防护涂层。还要严格控制冠炉料的用量，防止圉过多使用刚炉料使 熔炼的合金大量增铁。但是有文献1 2 , 7 表明，即使使用高纯度炉料，尽量减小或 避免使用铁质工具、严格控制容易增铁的各操作环节的条件下浇注的a 3 5 7 合金 铸件中，也有少量的铁的含量。因此，在严格控制增铁因素的同时，岜应采取一 些改善合金中铁相形态的措施，例如采取金属液过热处理，合金化( 添加适量的 b e 元素等) 和变质处理，以及加快合金液的冷却速率等； 2 ) 通过加入适量的晶粒细化剂如t i 和b 等元素，用以细化铸件的晶粒，提 高铸件的力学性能；在熔体中加入适量的s r 元素可以改善s i 等厄索任铸件中的 形态；同时在熔体处理过程中还需要进行严格的除气除渣等工序，减少凝过程 中的缺陷，从而提高铸件的机械性能； 3 ) 对于a 3 5 7 合金铸件，热处理强化的主要方法就是进行淬火加人工时效。 热处理方法虽然能改善a 相和n 相的形态，提高含铁量较低时a 卜s 卜m g 合金的 性能，但是却不能改变b 相在n a 1 中的形态，也就无法提高存在b 相( 含铁量 相对较高) 时的力学性能，因此提高a 卜s i m g 合金铸件的力学性能需要拒完善 a 3 5 7 合金热处理工艺的同时还要注意合金纯度的控制手段的运用。减少铁等杂 质的含量： 1 2 3 a 3 5 7 合金铸件的常见缺陷 a 3 5 7 合金铸件中具有以下常见的缺陷：气孔、疏松、夹杂、夹渣、裂纹、 偏析、偏析瘤和成分超差等1 2 2 】。 4 西北工业夫学6 吐t 学位论 通过严恪控制a 3 5 7 合金熔炼成分、在金属熔炼过程中严格进行除气除渣等 操作过程、改善铸件的铸造工艺等方法可以减少铸件中缺陷的数量和尺寸：改善 铸件的热处理工艺、在金属熔炼过程中加入适量的晶粒细化剂t i 和变质剂s r 等 元素，同时优化铸件的铸造工艺参数加快铸件的冷却速率，减小涛件- p 晶粒的尺 寸、二次枝晶间距和改善铸件中各种杂质相的形态，可以提高铸件的力学哇能， 从而扩大a 3 5 7 合金的适用范围【”i 。 1 3 金属型铸造的特点及发展概况【”】 用铸铁，钢或其他金属材料制造铸型，并在重力下将熔融金属浇入铸型获得 铸件的_ 艺方法称为金属型铸造法。金属型铸造俗称硬模铸造、铁模铸造、永久 型铸造等。古代金属型称为铁范。金属型铸造法既可以用金属芯，也可以用砂芯 取代难以抽拔的金属芯，因此具有较广泛的应用领域。金属型铸造既适用f 大批 量生产的形状复杂的铝合金、镁合金等非铁合金零件，也适合于黑色金属的成型 铸件、铸锭及棒才等。由于金属型具有很多优点，故广泛地用于生产发动机、仪 表、农机等零件。 l 。3 。l 金属型铸造的特点1 1 9 j 金属铸型以金属为铸型材料，与砂型相比较，具有导热系数大，热容小等特 点，由此决定了金属型铸造有其自身的特点： 1 ) 由于金属型冷却速度快，具有激冷效果，使铸件晶粒细化，组织致密， 从而提高j ，铸件的力学性能；同时也加速了铸型的周转速度，提高j ，生产率； 2 ) 金属型尺寸准确，表面光洁，从而提高了铸件的尺寸精度及表面质量； 同一铸型可以反复使用，节省了造型时间，也不需占用太大的造型面积，u j 以提 高铸造车间单位面积上的铸件产量： 3 ) 金属型易于实现机械化、自动化，提高劳动生产率，减轻工人劳动强度， 适合于大批量铸件的生产： 4 ) 因为金属型对铸件的冷却速度快，改变了金属的凝固条件，减少j 应对 铸件进行的补缩，所以铸件的浇冒口尺- 寸n 应减小，液体金属利用率提高： 5 ) 金属型排气条件差，工艺设计难度较大，而且必须根据产品、产戢，实 第一蕈乏献综述 现操作机械化，否则并不能降低劳动强瞍： 6 ) 金属型机械加工困难，制造周期长，一次性投资高，所以用金属型生产 必须有一定的批量；而且新产品试制时，需对金属型进行反复的调试，才能得到 合格铸件，而当型腔定型厚，工艺调整和产品结构修改的余地很小。 1 3 2 金属型铸造工艺 金属型铸造的工艺过程主要包括了铸型的预热、涂料的配制和涂敷、合金液 的熔炼以及合金液的浇注( 包括合金熔炼、浇注温度和浇注速度等的选择) 等四 个环节。下面予以简要说明。 1321 金属型涂料的涂敷 金属型在涂刷涂料之前必须预热，然后再涂刷涂料，这样可以使涂料e l ，的分 散剂迅速蒸发( 不出现流淌现象) ，使涂料能涂挂于金属型表面，并易使涂料喷 刷得均匀，获得层紧密附着的涂料层：但是预热温度也不宜过高，否则使分散 剂蒸发过快，于涂层中形成孔洞，减小涂层的附着力，使涂料容易剥落。儿种合 金铸件喷刷涂料前金属型预热温度见表1 3 所示。 表l3 喷刷涂料前金属型预热温度( o c ) t a b l e1 3t h e w a r m - u pt e m p e l - a t u r eo f d i e m o u l db e f o r ec o m i n g ( 。c l 铸造合金预热温度 铸造合金预热温度 铸铁8 0 1 5 0镁合金1 5 ) 2 怅 铸钢1 0 0 2 5 0铝合金 1 5 【l 2 0 1 】 1 3 2 2 金属型浇注前的预热 由于二金属的快速导热能力，如果在金属型温度较低时进行浇注，不仪容易产 生各种铸造缺陷( 如冷隔、浇不足等) ，而且由于剧烈的急冷和急热作用t 保护 金属型和提高金属型的寿命非常不利，因此在液体金属浇注之前要进行预热。下 面给出了金属型浇注之前进行预热所具有的益处： 1 ) 避免液体金属冷却速度太快，造成气孔、冷隔、浇不足、缩彳l 、键纹等 铸造缺陷； 2 ) 保护金属型，避免急冷、急热而剧烈收缩和膨胀，延长其使用寿命； 3 ) 减轻铸件包紧力，利于脱型。 西北工业大学硕士学位论文 但是预热温度也不应太高，否则会导致铸件力学性能下降，冷却时间延长 降低劳动生产率，缩短金属型寿命。浇注前的预热温度一般就是铸型的工作温度 表1 4 给出了几种合金浇注前金属型的预热温度。 表l4 浇注前金属型预热温度( o c ) t a b l el4t h e w a r m u pt e m p e r a t u r eo f d i e m o u l db e f o r ec a s t i n g ( 。c ) 铸造合金铸件特点预热温度工作温度 灰铸铁 2 5 ( j 一3 5 ( 1 2 0 0 铸钢1 5 卜3 0 0 8 种 铝合金一般件2 0 f ) 一3 0 02 f ) f l 3 i j l 薄壁复杂件 3 ( 1 【卜一3 5 【l 3 i l ( 卜一3 5 i ) 镁合金一般件2 ( j 0 3 5 02 0 0 3 5 【l 复杂薄壁件3 0 1 ) 一4 0 0 3 ( ) ( ) 4 i m 1 3 23 金属型铸造时的浇注温度 金属型铸造时浇注温度应选择合适，浇注温度太高则铸件冷却缓慢，晶粒粗 大，力学性能降低，易形成气孔等缺陷：浇注温度太低则易导致浇不足、冷隔等 缺陷。因此，浇注温度应根据铸件结构及铸造工艺特点进行具体分析后选择，其 选择应包括以下因素：铸件结构、金属型预热温度、浇注速度、浇注系统等。表 1 5 给出了金属型铸造时几种合金的浇注温度。 表1 5 金属型铸造时几种合金的浇注温度( 。c ) t a b l e1 5 c a s t i n gt e m p e r a t u r eo fs e v e r a l k i n d se l a ll o y s ( o c ) 铸造合金铸件特点浇注温度铸造合金铸件特点 浇注温度 球墨铸铁 1 3 6 0 一1 4 ( 1 ( j 铝合金 铝铜合金 6 8 lj 7 4 0 可锻铸铁1 3 2 0 1 3 5 1 ) 铝硅合金 6 8 l 一7 8 0 普通碳索钢大件 1 4 2 0 1 4 4 ( ) 。 镁合金 7 2 ( ) 一7 8 0 中、小件1 4 2 0 1 4 5 0高锰钢1 3 2 l 1 3 5 0 1 3 3 金属型铸件的特点 金属型。些特性决定了其铸件与砂型相比有以下特点： 1 ) 金属型生产的铸件，具有高强度、高硬度、高致密性、高耐腐蚀，p e ： 2 ) 铸件尺寸精度和表面粗糙度优于普通砂型铸造铸件，故便于使用孥用切 第一章芏献综述 削加工机床及专用工卡量具： 3 ) 一般铸件没有粘砂层，切削加工效率高 4 ) 浇注系统及冒口数量减少、尺寸减小，故金属的工艺出品率高，铸件成 本相对降低： 5 ) 由于金属型型腔是用机械加工方法制造的，故铸件形状不能太复杂，并 要考虑铸件从金属型中脱出的可能性，以及铸件不能太大，壁不能太薄。表16 给出了不同金属型铸件的大小对应的最小壁厚。 表1 6 金属型铸件最小壁厚 t a b l e16t h et h i n n e s tw a l lo f d i e c a s t i n g s 铸件外轮廓尺寸铸钢件灰铸铁可锻铸铁铝合金镁合金铸件 ( n u n )( m i )( r a m )( m m )( m m )( m r n ) 1 5 0 1 5 01 06 _ 5 1 3 4 金属型铸造的传热特性1 0 , l l 当液态金属浇注入金属铸型后，随即形成一个铸件一中间层一金属铸型的传 热系统。金属型铸造时，中间层由铸型内表面涂料层和因铸件冷却收缩或铸型膨 胀所形成的间隙组成，其导热系数要远远小于铸件和铸型的传热系数，如表17 所示。 表l7 金属和涂料原材料的导热系数 t a b l el7t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f m e t a l sa n dr a wm a t e r i a lo f c o a t i n g s 材料名称铸铁铸钢铸铝铸铜白棉石垩 导热系数 3 954 642 7 263 9 09 ( ) 1 ( j2u6 08 i w ( m k ) 】 材料名称粘土氧化锌氧化钛硅藻土 氧化铝石墨 导热系数 06 081 04【) 0 4l8 1 37 i w ( m k ) 1 在对液态金属浇注后铸造金属、涂料( 中间层) 、铸型之间的传热过程，进 行简化之后( 降温曲线简化为直线) ，获得如图1 1 所示传热过程2 i ， 西北工业大学硕士学位论z t t 铸型铸件 固l液 图11 一维导热的铸件凝固过程传热分析 f i g 11t h e r m a lc o n d u c ta n a l y s i so f s o l i d i l i c a t i o np r o c e s si b ro n ud i m e n s i o nc o n d u c t i v ec a s t i n g t k 凝固界面温度t m o 铸型原始温度t 。l 一铸件与铸型界面铸件侧温度 t 。r 铸件与铸型界面铸型侧温度 对简化条件分析及解析之后可以得出【1 2 1 丢毒砉瑙私五 - ， 式中，。分别为铸件、界面和铸型的热阻。由式( 11 ) 可以看出 热阻大的环节温度降就大，成为传热的控制环节。对于金属型铸造，通常 ， 么 五，五 e n 由此可以得出， 金属型铸造的传热主要受中问层的传热过程控制。 由以上分析可知，通过调节中间层的热阻( 如改变涂料层的成分或厚度) ， 可以控制铸件的凝固速度。还需指出的是，除了涂料层影响铸件的凝固速度外， 另一个重要因素就是金属型本身，尤其是当不涂涂料或涂层很薄时，金属 咝的影 响就更为明显。金属型对铸件凝固速度的影响，主要与金属型材料的热物 理性能，金属型的壁厚及金属型的冷却条件等有关。 但是，总的来说，在金属型铸造时，铸型中涂料的导热性对于铸件一司层 一铸型系统的热交换过程起着主导作用，它不仅关系到铸件的凝固过程嘶儿也关 n n 。b 手 第一蕈芏献综述 系到铸件的充填成型过程，可以说涂料在金属型铸造中起着最重要的作刷 1 3 s 金属型铸造中常见的缺陷 金属型铸造中常见的缺陷有以下几种：气孔( 气泡、呛孔、气窝) 、缩孔及 缩松、渣孔( 溶剂夹渣或金属氧化物夹渣) 、针孔、裂纹( 热裂纹和冷裂纹) 、冷 隔和浇不足等。 通过改进浇注工艺，如浇注温度，预热温度，浇注速度和涂料的性能等，同 时优化金属铸型设计、改善金属型冷却条件等，可以减少铸件中缺陷，提高金属 型铸件的质量和铸件的力学性能。 1 4 铸造涂料的作用及发展概况 铸造涂料作为铸造的辅助材料，在铸造过程中起着非常重要的作用。往铸造 材料和铸型类型确定之后，铸件的质量和铸件的力学性能很大程度上取决j ：涂料 的质量和涂料涂敷工序。因此无论是铸造工艺的研究人员还是工厂的生产l 二人都 非常注重涂料在铸造过程中的作用，无论是理论还是实践，铸造涂料的研究都是 热门课题。下面简要介绍铸造涂料发展的现状和趋势。 1 4 1 铸造涂料的组成和作用 1 4ll 铸造用涂料的组成成分 常用的涂赳均由下述五神基本成分构成： 1 ) 耐火骨料形成涂层的主体部分，般为细粉状耐火材料，主要有硅藻 土、氧化锌、氧化镁、石墨等； 2 ) 粘结剂使耐火骨料附着于铸型之上，主要有水玻璃、纸浆废料、糖浆 等： 3 ) 载体溶解粘结剂并携带耐火果料渗入砂粒之间的空隙或在铸犁表面形 成涂层，主要有水和醇两类； 4 ) 悬浮剂分散粉料，使涂料为稠体： 5 ) 助剂使粉料或涂层性能改善的添加剂。涂料中助剂主要有表面活性剂、 两北工业犬学硕 学待论t 消泡剂、防腐剂、抗氧化剂、流变促进剂、芳香剂等；涂层中助剂有氧化荆、助 熔剂等能析出光亮碳的有机物，高退让性物质等。 1 412 铸造涂料的分类 各种涂料根据不同的分类方式可以分为不同的类男u ，现根据涂料的功设可将 其分为下述五类： 1 ) 抗粘砂型涂料： 2 ) 表面调节型涂料( 包括晶核型涂料和合金化型涂料) ： 3 ) 脱模型涂料( 也称润滑型涂料) ； 4 ) 蓄热效应型涂料( 包括绝热型涂料、普通型涂料和传热型涂料) ： 5 ) 焓变型涂料( 即通过涂料在高温下发生放热或吸热反应而改变铸型某些 部位的导热能力，实现顺序凝固等工艺要求) 。 1413 涂料在铸造过程中的作用 涂料作为铸造工艺过程的辅助材料，虽然在铸造过程中占不大的比重，而且 其价格与铸件相比也不足为重，但是其好坏对铸件的质量有较大的影响，作用不 容忽视。涂料在铸造过程中其作用如下： 1 ) 防止粘砂，便于铸件的清理，并降低铸件表面粗糙度，提高铸件表面质 量： 2 ) 涂料中的有机物和其他易分解成分受热分解，可以为型腔创造特殊的恰 当的气氛，防止铸件表面层增碳或被氧化； 3 ) 调整铸件表面成分和表面结构，包括使表面晶粒细化或合金化： 4 ) 为某些刚性较强的铸型提供一变形层，以削弱铸件的内应力，减少开裂， 并可以改善铸型的排气条件； 5 ) 为金属型提供保护层，从而提高金属铸型的使用寿命： 6 ) 提高砂型的表面强度和耐火度，使有机粘结剂砂型扩大使川范围； 7 ) 改变铸型各部分的导热系数，从而便于实现铸件的顺序凝固。 1 4 ，i4 焓变型涂料使用时所需要注意的事项 随着铸造技术的发展，为实现铸造过程的某些特殊要求，如实现顺序；疑固， 防i i 二铸件的某些部位因冷却速度过快或过慢而产生铸件质量和机械性能的f 降 第一荤芏献综述 等情况，可以在涂层的相应部位加入化学热铁或冷铁，改变这些部位的冷却条件， 优化铸件的冷却顺序和速度，从而出现了一种新型的涂料，即焓变涂料。焓变涂 料在使用过程中有其自身的特点，应该注意以下几点： 1 ) 化学反应的焓变值应足够大，焓变值越大，作为冷铁或热铁的效果越好， 否则会囡涂料层过厚而失去使用价值： 2 ) 发生反应前不能有气、液二相存在，否则无法将涂料均匀地固定在铸型 表面上： 3 ) 发生化学反应的温度不能高于液态金属的温度，否则化学反应不能进行： 4 ) 发生化学反应的温度应高于铸型的烘干温度，否则，因烘_ 卜时涂料已失 效而无法使用； 5 ) 化学反应前后，均不与铸型及金属液发生化学反应，或者即使发生了物 理化学作用，也对铸件质量无危害，甚至反而有益： 5 ) 化学反应后，涂料的导热系数应尽可能的大，以利于快速导热，姗陕铸 件的冷却速度，细化晶粒，提高铸件的力学性能。 1 4 2 金属型涂料的特点及作用 l4 2l 金属型涂料的特点 由于金属型铸造与砂型铸造两者之间有较大的差异，因此决定r 金属型铸造 涂料具有其自身的特点，现介绍如下： 1 ) 由于金属铸型刚性较大，控制涂料层厚度，可使铸件在凝固的过程中获 得一定的容让，以减少铸件内应力和发生开裂现象； 2 ) 涂料为金属型提供绝热保护层，可提高金属型反复使用的次数： 3 ) 变更涂料的材料和涂层厚度，并配合金属型导热性好的特点，可以在铸 件内建立起有利于冒口补缩的凝固顺序； 4 ) 利用涂料有利于铸件脱模，防l 粘结和氧化物堆积，控制由铸造合金向 金属模具传递的热流，并可以改善铸件表面光洁度。 总之，在金属型铸造中，涂料的主要作用是在铸型与浇注金属之问建、i 起绝 热隔离层，在大多数情况下要求涂层在高温下既不与金属也不与铸型发q i f e 何化 学反应。m i n i ，生产质量优良的铸件需要控制铸造合金充填金属型腔矧蓖：i ；= 属型 西北工业大学硕士学位论芏 腔内凝固的全过程，因此金属型涂层最重要的功能就是使金属型具有绝热层并控 制热流由铸造合金向金属型腔内的传递，达到控制铸件质量的目的。 1 422 铸造涂料在金属型铸造中所起的作用 金属型内表面涂敷涂料的作用如下： 1 ) 减低高温液态金属对金属型的“热击”作用，减小型壁的内应力。由于 液体金属充型速度快，将会造成型壁内外温差较大，内应力很大，涂料导热能力 差，可削弱受热的剧烈程度，起到保护金属型的作用； 2 ) 用耐热涂料将液体金属和型壁隔开，避免发生熔焊现象，保护金属型不 被烧伤； 3 ) 根据工艺要求，对金属型型腔表面不同部位，喷涂不同成分的涂料并控 制涂料层的厚度差异，促使铸件按规定的方向顺序凝固，便于铸件最后凝固处设 置冒口，以提高冒口补缩能力； 4 ) 因涂料的保温作用，减少了型壁对液体金属的吸热速度，有利于液体金 属的流动性，改善充型条件，而且涂料具有一定的排气作用，利于金属型的排气 效果： 5 ) 使铸件表面光洁，减小铸件包紧力便于脱型。 1 4 3 铸造涂料的发展趋势【8 1 9 】 涂料是铸造中的辅助材料，其在铸造过程中的使用，对铸件质量有很夫的影 响。2 l 世纪铸造技术的发展趋势是近净型和绿色集约化铸造，同样铸造涂料的 发展电要顺应铸造技术的发展方向，在铸件精密化，提高铸件品质，节约资源， 保护环境等方面发挥涂料的作用。2 0 世纪8 0 年代以来，国内涂料技术获得r 飞 速发展，涂料的品种日益增多，性能不断提高，基础研究逐渐深入，涂料的功能 亦更加丰富。近年来出现的流涂、非占位涂料( 亦称转移涂料) 及环绕粉术喷涂 等工艺标志着涂料涂敷模式的深刻变化。而消失模( e p c ) 、真空造型法( v 法) 等铸造新工艺对涂料提出了一些新的要求。 p 而分别从涂料的品种、涂料的性能和涂敷的方法及设备等，一i 个方面粜说明 铸造涂料的发展趋势。 第蕈献综述 l43l 涂料的品种 未来涂料的品种将更加多样化，归结起来主要有以下几个发展趋势： 1 ) 发展水基涂料水基涂料价格低廉，安全可靠，性能稳定，运输方便， 清洁无污染。因此，水基涂料是未来涂料发展的方向，其缺点是水的蒸发速度较 慢，需耍辅助干燥措施，增加了设备投资和运行费用，因此开发水基快干涂料是 涂料研究的一个重要课题1 2 1 j ； 2 ) 发展特种工艺专用涂料其中包括消失模涂料，真空造型( v 法) 涂料 非占位涂料( 转移涂料) ，流涂涂料，湿型砂涂料： 3 ) 发展功能涂料现代铸造涂料的功能正在不断扩展，铸造涂料既可用来 防止铸件粘砂，又可通过配入一些特殊成分而具有某中特殊功能，目前的功能涂 料有下面几种：表面合金化涂料，孕育涂料，防渗碳渗硫涂料等； 4 ) 发展无骨料涂料顾名思义，无骨料就是铸造涂料中不含耐火骨料，这 是因为在液压阎等小型复杂铸件的生产中，经常因涂层局部过厚而引起铸件尺寸 超差。由此，而研制的一种不含耐火骨料的抗粘砂涂料，该涂料有高温粘结荆， 常温粘结剂，熔剂及增稠剂等组成。 5 ) 发展醇基粒状涂料醇基涂料属易燃危险品，运输周期长，费用高，而 且由于醇基涂料的悬浮稳定性较查。涂料在长途运输和存放过程中易产生板结， 因此，歼发醇基粒状或粉状涂料是一个发展方向： 6 ) 开发新型及复合耐火骨料 7 ) 开发新型高性能抗粘砂涂料 】432 涂料的性能 未来对铸件的表面品质和尺寸精度的要求会越来越高，无疑对涂料的性能也 会有越来越高的要求。近年来，流变学的发展，极大的促进厂砂型涂料的发展， 涂料的悬浮性，流平行，触变性等有了很大提高。目前涂料性能研究的重点有以 下几个； 1 ) 提高醇基涂料的悬浮性和流平性 主要是通过对膨润的改性和、 找新 型的悬浮剂等方面的研究来提高其性能： 2 ) 提高消失模涂料的性能现阶段通过提高涂料的透气性，改磐润泓性和 附着。r ：以及改善涂挂性等方面的研究来提高其性能： 西北工业大学硕学位论芏 3 ) 加强对流涂涂料的流变参数控制由于流涂涂料对涂料的性能要求较高， 性能控制不当时会出现堆积、波纹、涂层过薄、厚度不均等缺陷： 1433 涂敷方法及设备 近年来，国内外在涂料涂敷方法及设备方面取得了很多新进展，一方卣，传 统的喷涂方法及设备有了很大改进，另一方面，一些新的涂敷方法 = i 相继出现。 未来涂料涂敷方法的发展趋势有以下几个方面： 1 ) 开发更好地保证铸件储存精度和表面品质的涂敷方法发展非占位涂料 涂敷方法可以改变传统的涂料涂敷模式，可达到高精度、高光洁度铸件的要求； 2 ) 开发高效率，高品质的涂敖方法流涂涂料涂敷方法具有涂层平整光滑、 无刷痕、趣涂效率高等特点，耳前国内已有流涂机产品； 3 ) 开发新型涂敷工艺和设备研究开发静电粉末喷涂及粉末环绕喷涂法等 喷涂机； 1 5 本文的研究内容及方法 1 s 1 研究内容 在实际生产中，a 3 5 7 合金的薄壁铸件一般采用砂型铸造的力法生产。由于 型砂导热系数小，铸件冷却速度慢，使铸件的晶粒粗大，力学性能下降。i 町如果 采用金属型铸造，则由于铸件壁薄，冷却速度快则金属液的充型能力不够，产生 浇不足、冷隔、凝固不均匀等缺陷，而且会产生桔皮状表面的现象，使表向质量 下降，造成铸件尺寸精度不合格，并使铸件达不到工艺要求。基于这种情况，本 课题的研究就是要研制一种适用于a 3 5 7 合金的金属型薄壁铸件的放热涂料，使 其达到以下目的： i ) 能在金属液充型时瞬间放热，促进金属液充型，提高其觅型能力： 2 ) 金属液完全充型之后，涂料停止放热，同时涂料的反应产物具有较强的 导热能力，使铸件快速冷却，提高铸件的力学性能。 1 5 2 研究方法 为达到上述研究结果，其具体方案为： 1 ) 设计适当的金属铸型，使其通过充型高度达到测试金属液充型能力的目 第章献综述 的，并得出充型能力提高幅度的量的指标； 2 ) 选用适当的原始涂料，在其中加入适当的涂料成分，最终使涂料中的成 分能在低于浇注温度下发生放热反应； 3 ) 进行实验，通过实验数据验证改进后涂料与原始涂料相比，对金属液的 充型能力的提高，并测量其提高量； 4 ) 测试铸件的冷却曲线和对铸件的微观组织进行对比分析： 5 ) 测量铸件的化学成分，并比较原始涂料一侧与改进涂料一侧成分的区别， 判断改进涂料对铸件的化学成分的影响。 参考文献 i l l 祝汉良郭景杰等固溶处理对a 3 5 7 合金组织及力学性能的影晌宇航材料【艺， 1 9 9 8 t ( 1 ) ：2 2 - 2 6 【2 】祝汉良，贾均a 3 5 7 合金中铁的有害影响铸造，1 9 9 6 ( 5 ) ：9 - 1 2 ，4 8 【3 1 l ip e i y o n g j i aj u n ，g u oj i n g j i e ，l ip e i j i e s h a og a o l i a n g e f f e c to f 拖ns u p e r h e a t i n go n m i c r o x t r u c t u r ea n d 拓 翻浩耐p r o p e r t i e so f a 3 5 74 7坳trattsnorderrousm e t s o cc h i n a s e p1 9 9 7 ：9 4 - 9 8 【4 】l ih u 句i l i uc h a n g m i n g l ig e s h e n g x u eh a n s o n gm o d i f i c a t i o ne f f e c to l c m t h a n u m r i c h m i s c h m e t a l o n a 3 5 7 a l l o y q ! ! ! s lq g 鳗l a 丛s 2 ( 0 1 ，v o l1 9 n ol4 9 5 2 【5 】祝汉良郭景杰，贾均等t i 细化a 3 5 7 铝合金中的析出相金属学报2 0 ( 1 0 f tl ：1 7 2 0 【6 】祝汉良贾均郭景杰等高强韧a 3 5 7 合金凝固组织及热处理工艺的研究特种铸造 及有色金属1 9 9 7 ，f 1 ) ：2 2 2 4 7 1 瞿学良工艺因素对铸造a 1 s i - m g 合金机械性能的影响江苏广播电砚夫学学报 2 ( 1 0 ltr 1 2 1 ：5 0 - 5 2 1 8 1罗吉荣黄乃瑜铸造涂料的发展趋势勺若干建议铸造1 9 9 9 ，( 6 ) ：5 0 5 2 【9 】宋会宗黄乃瑜周静一铸造涂料技术的发展趋蚺铸造技术，2 0 1 1 ，f 5 ) ：2 8 3 2 【1 0 i 曾昭昭特种铸