（材料加工工程专业论文）镁合金消失模壳型复合铸造工艺研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 镁合金具有密度小 比强度高 吸震性能高 散热性能好 切削加工性好 抗电磁干 扰屏蔽性能好 便于回收再利用等一系列优点 广泛应用于航空 航天 汽车 计算机 通讯和家电等领域 但镁合金精密铸造技术的发展受限于很多未能解决的技术问题 本文 将传统的消失模铸造 熔模铸造 真空负压铸造有机相结合 针对工艺过程中的各环节 研究镁合金消失模一壳型复合铸造工艺 得到最优化的工艺参数 研究了浸涂法和涂敷法光整处理泡沫表面 提高型壳表面质量 结果表明 利用石蜡 与硬脂酸配置出的浸涂涂料可以有效消除发泡成型模样表面网纹 适合与模样整体处理 利用甲基硅油 乳化蜡等成分配置而成的涂平膏适用于模样局部区域懂得光整处理 型壳制各采用莫来石粉分别与硅溶胶和水玻璃复合制壳工艺 研究涂料中添加助烧剂 和低温焙烧对型壳质量的影响 结果表明 用n a o h 作为助烧剂 经过6 0 0 c 焙烧后发现可 以有效提高型壳高温强度约3 0 撒砂材料中加入约3 高吸水树脂 可以有效加快型壳硅 溶胶图层凝胶速度 节约6 0 的制壳时间 研制了一种阻止镁合金与型壳界面反应的涂料 涂料预先涂与模样表面 型壳制备完 成后内表面会形成阻止界面反应的涂层 结果表明该方法可以全面且平稳的达到隔绝金属 液与铸型接触的效果 减少燃烧氧化现象发生 研究了工艺参数对a z 9 1 d 镁合金在消失模型壳中充型特点和组织性能的影响规律 实 验发现 采用负压浇注方式 金属液充型能力有较为明显的提高 且铸件力学性能也有较 大的提高 当浇注条件相同时 随着铸件壁厚的增大 铸态组织生长成明显的组大趋势 力学性能明显下降 综上所述 采用镁合金消失模一壳型复合铸造工艺可以得充型完整 表面光洁 性能 优良的镁合金铸件 关键词 镁合金 铸造 型壳 快干 阻燃 组织性能 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a g n e s i u mw i d e l yu s e di na v i a t i o n a e r o s p a c e a u t o m o t i v e c o m p u t e r c o m m u n i c a t i o n sa n d h o m ea p p l i a n c e s b e c a u s ei th a sas e r i e so fs d v a n t a g e ss u c ha sl o wd e n s i t y h i 皿as h o c kr e s i s t a n t p e r f o r m a n c e e x c e l l e n ts p e c i f i cs t r e n g t h g o o dt h e r m a lp r o p e r t i e s g o o dm a c h i n a b i l i t y f m er e s i s t a n c et oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c ea n df a c i l i t a t et or e u s e t h et o p i c se x p l o r e d t h e e x p e n d a b l ep a t t e r n s h e l lm o l d i n gh y b r i dc a s t i n gp r o c e s sf o rm a g n e s i u ma l l o yb y c o m b i n e i n gt h el o s tf o a mc a s t i n g i n v e s t m e n tc a s t i n ga n dv a c u u mc a s t i n g s t u d yt h em a i n a s p e c t so ft h ep r o c e s st oo b t a i nt h em o s te f f e c t i v ec a s t i n gp a r a m e t e r s s t u d yt h ew a yt oi m p r o v et h e t h es u r f a c eq u a l i t yo fe p sm o l db yd i p p i n gc o a ta n d p a s t i n gc o a t t h er e s u l ts h o wt h a t t h es u r f a c et e x t u r ec o u l db ee l i m i n a t e di nah o l i d t i ca p p r o a c h b yu s i n gt h ed i pw a yw i t ht h ec o a t i n gw h i c hf o r m e db yp a r a f f i na n ds t e a r i c t h ec o a t i n gw h i c h c o m p o s i t e db ym e t h y ls i l i c o n eo i l e m u l s i f y i n ga n ds o m eo t h e rc o m p o n e n t sc o u l db eu s e dw h e n l o c a la r e as u r f a c en e e dt ob ei m p r o v e ds u r f a c eq u a l i t y c e r a m i cs h e l lw e r em a d eb yt h ec o m p o s i t ep r o c e s sw h i c hu s em u l l i t ew i t l ls i l i c as o la n d s o d i u ms i l i c a t er e s p e c t i v e l y s t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h es i n t e r i n gw h i c ha d d e di n t ot h ec o a t i n g a n dt h el o w t e m p e r a t u r er o a s t i n g r e s u l ts h o wt h a t t h es h e l l s s t r e n g t hc o u l db ei m p r o v e d e f f e c t i v e l yb y3 0 b ya d d i n gn a o ha n dr o a s t i n ga t6 0 0 c t h es i l i c as o lw h i c hc o n t a i n i n gi n f a c ec o a t i n gc o u l db eg e l a t e df a s t e re f f e c t i n e l yb ya d d i n g3 s u p e rs b s o r b e n tr e s i ni n t ot h e a g g r e g a t eo f t h es h e l l t h a tc o u l db es a v e dt h es h e l lm a k et i m eb ya l m o s t6 0 i n v e n t e dac o a t i n gf o ra v o i dt h er e a c t i o nb e t w e e nt h em a g n e s i u ma l l o ya n dm o l d s h e l l t h ec o a t i n gp e r c o a t e do nt h es u r f a c eo ft h ee p sm o l d a n dt h em o l d ss u r f a c ew i l lf o r ma p r o t e c tc o a t i n ga f t e rs h e l lp r e p a r a t i o ni sc o m p l e t e d nt h i sw a y c a np r e v e n tt h ec o n t a c tb e t w e e n m o l t e nm e t a la n dm o l dm o r ec o m p l e t e l ya n dm o r es t a b i l i t yt oi n h i b i t i n gt h eo x i d a t i o nr e a c t i o n w h i c hl e a ds u r f a c eb u r n i n g s t u d yt h e c h a r a c t e r i s t i c s o ft h ea z 91dm a g n e s i u ma l l o y s f i l l i n g f e a t u r ea n d m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h a te f f e c tb yc a s t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s s t u d yf o u n d t h a t t h en e g a t i v ep r e s s u r ec a s t i n gi n c r e a s e dt h ea b i l i t yo fm o l df i l l i n go fm o l t e nm e t a la n d i m p r o v e dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ec a s t i n g s a st h ew a l lt h i c k n e s so fc a s t i n g sb e c o m e t h i c k e rt h em i c r o s t r u c t u r eg r o w i n gm o r ea n dm o r ec o a r s ea n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s d e c r e a s i n gm o r eo b v i o u s l yi nt h es a m ep o u r i n gc o n d i t i o n s u l t i m a t e l y w ec a ng e tam a g n e s i u ma l l o yc a s t i n g sw i t hf i l l i n gc o m p l e t e l ya n ds m o o t h s u r f a c ea n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c eb yt h ee x p e n d a b l ep a t t e m s h e l lm o l d i n gh y b r i dc a s t i n g p r o c e s s k e yw o r d s m a g n e s i u ma l l o y c a s t i n g s h e l l q u i c kd r y i n g f l a m er e t a r d a n t m i c r o s t m c t u r ea n dp r o p e r t y 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 本文的选题意义 第一章绪论 镁合金具有密度小 1 8 9 c m 3 左右 比强度高 吸震性能高 铸模生产率高 散热性 能好 切削加工性好 抗电磁干扰屏蔽性能好等一系列优点n 一1 同时在资源重复利用方 面镁合金还具有便于回收再利用的特点 2 0 0 1 年欧洲工业用镁合金回收达到了3 1 5 0 0 吨 占到总是用量的1 0 左右口1 这使其成为现有的被应用在大规模工业生产中发展最快的轻金 属材料之一 广泛地被应用于航空 航天 汽车 计算机 通讯和家电等领域 随着汽车 轻量化的需求 以及近年来制造节能减排低碳汽车理念的提出 镁合金在汽车制造领域的 应用加倍受到重视 因为用镁合金制作汽车零件 在保证汽车强度的前提下可以大大减轻 汽车的总成质量以减少汽车燃料的消耗 从镁资源上讲 镁在地球上储存量非常丰富 如海水中镁含量约为2 0 万亿吨 可以被大规模发掘利用 更为重要的是 我国拥有丰富的 镁矿资源 其中菱镁矿储量达2 7 亿吨 白云石矿更是高达7 0 亿吨 镁矿储量和原镁产量在 世界排行中均位居榜首叫 因此我国作为未来汽车产品的巨大潜在市场n 帕 加速镁合金相 关的成型研究具有重大的意义 目前实际应用的镁合金零件成形方法主要是铸造成型为主 其中压力铸造技术是目前 为止比较成熟的应用面较广的镁合金铸造方式 市场上约9 0 的镁合金铸件是由压力铸造 完成的n 1 1 2 1 但是压力铸造成型的铸件尺寸及复杂程度有限 在面对小批量零件生产时 铸造成本过高 并且压力铸造受设备及金属模具的限制 并不能完全满足现代工业对大型 镁合金构件的需求 限制了镁合金在大规模生产应用中的推广n 3 一钔 所以在镁合金铸造 成型方面具有铸造灵活性高的的铸造工艺被越来越多人研究探索 1 2 镁合金铸造技术研究现状 1 2 1 镁合金铸造工艺及研究现状 与大多数常用金属类似 镁合金铸造成型许多许多成型工艺中都被人们研究实践 但 是经过实践发现 镁合金自身的热容小 化学性质活泼等特殊性质 使其并不能很好的适 应传统的铸造成型工艺以满足人们对铸件各种结构和性能要求的提高 所以更适合镁合金 铸造成型的方法工艺伴随着科学技术的发展也层出不穷 嗣 1 镁合金砂型铸造 砂型铸造是最传统的铸造方式之一 该工艺是利用型砂紧实成铸型并并设计合理的浇 注系统用重力浇注的方式完成成型过程 镁合金砂型铸造所用铸型是由外砂型和型芯组合 而成的 但是由于镁合金活泼的化学性质 为了防止镁液与型砂发生反应 提高铸件表面 质量 常常在砂型和型芯表面涂刷一层阻燃涂层 镁合金砂型铸造作为一种传统铸造成型 工艺 其具有造型材料价廉易得 铸型制造简便 对铸件的单件或成批量大规模生产均能 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 较好适应的优势 但由于铸型由较粗的沙粒构成且刚度不高 所以导致铸件的表面粗糙度 较差同时尺寸的稳定性较差 且在浇注过程中易于产生冲砂 夹砂 气孔等缺陷 针对砂 型铸造的优缺点加以利用分析 王志选n 6 1 等人用硫磺 氟化钠 甘油以及石英砂混合制成 油砂作为新型镁合金砂型铸造的铸型材料 同时在铸型中设计垂直缝隙式补缩系统以弥补 充型时易出现的缩孔裂纹缺陷 对该工艺进行验证浇注得到了成型效果较好的镁合金薄壁 筒形铸件 2 镁合金熔模铸造 熔模铸造是一种灵活铸造工艺 由于用该工艺成型的铸件与零件间具有较高的尺寸相 似性 所以又称熔模精密铸造 该工艺是使用熔点低的材料制成尺寸精确且表面光洁度好 的零件模型 然后使用耐高温粘结剂与耐火粉料以及辅助添加剂配置成糊状涂料涂覆在熔 模表面并撒上合适的骨料 等待涂料干燥硬化 重复上述操作制得具有一定厚度的型壳 然后加热型壳脱掉熔模 最后再将脱模好的型壳高温焙烧 形成具有较高强度的陶瓷型壳 制壳完毕后再向型腔内浇注入金属液 待金属液冷却凝固后去掉陶瓷型壳就能获得与熔模 不论是尺寸还是表面光洁度都一致的镁合金铸件 如图1 1 慈一咽图盛 龌 激既 图1 1 熔模铸造工艺路线 使用熔模铸造技术可以为铸件的结构设计提供很大的自由空间 不需要考虑分型面 不需要设计型芯 同时 传统的多零件同材料总成在熔模铸造中可以通过一次性铸模并粘 合成一个组树后一次浇注完成 引 另外 随着熔模铸造技术的发展 制壳涂料中粘结剂 耐火粉料 添加剂的不断改进 熔模铸造的尺寸精度可以达到4 6 级 铸件表面粗糙度最 高能达到0 4um 实现了无余量铸造 大大简化了铸件成型工艺并节省了工时啪1 目前 镁合金熔模铸造已经用于成型飞机空心叶片 发动机叶轮等形状复杂 需求量较大的铸件 其中最小成型厚度可达到0 6 咖 孔径尺寸小于1 m m 愠 在工艺研究方面 a s i s hg h o s h 口2 1 等人使用a 1 o 作为耐火粉料并加入c a z r o 做出了适用 于镁合金浇注的熔模铸造型壳 实验分别利用c a o z r s i 0 4 a 1 0 c a z r o 为耐火粉料制作 型壳 并在3 5 0 的预热温度下浇注镁合金 并利用扫描电镜检测发现 结果表明 利用 a l 0 制作的型壳9 5 0 高温烧结后型壳致密度较好 可以浇铸出表面光洁度好 界面氧化 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 反应较少的镁合金铸 而利用c a z r o 制作的型壳热稳定性最好 可以很好的保证零件的形 状尺寸精度 j a f a r i 汹1 等人针对镁合金熔模铸造的浇注温度进行实验研究 他们利用化学 性质稳定的锆英粉制作单个零件尺寸为长4 5 m m 宽1 5 2 r a m 厚0 8 1 2 m m 的试样组树型 壳 并分别在6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 下进行a z 9 1 d 镁合金浇注 最后利用场发射扫 描电子显微镜对试样剖面进行观察 结果发现当镁合金浇注温度为8 0 0 c 时 镁合金试样 几乎完全氧化 当浇注温度为7 5 0 c 时 试样外层氧化层较厚 同时发现试样粘壳现象比 较严重 这是因为在7 5 0 浇注时 镁合金在进入到型壳后并未立即完全发生氧化反应 但是由于型壳具有透气型 空气中的氧气通过型壳间隙与镁液发生接触 反应产生的能量 加速了镁原子相型壳中扩散 使得镁液与型壳产生粘连 在6 5 0 c 与7 0 0 c 下浇注 镁合金 试样氧化层较薄 但是在6 5 0 c 下部分试样成型不完整 这是由于a z 9 1 d 镁合金熔点约为6 0 0 过低的浇注温度影响了镁液的充型性能 林志勋乜町等人通过改变通过改变壳型的温度 以合金铸件的壁厚条件浇注出a z 9 1 d 镁合金模样 铸件冷却条件对镁合金熔模铸件的显微 组织和力学性能有显著地影响 当铸件壁厚较薄时 铸型的温度较低使得镁液与之接触后 迅速凝固 所以使得铸件组织细小均匀且有相对较好的力学性能 当壁厚增大时 镁液内 部热量来不及从型壳中传递出去 致使第二相组织迅速长大并连成条状甚至网状结构 最 终导致力学性能下降 3 镁合金消失模铸造 镁合金消失模铸造是目前比较先进的镁合金精密铸造工艺之一 该工艺过程是 首先将 合适密度的e p s 泡沫发泡成与镁合金铸造零件相同的形状 一般将这种泡沫模型叫做白 模 并将它们与泡沫制成的浇注系统相粘连成零件模型树 然后利用粘结剂和耐火粉料 配置成消失模涂料 再将配置好的涂料浸涂或刷涂到白模表面 形成均匀的涂料层 接下 来将耐火涂料低温 低于e p s 泡沫的膨胀变形温度 烘干后 埋在干砂子中震动紧实 最 后将熔融金属液直接导入铸型浇口进行浇注 在金属液进入过程中 白模汽化并且金属液 迅速取代白模位置 最后等待金属液冷却凝固的到精密度尺寸精密较高的铸件 工艺示意 图如图1 2 鄹一囊一蔫 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 2 消失模铸造工艺路线 消失模型密铸造的主要优势在免去了砂型铸造中粘结剂的使用 提高了环境友好性 同时良好的退让性减少了铸件内残余应力引起的裂纹 能很好的于适合于大型薄壁型铸件 的成型且零件成型尺寸好 工艺操作简单快捷 如今 在航空航天 汽车等领域零件设计 复杂化薄壁化的同时 对镁合金镁合金零件性能需要也提出了更高的要求 所以这也要求 镁合金消失模铸造成型工艺的发展能更符合近净型化和精密化要求 镁合金消失模铸造方法具有明显特点 由于白模在铸造过程中必须要伴随着金属液的 进入消耗掉 所以金属液与白模置换情况的好坏直接影响到铸件的表面光洁度和尺寸精度 以及缺陷的产生情况 b h a v n a n i 等人乜印针对白模密度对消失模铸造成型过程的影响进行了 分析 结果表明 在镁合金向浇注过程中 金属液与白模接触时以 且充型能够在较为平 稳的状态下进行 同时发现当白模汽化反压高于重力的2 0 左右时 会出现充型过程会出 现紊乱的现象 从而加大了铸件出现气孔缺陷 董选普啪3 等人采对镁合金消失模铸造充型 前沿进行了实际观察 将e p s 模样一面紧贴耐热玻璃板 其余面和浇注系统涂刷涂料后装 配在砂箱中 用数码摄像机对充型过程记录分析 分析结果印证了b h a v n a n i 的金属液放射 状填充的说法 同时发现在金属液的前沿与白模之间有明显的气态间隙 且说明了涂料透 气性对充型的效果有很大的影响 g r i f f i t h 瞳铂等人对采用溴化处理的e p s 白模进行轻金属 消失模铸造 结果表明 对于普通e p s 白模 伴随着温度的提升 白模分子量降低 等到 达1 3 0 0 0 加热前约为2 9x1 0 4 时降解的e p s 即可通过涂层中气孔的毛细作用被带走 而 当采用溴化处理的白模时 当降解为分子量为7 0 0 0 0 时即可通过涂层排除 这使得金属液 汽化填充型腔时消耗的能量更小 不仅提高了金属液充型时的平稳性 同时降低了消失模 工艺需要金属热容较大的要求 蒋文明汹1 等人在消失模铸造浇注过程中加入低压方式加以 辅助 研究浇注时的压力 浇注温度 型腔真空度等工艺参数对镁合金成型能力的影响 结果发现 当浇注压力增大时 可以明显的提高镁合金的充型能力 减少铸件气孔率 而 浇注温度过低则会影响金属液充型能力 过高则会增大铸件中的氧化物夹杂 最终确定 在浇注压力为o 0 3 0 0 4 m p a 浇注温度为7 0 0 7 2 0 c 真空度为0 0 2 0 0 3 m p a 时 得到的 铸件效果最好 同时还表明对于较大的薄壁复杂铸件 浇注压力和真空度应再略有提高 4 镁合金压力铸造 压力铸造技术工艺是目前在镁合金成型中发展最早 应用最广泛的铸造技术之一 传 统的镁合金压力铸造技术特性决定了其成型工艺中有许多难以克服的缺陷 如存在型腔内 原本存在的气体或充型过程中产生的气体无法排出型腔 从而使得这些气体在高压下溶解 到金属液内 形成分布在铸件内的微气孔 这导致铸件不能进行热处理强化 也不能在较 高的温度下使用 舢 针对这些工艺缺陷 在传统工艺基础上又有许多优化的压铸工艺被 研发出来 真空压铸工艺是一种控制和减少镁合金中的气体卷入量 降低镁合金中的缩松 量和缩松倾向 改善压铸件的力学性能的新型压铸工艺 其工艺过程为在镁合金熔融液体 进入型腔之前的瞬间 将型腔中的气体抽出 使得镁合金压铸充型过程不受气流干扰 压 铸件中的气体含量减少 铸态组织得以改善 对于一些牌号的合金而言 由于铸件中含气 4 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 量减少 因而可通过热处理进一步改善其组织和性能 目前 国外研究发展了几种以模具 内设置抽气截流阀为特征的真空压铸系统 配用这些系统实现真空压铸时 模具外边不需 要罩子 动作程序与一般压铸机相同 在中美加国际合作项目 镁质汽车前端开发 中 美方在相关压铸件的研制和开发中 为了提高材料的安全性 主要采用的是超真空压铸 真空压铸通过在压铸过程中抽除型腔 包括压室 内的气体而消除或显著减少压铸件内 的气孔和溶解气体 提高压铸件的力学性能和表面质量 目前国内的上海交通大学采用真 空压铸技术成功生产出镁合金减震塔口2 l 现阶段 真空压铸镁合金铸件的最小壁厚可达 到 1 5 2 0m m 真空度 8 0k p a 冲头速度最大达1 0m s 充型时间2 0 3 0m s 铸件强度可提高1 0 以上 韧性提高2 0 5 0 5 镁合金半固态铸造 半固态压铸技术是将锻造的优点引入到了压力铸造中所产生的一种高效率镁合金成 型技术 镁合金半固态成型方式主要分为 半固态流变压铸 半固态触变压铸两种 其中 半固态触变压铸是相对研究比较成熟的工艺技术 其工艺过程为 首先将镁合金制作成半 固态金属浆料并冷却凝固成为坯料 然后结合零件实际体积用料 并将所用坯料再次融化 到半固态状态 最后将坯料推进压铸模型腔进行压铸成型 在该种镁合金成型方法中 由 于镁合金不需要完全融化 所以有效的解决了镁合金成型中易氧化燃烧的问题 同时铸件 致密度高 减少了缩松等缺陷啪1 镁合金半固态压铸技术还有许多亟待解决的问题 其中 k i m 等人通过研究开发出了两步法加入法得到半固态镁合金浆料的有效途径跚 k o r e n 等人 对镁合金半固态热压铸和冷压铸技术进行了深入的研究口5 1 1 2 2 镁合金与铸型界面反应及阻止技术研究现状 在所有工业用金属中镁是化学性质比较活泼的金属之一 即使在干燥的大气中也可以 形成氧化膜在其表面 但是镁氧化膜疏松多孔 所以镁以及大多数镁合金易与周围的环境 中的其他成分发生反应 在镁合金铸造过程中 在高温环境中熔融的镁合金更容易与铸造环境中的物质发生反 应 在铸造环境中熔融镁合金发生的反应主要有三类帆矧 燃烧 主要是空气中或铸型型腔中的氧气发生反应 2 m g 0 2jm g o f11 3 m g 2 一m 9 3 n 2 f 1 此类反应会使镁合金在充型过程中严重被烧损 同时由于产生的氧化物会包覆在熔融镁合 金表面 影响镁合金的流动性和充型能力 与水分反应 在镁合金铸造过程中在熔融镁合金与铸型接触过程中会使铸型中残 留的水份形成水蒸气 水蒸气通过铸型中的缝隙会与镁液接触发生反应 m g 马d 一马 m g o f 13 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 皿 d 2 专2 皿0 f 14 由上式可以看出 在于水的反应中除了生成氧化物以外还会生成氢气 而氢气燃烧会再次 生成水分进一步恶化铸件质量 由于反应常发生在镁液与铸型的接触面 所以此类反应的 发生会严重的影响铸件表面光洁度 并在铸件表层中形成气孔嘲 与氧化物反应 在镁合金与铸型接触的过程中 不可避免的会与铸型材料中的氧化 物接触发生氧化反应 a m g 6 皿d y yc m g o d x r 1 与 式 5 中m x o y 代表氧化物 x 代表反应生成的含镁化合物 根据最小自由能原理可知 只有当氧化物形成时的自由能变量小于m g o 生成的自由能变量时 才能减少熔融镁合金与 铸型接触时发生的氧化反应 由氧化物生成自由能变可知a 1 0 s i o c a s o 等大部分常 见的耐火材料均易与m g o 发生反应 表1 1 镁与常用耐火材料的反应温度区间及所需自由能 正是由于金属镁活泼的化学性质 镁合金与铸型界面反应阻止技术是镁合金铸造工艺 过程中的关键 一直以来人们都为解决这个问题在不断努力探索尝试 但不论是哪种界面 反应阻止技术 其机理都无外乎两大类 一是在镁熔体表面形成隔绝层阻止镁熔体与铸型 的接触从而阻止反应 二是使用或生成不与镁熔体发生反应的低反应性材料作为铸型内表 面材料 从而抑制反应 所以针对不同的镁合金铸造工艺 以及镁合金与不同铸型的反应 机理的个异性 我们采取的界面反应防止技术也要根据生产条件 生产要求 经济等多个 方面加以考虑选择 通过对现有的生产中的反应阻止方法进行总结分析 目前镁合金铸造 成型过程中阻止镁合金与铸型反应的主要途径有以下几种 a 铸型内通入气体保护 即在铸型中通入阻燃气体 使镁液与气体反应 表面生成 致密的氧化膜隔绝镁液与铸型的接触从而阻止反应 b 铸型自身生成气体保护 即在铸型内表面涂上反应阻止剂 当镁液与之接触时会 反应生成保护气体 使金属液表面形成致密的氧化膜膜 阻止其与铸型的接触 c 低反应性铸型保护 即在铸型内表面生成性质稳定的釉质保护膜 隔绝镁液与铸 型的接触 或使用不与镁发生反应的材料制作铸型 目前s f 6 c 0 2 s 0 2 h f c 以及它们的混合气体等己被成功应用在铸型内通入气体保护 法中 k i m m l 等人的研究发现 在密闭的环境中向铸型中通入s f 将铸型中的空气排出 形成s f 气氛 浇注过后可以得到表面质量较高的铸件 使用e p m a 对铸型内表面和型壁 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 进行测试 发现含有氧和氟的化合物 而c a s h i o n 阻3 等人使用x p s 对通入s f 的镁合金进 行分析 发现在界面反应处有m 9 0 m g f 的存在 分析得知 当通入s f 6 后会形成 o 和 m g f 的复合保护膜 保护膜的致密度大大增加 从而达到阻燃的效果 但s f 6 的温室效应 是二氧化碳的2 4 0 0 0 倍 且易对人体产生危害 h u k u ic h e n 池删等人研究了对环境较为有 好的h f c 气体对界面反应的阻燃效果 实验表明h f c 气体的含量超过0 5 时 气体含量 越高 通气时间越长 在镁液表面形成的氧化膜则越致密 能有效的起到阻燃的效果 达 到阻止界面反应的效果 针对铸型自身生成气体保护的方法 c l e g g 等人采用s i 0 等常用耐火材料 通过在 其中添加k b f 或n a b f 起到防止界面反应的目的 因为氟硼酸盐在受热的情况下会分解出 b f 气体 反应如下 岛d 3 螈d 马岛d 3 m g o 1 6 n a b f 4j 马魍 g a s 州卵 r17 而b f 3 在阻燃过程中可以起到和s f 6 一样的阻止反应的功效 在低反应性铸型保护的各个途径中 c e l a l 针对镁合金熔模铸造中的阻燃耐火材料做 了一系列研究 根据最小自由能原理 在氧化物生成自由能变图中分别取生成能高于 相 近以及低于氧化镁的氧化物作为耐火材料如表1 2 表1 2 几种耐火氧化物的生成自由能 使用硅溶胶作为粘结剂制作陶瓷型壳 通过9 0 0 c 烧结后浇注镁合金铸件发现只有使用镁 砂和氧化钇作为耐火材料的型壳 铸件表面光洁度很好 可以起到很好的阻止界面反应的 作用 林志埙使用硼酸作为反应阻止剂来替代氟硼酸盐 其机理在于硼酸中的硼酐在高温 下溶解m g o 并与之形成m 9 0 与b o 复合而成的釉质保护膜 阻止镁液与铸型的接触 减 少了界面反应的发生 实验发现 为达到较好的阻燃效果 硼酸的加入比例要达到总耐火 粉料的3 0 以上晗们 勾忠毅等人的镁合金铸造专利进一步优化了硼酸作为反应阻止剂的方 法 该专利指出 在型壳浇注前 在型壳的内部加入硼酸溶液浸泡 5 一1 0 分钟后倒出阻 燃剂溶液 然后将型壳预热到6 0 0 7 5 0 出炉后在型壳内撒入硫磺粉 再进行浇注 硫 磺的加入可以再铸型后受热分解生成s 0 气体 在型腔内形成保护气氛 阻止了外界空气 通过铸型间隙进入型腔的可能 最大程度的阻止了界面反应的发生 在浇注镁合金薄壁复 杂铸件的过程中表现出来很好的效果h 引 1 3 主要内容与技术路线 熔模铸造与消失模铸造都是适用于镁合金成型的铸造成型方式 但也具有明显的工艺 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 不足 熔模铸造工艺周期较长并需要制作蜡模 但是蜡模的成本较高且比强度较小 这也 使得传统的熔模铸造工艺在蜡模方面的投入成本较高 同时受蜡模比强度限制不能制作较 大的镁合金薄壁复杂铸件 消失模铸造成型的方法由于在大型复杂型腔 薄壁 小直径孔 零件生产应用上具有巨大潜力 所以镁合金铸造成型方法工艺越来越多的被人们研究 但 是对于传统的消失模铸造来说 由于镁合金的熔点较低 且热容小 导致镁合金在消失模 型壳中充型能力较差 以至于在消失模铸造中 镁合金零件成型常常会产生冷隔 夹杂等 缺陷 影响镁合金铸件的成型质量 绷 所以本课题将现有铸造技术中的消失模铸造 熔 模铸造 真空负压铸造有机结合在一起 用其所长 避其所短 通过实验研究对消失模一 壳型复合铸造工艺展开探索 该工艺吸取了消失模铸造的工艺优点 在原有的e p s 白模基 础上采用熔模铸造的制壳工艺 避免了熔融镁合金与e p s 模型的直接接触 并且利用无粘 结剂的干砂填充 负压浇注 克服镁合金消失模铸造充型能力不足 1 3 1 研究内容 1 研究泡沫模型表面光整工艺 基于不同的光整方法 研究合适的光整材料 并观 察光整效果 2 研究镁合金消失模一壳型复合铸造的制壳材料与工艺 通过选择合适的型壳强剂 提高型壳的烧结强度 同时选择合适的制壳工艺与材料 提高型壳的干燥速度 3 研究镁合金浇注时与型壳之间的防氧化问题 确定型内涂层防燃法的材料及工艺 并检验防燃效果 4 研究镁合金在负压一壳型中的充型与凝固形为 即研究工艺因素对镁合金负压一壳 型铸造充型能力及凝固组织的影响 1 3 2 课题技术路线 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 图1 3 本课题技术路线图 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章泡沫模样制备及表面光整方法研究 本章工作为提高镁合金消失模一壳型复合铸造工艺中e p s 泡沫模样 白模 的表面光 洁度的光整工艺研究 实验主要研究使用不同方式在白模表面增加不影响合金浇注的涂平 层 以消除白模表面的珠粒痕迹 从而提高铸件表面光整度的目的 2 1 泡沫模样制备 消失模一陶瓷型壳复合铸造是将消失模铸造 熔模铸造和负压铸造三种工艺有机地结 合在一起 趋利避害的一种复合铸造方法 其中利用质量小 比强度高 价格便宜的消失 模模型来成型铸造型腔是工艺的前提条件 实验采用e p s a 型号可挥发性聚苯乙烯成品珠 粒作为白模成型原料 其原始珠粒大小约为0 3 0 5 毫米 体积密度5 6 0 6 7 0 克 升 通 过发泡工艺制得的e p s 白模其具体性能参数见下表2 1 表2 1 成型e p s 模型性能指标 2 2 模样表面光整方法的研究 2 2 1 浸涂法光整材料与工艺 1 实验材料 浸涂法光整白模表面粗糙度是通过配制一种在焙烧时可消失的涂料 涂敷模样的表 面后可以达到降低模样表面粗糙度的作用 该种涂料需要满足以下需求 需要在6 0 0 时能分解完全 涂料液化温度不高于白模的尺寸稳定温度7 0 c 要有较好的流动性 且与e p s 模型表面有较好涂挂性 涂料干燥后具有一定的强度 且在与型壳涂料接触 时不产生回溶 所以本课题选择了熔点较低的石蜡作为涂层材料的主要成分 因为石蜡 基本具备上述所需性能要求 但石蜡自身在5 0 一7 0 c 之间流动性不佳 所以选择加入 5 0 硬脂酸 c h 3 c h 2 1 6 c o o h 以降低石蜡熔点 增加涂料流动性以优化涂料的涂挂性能 2 浸涂工艺及对铸件表面质量的影响 在浸涂白模的过程中根据光整涂料熔点设定浸涂温度分别为5 2 5 4 5 6 5 8 6 0 浸涂时间分别为1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 s 测量涂层的厚度 以确定合适的 浸涂工艺 通过实验得到以下结果结果 如表2 4 武汉科技大学硕士学位论文第l i 页 表2 2 不同工艺因素下的涂层厚度 注 厚度单位衄 从表2 2 来看 涂料的厚度都随着时间的增加而变薄 原因是模样本来的温度比涂 料温度低 当模样一浸入溶液中的的时候会在表面凝固一层涂料 但随着时间的增加 表面的涂层融化了 随即在表面粘附了一层很薄的涂层 所以取出后涂层厚度较薄 综 上所述涂敷时涂料温度以5 8 c 为宜 时间最好为4 6 s 采用配出的光整涂料对白模进行 浸涂 然后用将处理好的白模制作陶瓷型壳 脱模烧结后 与未处理过的型壳内壁比较 如图2 1 爹 裁 参 莲 爹鬻溪攀j i 霪4 鬟 i 鬻爹骥 鬻鬻 溪鬻躐囊鬻麓 图2 1 模样浸涂和未浸涂的型壳内表面照片 a 未浸涂处理得到的型壳内表面 浸涂处理得到的型壳内表面 从图中很清楚的看到未浸涂涂层的模样焙烧出的型壳有很多针状的突起 表面比较 粗糙 而浸涂涂层之后由于模样表面的沟槽和凹坑被涂料填充 使得型壳内表面针状物 突起变浅 粗糙度有很明显的提高 但是也可以发现 经过浸涂光整过的表面并不是完 全的光滑 会出现局部的较为明显针状物突起 这是由于白模表面沟槽凹坑大小并不均 匀 当沟槽较小时 通过浸涂可以被光整涂料很好的流平 等沟槽较深时光整涂料填充 在其中的量较多 在白模的翻转移动等动作下 难以等到涂料凝固便又会有部分流出沟 槽 所以不能完全的填平沟槽 测量型壳内表面的光洁度如下图 第1 2 页武汉科才支大学硕士学位论文 图2 2 模样浸涂光整后型壳内表面的轮廓曲线 经过测量可以发现 未光整的型壳表面粗糙度值约为1 7 5 4um 而浸涂后的型壳粗糙度 明显降低 约为6 0 4um 综上所述 浸涂图可以高效的光整白模表面 但由于光整涂料流动性较好 所以更适 用于光整表面网纹较小的白模 2 2 2 涂敷法光整材料与工艺 1 实验材料 在实际操作中可知由于涂料具有较好的流动性 使用浸涂法光整白模表面无法光整沟 壑较大的大珠粒e p s 模型 所以对于珠粒较大 表面珠粒间隙较深的白模采用涂敷法光整 表面更为有效 涂敷法是利用涂平膏对表面进行涂敷抹平的光整方法 该法的关键在于涂 平膏的配置与使用 涂平膏需要具有的特性为 具有较好的成膜性以及干燥后具有一定 的强度 具有一定的流动性和快干型 不侵蚀e p s 泡沫 且不与制壳涂料产生回溶 在5 0 0 c 下能完全分解 结合涂平膏应具备的性能 选择乳化蜡 硬脂酸 聚乙二醇 甲基纤维素 甲基硅 油作为涂平膏的原料 其各自作用及见表2 3 表2 3 涂平膏成分及作用 2 涂平膏的制备对模样和铸件表面质量的影响 配置涂平膏时先将一定含量的乳化蜡 硬脂酸 聚7 醇混合后放入加热到1 5 0 的 炉子中保温3 0 分钟 待其完全熔化后加入适量的甲基硅油 混合均匀后加入用热水溶解的 甲基纤维素 用玻璃棒搅均匀后放入炉子中随炉冷却 在炉温降到5 0 时将试样取出 并 用玻璃棒将其搅拌均匀 然后放入5 0 的炉子中保温2 0 分钟 最后拿出在空气中冷却 通 1 2 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 过该配制方法 采用四因素三水平的正交实验设计涂平膏配方及其的测定结果如表2 4 表2 4 涂平膏性能测试结果 对得到的数据进行极差分析 综合得到涂平膏最优配比为 硬脂酸的质量分数为1 5 聚乙二醇的质量分数为7 甲基纤维素的质量分数为3 甲基硅油的质量分数2 剩余含 量为乳化蜡 按该配比 制作涂平膏 利用刮片将给涂平膏均匀的涂在泡沫模型表面 制作型壳 并失模烧结 图2 6 为用烧结后的型壳内表面 从图中可以看出未涂涂平膏的铸件表面 有明显的凹坑和网纹 而涂有涂平膏的型壳内表面均匀平整 这是由于利用涂敷法光整 白模时 利用刮片可以将白模表面的凹坑网纹完全填充 且涂平膏的流动性较差 所以 涂平膏可以完全的保留在表面不流失 所以光整效果稳定 对其进行粗糙度测量可得 藤 黼 a 未涂涂平膏的型壳内表面 b 涂有涂平膏的型壳内表面 图2 3 模样涂敷和未涂敷对比 第1 4 页 武汉科技大学硕士学位论文 图2 4 模样涂敷光整后型壳内表面测量的轮廓曲线 经过测量可以发现 未光整的型壳表面粗糙度值约为1 5 5 4um 而浸涂后的型壳粗糙度 明显降低 约为4 8 41 tm 综上所述 利用涂平膏可以较好的光整表面网纹较深的大珠粒泡沫模型 从而达到提 高铸件表面光洁度的作用 2 3 本章小结 e p s 白模的表面通常有网纹存在 由与铸件表面对白膜表面具有覆形型 所以提高铸 件表面光洁度的关键之一就在于对白膜表面进行光整 本章对两种白模光整方法进行了研 究可得如下结论 1 石蜡是一种较理想的制作白模表面光整涂料的材料 当石蜡与硬脂酸比例为1 1 时 可以将石蜡的熔点降低至4 6 5 c 从而提高石蜡的低温流动性 同时为了控制白模 尺寸的稳定性 浸蘸后因薄且均匀 光整涂料应控制在5 5 6 0 c 浸蘸4 6 s 可使模样涂 层薄且均匀 能够达到较好的表面处理效果 2 利用乳化蜡 硬脂酸 聚乙二醇 甲基纤维素 甲基硅油配置涂平膏 当各成 分比例为7 3 1 5 7 3 2 时 可以得到粘结强度最佳 收缩量最小 灰分最少且流平性能最 好的涂平膏 涂敷于白模表面后 可以有效的提高铸件表面光洁度 3 利用浸涂法和涂敷法都能较好的提高铸件表面质量 但是它们的使用条件各有 不同 浸涂法适用模型的整体光整过程 涂敷法则适用模型的局部光整过程 使用时应视 生产的实际情况选择合适的光整方法 1 4 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 第三章型壳材料与制备工艺研究 在消失模一壳型复合铸造技术中 陶瓷型壳作为铸造的型腔其制备技术是重要的一环 尤其在应用到大规模工业生产中后 型壳性能的好坏直接影响了后续能否顺利进行 所以 选择合适的制壳材料和型壳制各工艺直接决定了决定了型壳的强度 透气性 制壳效率等 各种指标 本文主要针对适合于消失模一壳型复合铸造技术的制壳工艺以及型壳性能展 开研究 3 1 制壳工艺与制壳材料的选择 3 1 1 制壳工艺的选择 消失模一壳型复合镁合金铸造工艺是采用消失模铸造所用e p s 模型作为熔模 采用熔 模铸造成壳技术来制作型壳的 采用该种方法的好处是 e p s 模型成本低廉 密度较小 且比强度高 可以为大型薄壁复杂件的成型提供了可行性 利用e p s 模型取代传统熔模 后 在型壳脱模时 不需要单独的脱模步骤 可以将型壳脱模和型壳烧结一并进行 简化 了工艺操作过程 利用空型壳直接对镁合金进行浇注 有效的避免了有于镁合金热容较 小在消失模铸造中经常出现的浇不足与冷隔缺陷发生 型壳具体的制备过程如下图3 1 图3 1 型壳制备工艺流程 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 3 1 2 制壳材料的选择 在制壳过程中型壳材料的选用对型壳性能会产生很大的影响 陶瓷型壳制壳涂料主要 由粘结剂 耐火粉料 骨料以及各种辅助添加剂组成的h 钔 其中粘结剂 耐火粉料以及 骨料是型壳的主要组成部分 粘结剂的作用是保证型壳的成型性能 耐火粉料是起到直接 承装金属液的作用 而骨料则是作为型壳中的支撑部分 起到保证型壳强度与涂层问的密 实度的作用 1 粘结剂的选用 在传统的熔模铸造制壳工艺中 主要选用的是水玻璃制壳工艺 水玻璃型壳具有湿强 度较高 硬化速度快 成本低廉等优势 但是在实际应用中发现 水玻璃型壳常常会出现 变形 开裂且型壳表面质量较差的现象嘲 蚓 这是由于水玻璃的主要成分是硅酸钠 n a s i o 其硬化机理是n a 2 s i 0 3 在模数与浓度比较高时析出游离硅酸 由于有钠离子的 存在 所以在型壳内表面会存在钠盐聚集现象 钠盐熔点较低 在型壳高温烧结后 往往 会在型壳内表面出现大量的蠕虫状或条形空洞 降低了型壳强度以及铸件表面的质量 面 对这一问题 现在的熔模铸造制壳工艺中常采用硅溶胶来取代传统的水玻璃作为粘结剂 硅溶胶是纳米级二氧化硅的胶体溶液 其固化机理与水玻璃相同 但