复合精铸工艺技术研究与应用--20131021.doc

复合精铸工艺技术研究与应用东风精密铸造有限公司 蓝勇 陈辉 陶思波 周春燕华中科技大学 叶升平摘 要：本文介绍了一种新型的复合精铸工艺，系统研究了EPS(可发性聚苯乙烯)模样制作与表面光洁化处理和制壳等相关工艺技术，解决了EPS模样表面质量差、模样收缩变形、制壳涂挂性差、模壳焙烧破损等技术难题，实现了EPS模复合精铸技术在汽车低合金复杂碳钢件中的大批量生产应用。结果表明，与低温蜡模料工艺对比，制模效率提高2倍以上，制壳模组总重量减少一半，免脱蜡，铸件尺寸精度达到CT6级，表面质量达到Ra6.3，满足汽车铸件质量要求，技术与经济效益显著。关键词：复合精铸 碳钢件 应用Research and application of composite investment casting technique Dongfeng Investment Casting Co., ltd. Lan Yong Chen Hui Tao Sibo Zhou ChunyanHuazhong University of Science and Technology Ye ShengpingAbstracts: This paper presents one new composite investment casting technique and systematically studies the related processes including pattern making, surface smoothing disposal and shell-making, etc. It has solved the following technical problems including poor surface quality, pattern contraction distortion, poor shell-making coating property and destroy in shells roasting. The EPS investment casting has achieved volume-production in complicated automobile lower alloy carbon steel castings. Compared with lower temperature wax process, it shows that: the pattern-making efficiency is increased by 2 times; total shell weight is decreased by 50%; it is free of dewaxing process; the dimension precision degree reaches CT6; surface quality reaches Ra 6.3. The quality specification of automobile casting is assured and technical and economical benefits are obviously improved.Key words: composite investment casting; steel casting; application前言东风精铸公司是国内规模最大的精铸企业之一1，主要以生产汽车零部件为主，开发的产品覆盖重、中、轻、轿、微、农、特的全系列车型，同时也包含部分铁路、农用、矿山等机械产品。东风精铸近年来致力于为用户提供产品轻量化设计及制造服务，为整车减重、减排及削减成本提供有利支撑，得到广大用户的认可，从而拓展了精铸件的市场份额。随着轻量化工作的深度展开，产品功能集成度得到了提高，精铸件逐渐朝着大型化方面发展，产品的大型化势必要求模组的大型化。另一方面，为了提高工艺出品率及生产效率，削减制造成本，也要求模组朝着大型化方向发展。公司现有的工艺为硅溶胶水玻璃复合型壳工艺，10kg以下的小件需要涂制68层的型壳，大件则需要涂制9层以上。如此多的制壳层数，带来的诸如原辅材料消耗过多、制壳劳动强度大、制壳效率低和焙烧能耗高等系列问题，大型铸件由于模壳太重（50kg以上），制壳操作问题更为突出。现有工艺制约了精铸件模组大型化的发展，不利于大件产品的开发及铸件制造成本的削减。为此，公司提出用EPS(可发性聚苯乙烯)模代替蜡模，采用35层复合型壳，焙烧后埋砂负压浇注或热壳浇注的新型铸造工艺，相关的研究工作也随之展开。1 国内的研究本课题所研究的复合精铸工艺是一种集成消失模铸造和熔模精密铸造两种工艺优势, 通过融合与创新后开发出的新型铸造工艺 2，国外称Replicast CS工艺，本文将其简称为EPS模复合精铸工艺。该工艺主要应用于各种少无切削精密铸件的生产，它可以有效的克服了熔模铸造难以用于大件以及成本高、工艺复杂的不足，采用负压造型实现了无粘结剂干砂造型，浇注前失模技术解决了铸钢件增碳问题，提高了铸件质量，减少了污染物的排放。因而它适用于包括低碳钢和合金钢在内的所有合金的铸造。这种工艺具有许多显而易见的优点，赢得了铸造界的关往，被认为是铸造行业具有广阔发展前途的一项突破性铸造工艺。但由于专利保护方面的因素，该工艺在国内外并没有得到广泛应用。沈阳铸造研究所、清华大学和沈阳第一阀门厂曾于1991年开发出了“塑料模精铸负压”复合铸造工艺，相当于Replicast CS工艺，但在10年的时间里该工艺仅应用于生产G125Q4lF16P-l型不锈钢球阀铸件34。安徽应流集团直接引进英国Replicast CS工艺的专利，在消化吸收的基础上于2008年3月申报名为“一种陶瓷壳消失模精密铸造工艺”的发明专利，由于生产成本高于熔模精铸的硅溶胶水玻璃复合工艺铸件的成本，批量应用的产品较少。在国内，对EPS模复合精铸工艺进行大批量工业化应用研究的企业很少，具体的工艺技术还有待开发。本课题所研究的工艺是一种有别于Replicast CS的新型EPS模复合精铸工艺，它在成本方面更具有优势。2 工艺路线工艺总体技术思路：采用消失模成型模样代替蜡模，按熔模精铸复合制壳工艺制备型壳，型壳焙烧后振动造型负压浇注或直接在线热壳浇注，生产出精度与熔模精铸相当的铸件。以下为具体工艺流程图：图1 工艺流程图图2 技术研究路线示意图3 制模制壳工艺研究3.1制模工艺3.1.1聚苯乙烯珠粒的选择相对于消失模铸造，EPS模复合精铸工艺要求铸件有更好的表面光洁度和更高的尺寸精度，这就要求EPS模具有强度高、表面质量好和收缩量小而且稳定等特点。通过对国产现有EPS珠粒比较，选择的珠粒规格如表1所示：表1 EPS珠粒规格项目粒径（mm）相对分子量可发倍率（倍）指标0.30.50（4.05.5）10415303.1.2 EPS模成型工艺EPS模成型工艺是EPS模复合精铸的关键技术之一，只有高质量的EPS模才能生产出高精度的铸件。采用蒸汽预发机对EPS珠粒进行预发泡，预发温度为85100。预发后的珠粒放到硫化床中干燥，待熟化4h后可进行成型发泡。根据公司的实际情况，采用蒸汽加热式半自动成型机作为成型发泡设备。通过试验，确定EPS模成型工艺如下：表2 EPS模成型工艺参数注料压力（MPa）蒸汽压力(Mpa)模具预热时间(s)入料时间(s)加热时间(s)冷却时间(s)0.30.50.070.0910158123040801003.1.3 EPS模表面处理工艺国产的EPS珠粒价格只有进口的三分之一，但带来的问题是生产的模样表面存在网纹，无法达到蜡模的水平。若采用进口的EPS珠粒，模样的表面质量提高了，但成本太高，无法批量应用。如何提高EPS模的表面光洁度决定着EPS模复合精铸工艺的成败，目前国内外尚无可推广应用的处理工艺。当小量生产时，国内厂家偶尔用表面光亮剂对EPS模进行表面处理，但效率很低，而且焙烧残留物较多，不适合于批量应用。经过多轮的试验，项目组最后开发出石蜡基表面处理剂和相关处理设备，经过表面处理后的EPS模，表面光洁度与蜡模相当，效率满足批量生产要求。处理效果见图3和图4。 处理前的EPS模表面图3 表面处理前后EPS模之间和铸件之间对比图EPS模处理过铸件表面未处理的铸件表面处理后的EPS模表面3.2超薄型壳制备工艺超薄高强度型壳制备是EPS模复合精铸工艺的另一项关键技术，国内外采用的是全硅溶快速制壳工艺5-9，制壳成本相对较高，而且国内外都申请了专利保护。东风精铸公司目前制壳采用的是硅溶胶水玻璃复合型壳工艺，制壳成本较低，铸件表面光洁度满足技术要求，但型壳强度比全硅溶胶型壳低。通过在涂料中加强化剂，提高现工艺型壳强度是比较可行的方案。经试验及批量验证确定的制壳工艺如下：表3 制壳工艺参数涂料层次涂料类别强化剂涂料粘度（S）撒砂备注面层硅溶胶+石英粉高聚物60-6580-120目莫来石砂第二层硅溶胶+石英粉18-2230-60目莫来石砂第三层水玻璃+莫来石粉铝、硅、硼系材料30-3616-30目莫来石砂用水玻璃预湿，三层半模壳第三层撒10-20目莫来石砂第四层10-20目莫来石砂半层不撒砂制壳层数一般为三层半至四层半，比传统精铸型壳减少三层，型壳厚度仅为原工艺的一半，制壳材料可减少50%，制壳劳动强度可降低40%，创新效果显著。4 失模和焙烧工艺研究4.1 EPS模加热温度与尺寸变化特性了解EPS模随温度升高其尺寸变化的规律，是制定合理的高低温失模工艺的前提条件。通过千分尺测出EPS试样在各温度点的尺寸值，并绘出相应的膨胀与收缩曲线。测试过程采用的试样尺寸为202025mm，密度为35kg/m3。图4 EPS模膨胀与收缩曲线从图4的曲线可以看出，EPS试样在80左右开始膨胀，在108附近膨胀达到最大值（约15%），之后急剧收缩，在130时收缩率达到了45%。4.2 失模工艺研究将EPS模去除掉的工艺称为失模工艺，失模是为了解决铸件增碳问题，同时可以减少碳缺陷。电阻炉（或焙烧炉）焙烧、点火燃烧、有机溶剂溶解均可不同程度达到去除EPS模的目的，选择一种高效经济环保的工艺方案是课题研究的重点。4.2.1电炉（焙烧炉）失模该失模可分为“低温失模+高温失模”和直接进行高温失模两种方式。低温失模是指失模温度300的失模过程，失模温度300为高温失模。EPS模在脱模过程中，其残留的发泡剂受热后体积膨胀，对型壳产生压力而易使型壳破裂，图4所示的曲线也说明了这一点。由于EPS外面包裹着模壳，所以其膨胀与收缩特性不完全与图4所示的曲线一致。表4是三层半模壳低温失模试验结果：表4 三层半模壳低温失模试验结果方案失模温度（）保温时间（min）模壳是否开裂白模状态18540否无收缩285、130各20是轻微收缩385、160各20是收缩约50%4100、160各20否收缩约50%5110 、160各20否收缩约50%6110、200各20否收缩约80%7130、200各20否收缩约80%8150、200各20是收缩约80%920040是收缩约90%1030040是EPS燃烧，残留碳黑表4结果表明，对于三层半模壳，比较合理的低温失模工艺为方案7：130进炉，保温20min后升温至200，再保温20min。对于四层半的模壳，低温失模无开裂现象，直接放入400950亦无开裂现象，故四层半模壳可直接进行高温失模。电炉（焙烧炉）失模的吨成本约为100元左右，是一种比较经济可行的失模方案。4.2.2点火燃烧失模该失模方案是直接采用高温火焰对准型壳浇口杯处的EPS模，促使其燃烧分解。随着EPS模的不断分解，高温火源需要由外向里进行调整，确保火焰对准EPS模未分解部分，以加快其燃烧分解速度。该工艺失模不彻底，仅适用于形状简单的零件，无法工业化应用。图5和图6是一个简单产品模壳点火燃烧失模10min后的效果图。图6 本体无变化图5 浇注系统失模彻底4.2.3有机溶剂失模考虑到成本、环保和效率方面的因素，选择环保的消泡还原液（由上海沃克环保科技有限公司提供）和价格低廉的香蕉水作为溶剂，将模壳浸泡到溶剂中，使EPS模从浇口杯部分由外向里不断被溶解，直到全部被溶解掉。表5 两种有机溶剂失模效果材料溶失时间（min）消耗量（g）模壳强度失模成本失模效果消泡还原液10220易破损1100元/吨干净彻底香蕉水1440250易破损175元/吨干净彻底消泡还原液失模成本过高，用香蕉水失模环保性差，所以有机溶剂失模方案不可行。综合比较以上三种方案，最终选择的工艺方案为电炉（焙烧炉）失模。4.3 焙烧工艺研究通过焙烧可以彻底将EPS模烧失分解干净，同时去除掉型壳中的的结晶水，使型壳材料部分烧结，提高型壳的强度和透气性。下表是型壳焙烧与EPS模分解的试验结果：表6 型壳焙烧与EPS模分解试验结果方案焙烧温度（）焙烧时间（min）模壳是否开裂焙烧效果140060否EPS模燃烧分解不彻底，残留碳黑250060否EPS模完全燃烧分解，无残留物365060否480060否595060否表6的试验结果表明，型壳焙烧温度达到650、保温60min时EPS模可以烧失干净。型壳的焙烧温度还会决定其最终强度，从而影响到铸件的尺寸，表6是某产品分别在800和950焙烧、保温60min时部分关键尺寸的变化情况。表7 型壳焙烧温度与铸件尺寸结果从表7的试验结果可以看出，12.8和40两尺寸基本未发生变化，主要是该两尺寸不属于铸件上的结构变化尺寸，孔距62尺寸在800时比950平均小0.39mm，说明型壳在800焙烧具有更好的强度。综合上述，并参照熔模精铸的现有工艺情况，最后确定型壳焙烧工艺为：炉温800，保温60min。5 埋砂造型及负压浇注工艺考虑到透气性和砂的回收率，通过试验选择1020目的镁橄榄石作填充砂。负压度设定为0.020.04MPa,碳钢浇注温度为15801610。批量应用结果表明，采用该工艺进行生产，型壳无跑火现象，铸件充型完整，内在质量优于熔模精铸件，成品率在96%左右。图7是某零件分别采用热壳在线浇注（熔模精铸工艺）与负压浇注内在质量对比图。热壳在线浇注存在缩孔缺陷埋砂负压浇注无缩孔缺陷图7 铸件内在质量对比图6 工业化应用效果EPS模复合精铸工艺从2010年元月份开始批量投产，主要应用于生产汽车低合金复杂碳钢件，累计生产铸件已超过8000吨，与传统的熔模精铸相比，该工艺优势如下：（1）型壳耐火材料节省30%50%、焙烧能耗降低20%30%；（2）制壳劳动强度降低40%；（3）工艺出品率提高6%12%；（4）污染物排放减少80%；（5）吨铸件制造成本削减300600元。图5是现场部分批量生产的EPS模图片，图6是EPS模应用于大件的效果图。图5 EPS模现场生产图片蜡模模壳九层半，50公斤EPS模模壳五层半，14公斤图6 EPS模应用于大件效果图图7 EPS模复合精铸典型铸件图片7 结论（1）通过选择合适的EPS珠粒规格，用国产的半自动成型机，加上高效的EPS模表面处理工艺，生产的铸件表面光洁度和尺寸精度可达到熔模铸件水平；（2）采用水玻璃硅溶胶复合型壳工艺，通过在涂料中加入高聚物和复合强化剂，可以提高型壳的强度，比传统精铸型壳减少34层，型壳厚度仅为原工艺的一半，制壳材料消耗减少50%以上，制壳劳动强度约降低40%，普通件制壳效率为蜡模件的2倍以上，大件制壳效率可提高到原来的3倍；（3）型壳采用低温失模高温焙烧的失模方案可以保证型壳强度，低温失模工艺为：130进炉，保温20 min后升温至200，再保温20 min钟；高温焙烧工艺为：炉温800，保温60min