铝合金进气歧管消失模壳型铸造工艺 精品.doc

第一章 绪论1.1课题来源及背景1958年美国人Shoyer HF发明了“无型腔铸造法”并获得专利，在此基础上，经过不断的实践、探索和改进，形成现在得消失模铸造技术。在20世纪80年代中期已发展到相当大的规模，已成功应用到航空、航天和汽车工业化生产。1999年在德国杜塞尔多夫举行的世界规模最大、最具权威的铸造国际博览会（GIFA）指出21世纪铸件的发展趋势是 “轻量化”、“精密化”和“复合化”，并提出“近无余量铸件”和“零缺陷铸件”口号。随着国内外航空、航天、兵器、电子等行业的迅速发展，新一代飞机、高推重比航空发动机、机载设备以及汽车零部件对其结构重量要求十分苛刻，要求零部件大量采用比强度和比刚度高的铝（镁）等轻合金材料，零部件的结构也向整体化、轻量化、空心薄壁化、复杂化和精密化的方向发展，因此对较大尺寸复杂薄壁的铝合金精密铸件的要求越来越高，需求越来越大。然而，采用目前大多数的铸造工艺，如重力下的砂型铸造、压力铸造、熔模铸造以及消失模铸造等技术，在成形较大尺寸复杂薄壁的铝（镁）合金精密铸件时都遇到了不同程度的问题。例如在我国针对铝合金消失模铸造技术开展了一系列的基础研究，也取得了一定的成绩。然而铝合金消失模铸件受到一些缺陷的困扰，仍有许多问题亟待解决。如：工艺因素对铝合金消失模铸件质量影响很大。工艺不稳定性一直是困扰铝合金消失模铸造的一大难题。例如合金成分、合金精炼变质、浇注系统设计、浇注温度、浇注方法、泡沫方法和密度、涂料性质、型砂种类、冷却速度等各种因素都会影响到铸件质量。如何优化、稳定工艺，提高铝合金消失模铸件质量一直是亟待解决的问题之一。1.2 消失模壳型铸造技术与大多数常用金属类似，铝合金铸造成型许多许多成型工艺中都被人们研究实践。铝合金流动性好，结晶潜热大，非常适合消失模铸造。但铝合金易氧化产生氧化夹杂，体收缩率大且易吸氢，容易形成针孔、缩孔和夹杂等铸造缺陷的性质，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。所以更适合铝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。砂型铸造是最传统的铸造方式之一。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。该工艺是利用型砂紧实成铸型并设计合理的浇注系统用重力浇注的方式完成成型过程。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。砂型铸造所用铸型一般由外砂型和型芯组合而成。为了提高铸件的表面质量，常在砂型和型芯表面刷一层涂料。涂料的主要成分是耐火度高、高温化学稳定性好的粉状材料和粘结剂，另外还加有便于施涂的载体（水或其他溶剂）和各种附加物。砂型铸造工艺包括造型、熔炼与浇注、落砂与清理等工序。在铝合金砂型铸造生产中，铸件中经常出现气孔缺陷。气孔的存在不但减小铸件的有效工作面，还产生应力集中，显著降低铸件的强度和塑性，成为零件断裂的根源之一。实际生产中，铝合金铸件会出现多种缺陷，气孔缺陷是砂型铸造中经常产生的缺陷，是影响铝铸件质量的重要问题。气孔缺陷常出现在大型铝铸件的厚大部位以及中小型铝铸件的冒口根部和加工端面。铝合金砂型铸造也有一些不足之处：因为每个砂质铸型只能浇注一次，获得铸件后铸型即损坏，必须重新造型，所以砂型铸造的生产效率较低；又因为砂的整体性质软而多孔，所以砂型铸造的铸件尺寸精度较低，表面也较粗糙。熔模铸造又称失蜡铸造，由于获得的铸件具有较高的尺寸精度和表面光洁度，故又称熔模精密铸造。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敷上合适的骨料，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铝合金铸件。同其它铸造方法和零件成形方法相比较，熔模铸造最主要的特点是尺寸精度和几何精度高，表面粗糙度小。目前，精铸件的尺寸精度可超过0.005cm/cm，表面粗糙度最细可达R0.631.25m（相当于78），因而可以大大减少铸件的切削加工余量，并可实现无余量铸造。可铸造形状复杂的铸件熔模铸造能铸出形状十分复杂的铸件，也能铸造壁厚为0.5mm、重量小至1g的铸件，还可以铸造组合的、整体的铸件，以代替几个零件的焊接或装配件，并减轻零件重量。生产灵活性高、适应性强熔模铸造既适用于大批量生产，也适用小批量生产甚至单件生产。生产过程无需复杂的机械设备。工装模具可以采用多种材料和工艺方法制造，便于新产品研制。有些急用的单件，甚至可用模料切削加工和手工制成熔模，能大大缩短试制周期，节约研制费用，所以熔模铸造生产具有高度的灵活性和广泛的适应性。但同其它铸造方法相比，熔模铸造在应用上还具有一定的局限性。例如铸件尺寸不能太大，工艺过程复杂，铸件冷却速度慢，熔模铸造在所有毛坯成形方法中，工艺最复杂，铸件成本也很高。总体与美国、英国、欧日等先进国家和地区熔模铸件的市场结构相比，有明显的差距，高质量的精铸件比例还很低。压力铸造high pressure die casting（简称压铸）是目前在铝合金成型中发展最早、应用最广泛的铸造技术之一。其实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸型（压铸模具）型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。传统的铝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。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铝合金中的气体卷入量，降低铝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。与其他铸造方法相比，压铸有以下三方面优点：产品质量好、生产率高、经济效果优良。但是压铸时由于液态金属充填型腔速度高，流态不稳定，故采用一般压铸法，铸件易产生气孔，不能进行热处理，对内凹复杂的铸件，压铸较为困难，高熔点合金（如铜，黑色金属），压铸型寿命较低，不宜小批量生产，其主要原因是压铸型制造成本高，压铸机生产效率高，小批量生产不经济，不宜小批量生产。消失模铸造技术是将合适密度的EPS泡沫发泡成与铝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EPS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。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。但对于铝合金干砂消失模铸造，有两个关键问题有待解决，一是铝合金液的比热容比钢液，因模样气化吸热，引起金属液流动前沿温度下降，充型速度减小而造成冷隔、浇不到；二是因铝液浇注温度高，铝合金吸气严重，容易引起针孔、缩松等缺陷造成铝铸件针孔严重、晶粒粗大、气密性差。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，对铝合金零件性能需要也提出了更高的要求。所以这也要求铝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。消失模壳型铸造是在消失模铸造和熔模铸造的基础上发展的复合铸造工艺，消失模壳型铸造工艺对于生产结构复杂的铸件来说具有明显的优势。该工艺用可发性聚苯乙烯制模，利用熔模铸造的制壳技术在聚苯乙烯模上制壳。浇注前将型壳内的聚苯乙烯脱出，并焙烧型壳，使型壳具有足够的强度且型壳内不含有任何有机物，因而避免了实型铸造铸件的皱皮和增碳等缺陷。聚苯乙烯模尺寸稳定，使该工艺能够生产大型、精密、复杂的铸件；另外，在造型、浇注时，利用干砂真空技术形成坚固型腔，因此可以采用较薄型壳。该工艺具有减少复杂薄壁形状铸件的生产成本及机械加工的工时；同时，泡沫模样的型壳比熔模铸造的型壳所承受的应力要小，壳型制备成本相对较低，且适合薄壁复杂铝合金铸造成型，因此研究铝合金消失模壳型铸造十分必要。型壳制备是消失模壳型铸造的关键工序之一。制壳和失模是消失模精密铸造的关键技术。消失模壳型铸造新技术，综合了泡沫模的低成本、收缩小、较大尺寸和结构设计灵活，陶瓷型壳的高精度及真空铸造的高性能成形性等特点，它与其他单一的铸造工艺相比，具有以下显著特点：（1）与重力下的砂型铸造相比：铸件的尺寸精度高、表面粗糙度低、生产率高。金属液的充型和凝固在真空和压力的双重作用下完成，因此金属液的充型和补缩能力较重力铸造时大大加强，可解决重力铸造易于出现的浇不足、冷隔和缩孔等铸造缺陷，尤其对于较大尺寸复杂薄壁铸件。（2）与熔模精密铸造相比：泡沫塑料模料成本低廉、模样粘接组合方便、气化消失容易，克服了熔模铸造模料容易软化而引起的熔模变形的问题，且泡沫模样重量轻，搬运方便；另外，泡沫模与蜡模相比，具有收缩小和耐热性好等优点，表面不易产生缩陷，也有利于提高铸件的尺寸精度。因此，该技术可以生产较大尺寸的各种合金的精密复杂铸件。（3）与消失模铸造相比：浇注前脱去了泡沫模，因此可以克服普通消失模铸造充型能力差引起的气孔、夹杂、皱皮、冷隔和增碳等铸造缺陷；并且浇注温度较低。（4）与压铸相比：投资小、成本低、铸件内在质量好，铸件可热处理。1.3 国内外研究现状陶瓷型壳铸造工艺成形以来就受到工业发达国家的青睐。20世纪60年代，英国、日本、美国、前苏联等国家就对陶瓷型精铸模具进行了广泛深入地研究，已经用来制造锻模、冲压模、塑料模、压铸模以及玻璃模等；美国的阿布纳托肖公司和日本的理研活塞环公司引进技术成产精密铸件。在我国，1970年成都汽车厂用陶瓷型铸造工艺成产冲压模；1972年常州柴油厂用该工艺生产热芯盒及模板；杭州第二纺织机械厂用该工艺制造造型用的铝模板；武汉机械工艺研究所应用该工艺开发了几十个品种的锻模，并广泛应用于生产。80年代以来，陶瓷型精铸模具得到了进一步发展，有些工厂已经从试生产发展到成批生产，如杭州第二纺织厂用陶瓷型铸造的中小模板已达600余块，最大模块尺寸为1320*420mm。精铸模板的制造周期为机加工模板的10%-20%，成本的30%左右。陶瓷型铸造在锻模和冲压模具方面得到了进一步发展，如湖滨柴油机厂用陶瓷型铸造的摇臂锻模、合金钢连杆锻模；上海大学采用陶瓷型铸造成功浇注桑塔纳轿车汽缸盖模具，表面粗糙度Ra5.0-Ra12.5m，尺寸精度0.35mm/100mm；武汉机械工艺研究所制作的CA-10B汽车前轴精铸热锻模重0.5t，型腔尺寸最大误差0.3mm，表面粗糙度为Ra6.3-Ra12.5Lm，型腔只需抛模即可达到需求。烟台野夼工业集团利用陶瓷型铸造大型拉伸模具，基本替代了由机械加工方法制造的模具，节约加工费70%，节约材料30%。英国铸钢件研究与贸易协会（SCRATA）在八十年代初提出了一种Replicast Ceramic Shell Process（简称Replicast CS）新工艺，国内称之为气化模-精铸-负压复合铸造技术。它是将实型铸造、熔模铸造和负压铸造 3 种工艺有机地结合在一起 ,趋利避害 ,吸收实型铸造的特长 ,克服熔模铸造不能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 ,解决了铸钢件增碳问题 ,提高了铸件质量 ,消除了污染。该工艺采用可发性聚苯乙烯珠粒制备泡沫模样，之后利用熔模铸造的制壳方法在泡沫模表面制备陶瓷型壳，最后在真空下重力浇注成形。该工艺具有诸多优点：泡沫模样结构设计灵活、尺寸稳定、收缩小、成本低，能够生产中大型复杂精密铸件；浇注前脱去泡沫模样，可避免消失模铸件易出现的气孔、夹杂和增碳等缺陷；铸件同时具有熔模铸造精铸件的质量，且克服了熔模铸造难以生产大件以及成本高的不足。这种工艺具有旺盛的生命力 ,具有许多显而易见的优点和广泛的应用范围 ,赢得了铸造界的关注。英国 Foseco 公司最早建立了Replicast CS工艺车间，用以批量生产质量达50kg以上的铁、钢、青铜等铸件，其中生产的最大铸件质量可达450kg。我国对Replicast CS工艺的研究始于90年代，其中沈阳铸造研究所、清华大学、哈尔滨工业大学和南昌航空工业学院等单位进行了相关技术的研究。1991年沈阳铸造研究所、清华大学以及沈阳第一阀门厂将该新工艺成功地应用于G125Q41F16P21不锈钢球阀铸件的生产，铸件尺寸精度达到CT4-6级，表面粗糙度3.2-6.4m，并很好地解决了消失模铸造碳钢和不锈钢铸件的增碳问题。Replicast CS工艺的研究主要集中在以下几个方面的关键技术上：泡沫模样制备陶瓷型制备，泡沫模脱去技术（失模工艺）及焙烧等工艺。以下主要阐述泡沫模和型壳制备，失模、焙烧工艺等关键技术的国内外研究现状。1.3.1 气化模用原材料及成型工艺研究现状Replicast CS工艺对泡沫模样性能具有以下要求：密度小、强度高、表面质量好、收缩量小和发气量低等。按照上述要求对国产原材料进行了优化并与国外同类产品进行比较 ,用于 EPC-CS 复合工艺的聚苯乙烯珠粒与EPC-V 工艺用聚苯乙烯珠粒不同 , 其中可发性聚苯乙烯珠粒（Expandable Polystyrene，简称EPS）的性能、珠粒预发泡工艺和发泡成型工艺等都对最终泡沫模质量有直接影响。为获得优质气化模要采用高密度、粒径小而均匀的聚苯乙烯珠粒 , 沈桂荣、李德成等对聚苯乙烯珠粒材料的选择集泡沫模成型工艺进行了研究得出用于Replicast CS工艺的聚苯乙烯珠粒应具有高密度和小颗粒，其粒径为0.250.50 mm,密度为 0. 10. 3 g/ cm3,可用于 EPC-CS复合工艺作气化模的聚苯乙烯珠粒的性能见表 1-1。表1-1 聚苯乙烯珠粒的性能余欢等人对大型薄壁零件的泡沫模样的成型工艺进行了研究。指出珠粒粒径越大，预发后堆密度越大；随着发泡成型时间延长，模样密度减小。预发珠粒的堆密度与最终模样密度基本一致。他还对薄壁泡沫模的尺寸收缩特性进行了研究，得出泡沫模的尺寸收缩率与其发泡成型后的冷却速率有关，冷却速率越大，收缩率越大，而泡沫模密度越大，收缩率越小；泡沫模发泡成型后，在存放过程中会有一定量的收缩，为了提高泡沫模样的精度，应严格控制泡沫模成型后的冷却条件和存放时间，尽量提高泡沫模样密度。气化模的成型包括 :制做气化模用模具的设计与加工 ,可发性聚苯乙烯珠粒的预发、干燥熟化 ,气化模的蒸气成型工艺等。该工艺的突出特点是用气化模来代替熔模精铸的蜡模 ,因此制造优质气化模是 EPC-CS 复合工艺的关键技术之一。聚苯乙烯的预发采用热水预发工艺 ,预发过程中要加入适量的分散剂 ,避免珠粒预发时粘结 ,同时要严格控制预发温度和时间 ,使预发后聚苯乙烯珠粒的体积质量为 0.05 g/ cm3左右。只有达到该体积质量的预发聚苯乙烯珠粒具有较高的再膨胀能力 ,成型后可得到表面光滑、轮廓清晰、尺寸精确、密度适宜的气化模 ,通过试验确定可发性聚苯乙烯珠粒最佳热水预发工艺见表1-2。表1-2 热水预发工艺参数预发后的可发性聚苯乙烯珠粒要在干燥的空气中放置一段时间 ,让空气渗透到珠粒的泡孔内 ,使珠粒变得干燥而有弹性 ,这个过程称为熟化。预发后的聚苯乙烯珠粒含水量很高 ,必须进行干燥 ,由试验确定可发性聚苯乙烯珠粒热水预发后的干燥熟化工艺如下:干燥熟化温度为 50 ,干燥熟化时间 12 h ,干燥时为加快速度可以鼓风 ,风速以不使聚苯乙烯珠粒沸腾为限 ,干燥后聚苯乙烯珠粒的含水量(质量分数)应小于 1 %。气化模的成型方法很多 ,一般根据加热方式不同分为: 热水成型法; 蒸气成型法 ; 蒸气冲击成型法; 高频感应加热成型法等。其中应用最广、使用效果最好的是蒸气成型法和蒸气冲击成型法 ,根据工厂的应用情况主要研究蒸气成型法。蒸气成型法是用过热水蒸气作为载热体 ,将装满预发的可发性聚苯乙烯珠粒的型(型壁装有排气塞的铝合金模具)放入蒸气室 ,通入过热蒸气 ,热蒸气通过排气塞进入母型内加热珠粒 ,使其发泡并保持到聚苯乙烯珠粒再发泡终了为止 ,此法设备简单 ,成本低 ,通过试验确定了蒸气成型法工艺见表1-3所示。表1-3 蒸气成型工艺 经过检测 ,气化模的密度0.050.08 g/cm3,抗压屈服强度0.3650.758 MPa ,气化模时效时间为一周 ,线收缩率0.3 % ,在 60 以下气化模的尺寸稳定。1.3.2陶瓷型壳制备工艺研究现状陶瓷型壳铸造法始于20世纪50年代，由英国人肖氏兄弟（Clifford&Shaw）试验成功并获得生产陶瓷型专利权，故又称肖氏法（Shaw Process）。它是在砂型熔模铸造的基础上发展起来的一种铸造新工艺。陶瓷型是由硅酸乙酯水溶液和耐火度高、热膨胀系数小的耐火材料如石英砂、锆英砂、刚玉等再催化剂的作用下经灌浆、结胶、起模、喷烧和焙烧等工序而制成的。陶瓷型铸造的主要特点有：（1） 陶瓷型铸造的耐火材料在高温下热稳定性高；（2） 陶瓷型铸造的模具使用寿命高于机械加工方法制成的模具；（3） 陶瓷型的耐火度高，高温性能稳定，可用来浇铸多种合金，如高温合金、合金钢、碳钢、铸铁、铜合金、铝合金等；（4） 陶瓷型可铸造重量高达十几吨的精度要求高的铸件；（5） 由于陶瓷型铸造有灌浆工序，且工艺过程难以实现机械化和自动化，故不适合生产批量大、重量轻和形状复杂的铸件。EPC-CS复合铸造用型壳厚一般为 34 mm ,因此型壳必须具有足够的强度。型壳是经配料，浸涂料，撒砂，干燥硬化和高温焙烧等工序而制成。通常，型壳应具有以下要求：常温强度和高温强度高，残留强度低，高温下不发生变形，热膨胀系数低，导热性好，有良好的透气性、热震稳定性、热化学稳定性、脱壳性以及耐火度高等性能。制备型壳的材料主要包括粘结剂、耐火材料和撒砂材料等。涂料由粘结剂和耐火粉料配成，是型壳结构的基础，其分为面层和加固层。面层涂料与金属液直接接触，其应为平整、致密、光滑的工作表面，并保证不与金属液发生作用。加固层涂料是用来加厚和加固型壳，保证型壳具有足够的强度。常作为面层型壳材料有锆砂，电熔刚玉和熔融石英；作为加固层材料多用铝-硅系耐火材料，如高岭土熟料，莫来石，铝矾土和煤矸石等。涂料常用的粘结剂主要有水玻璃、硅酸乙酯和硅溶胶三种。这三种粘结剂制备的型壳各有优缺点。水玻璃型壳采用化学硬化，强度建立快，型壳湿强度大，制壳周期短，价格低廉；但型壳表面质量差，尺寸精度低，高温强度低，抗变形能力差。硅溶胶型壳高温强度好，高温抗变形能力强，热震稳定性高，且型壳表面质量好；为水基粘结剂，型壳不需要化学硬化，使用方便，环境卫生；但型壳干燥速度慢，湿强度低，制壳周期长。硅酸乙酯型壳室温和高温强度高，抗变形能力强，铸件尺寸稳定性好，采用氨气干燥硬化，生产周期短；然而溶剂乙醇易于挥发，不利于环保，且其高温强度不如硅溶胶型壳，价格昂贵。目前，国内外主要采用硅溶胶为粘结剂制备陶瓷型壳，主要由于硅溶胶型壳具有较高的高温强度和较好的表面质量，且无污染，是一种绿色粘结剂。然而硅溶胶型壳主要通过干燥失水进行硬化干燥，水分蒸发较慢，若型壳干燥不彻底就涂挂下一层涂料，型壳会产生溶胀、剥落，因此硅溶胶制壳周期长，严重影响了制壳效率，为了解决这一问题，目前国内外开发出快干型硅溶胶，旨在缩短制壳周期，提高生产效率，取得了一定效果。制壳材料确定后 ,型壳质量决定于制壳工艺。针对不同的零部件，我们可采用不同的涂料和粘结剂。本在实验中会详细说明。1.4 研究课题目的、意义及内容1.4.1 研究目的及意义 铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。同时在资源重复利用方面铝合金还具有便于回收再利用的特点。铝合金的优良性能使其成为现有的被应用在大规模工业生产中发展最快的合金材料之一。随着汽车轻量化的要求，以及近年来制造节能减排汽车理念的提出，更为重要的是，中国铝土矿资源较为丰富，铝土矿保有基础储量在世界上居第七位，储量在世界上居第八位。资源汽车工业将加快对钢制产品的替代工作。因为用铝合金制作汽车零件，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。从铝资源上讲，铝在地球上储存量非常丰富，可以被大规模发掘利用。因此我国作为未来汽车产品的巨大潜在市场，加速铝合金相关的成型研究具有重大的意义。目前实际应用的铝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铝合金铸造方式。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铝合金构件的需求，限制了铝合金在大规模生产应用中的推广。所以在铝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。进气管是汽车发动机的重要零部件之一。若进气管内壁光滑，可减少气体的流动阻力，提高发动机功率。用砂型铸造方法生产的进气管不仅管道内壁粗糙，而且容易出现偏芯现象，使管道壁厚不均匀。由于目前的大多数铸造工艺在生产较大尺寸的复杂薄壁精密铸件时经常遇到许多问题，比如成形困难、铸造缺陷多、品质低等。本研究进行了在真空低压消失模壳型铸造技术中，基于泡沫模样的高质量型壳制备材料及工艺的选择及优化，主要将进行消失模壳型铸造陶瓷型壳制备工艺优化研究，旨在为铝合金进气歧管消失模壳型制备提供理论依据和技术支持。而这对于国防、航空航天、汽车工业行业等领域都有极其重要的意义。1.4.2 研究内容 本课题将现有铸造技术中的消失模铸造、熔模铸造、真空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EPS白模基础上采用熔模铸造的制壳工艺，避免了熔融铝合金与EPS模型的直接接触。并且利用无粘结剂的干砂填充，负压浇注，克服铝合金消失模铸造充型能力不足。针对铝合金进气歧管消失模壳型铸造陶瓷型壳制备工艺优化研究，致力于获得具有周期短、成本低及性能优良的适合铝合金精密成形的复合型壳制备工艺。具体研究包括以下几个方面： 研究铝合金消失模壳型复合铸造的制壳材料与工艺。通过选择合适的型壳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。选择合适的浇注系统减少零件成形过程中的缺陷，提高产品质量。第二章 铸造结构分析2.1 铸件材料分析2.1.1 铸件材料的特点本文研究的铸件材料是铝合金，故铝合金的特点主要是：（1）质轻 铝及铝合金密度接近2.7，是铁和铜的三分之一。在材质轻量化的当代工业中扮演着不可或缺的角色。（2）耐腐蚀性好 铝的表面易自然产生一层致密牢固的三氧化二铝保护膜，能很好的保护集体不受腐蚀。通过人工阳极氧化及着色，可获得良好的铸造性能的铸造铝合金或加工好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金。（3）强度高 铝及铝合金的强度高，经过一定程度的冷加工可强化基体强度，部分牌号的铝合金还可以通过热处理进行强化处理。（4）导电导热性能好 导电性能仅次于银、铜和金，显然成本低廉，是电导线的常用材料。（5）加工性能和表面处理性能佳 通过添加其他金属元素，可获得铸造铝合金和变形铝合金，可加工成各种工业需求的零件。（6）焊接性能好并且无低温脆性，常常用在船舶行业中。2.1.2 铸件材料的设计要点消失模精密铸造是在实型铸造和熔模铸造的基础上发展的复合铸造工艺。该工艺的关键技术是聚苯乙烯珠粒材料的选择、气化模的成型工艺及失模工艺和震动紧实负压工艺等。聚苯乙烯模尺寸稳定 ,使该工艺能够生产大型、精密、复杂的铸件。所以聚苯乙烯珠粒应具有密度小、强度高、模面质量好、收缩量小而且稳定、发气量低等特点。泡沫模的密度不同也会对泡沫模的发气量、发气速度和体积变化、型壳和铸件表面粗糙度产生很大的影响。同时也会影响失模过程中型壳的开裂倾向。气化模的成型工艺会对后续型壳产生重要影响。聚苯乙烯的临界软化温度为80。气化模为多孔性泡沫塑料，在预发泡及成型过程中，孔内发泡剂及气体的急剧膨胀会使孔洞增大、孔壁减薄，取出气化模时，由于突然泄压会造成孔内外存在较大压差。这些因素都会使某些孔洞、尤其是模样表面的孔洞破裂，影响型壳质量。制壳材料的选择也会对型壳质量产生很大影响。制壳材料确定后 ,型壳质量决定了制壳工艺。2.2 铸件结构分析2.2.1 铸件结构要求铝合金进气岐管是发动机的重要零件，其气密性和内部质量直接影响到发动机的工作效率，由于铸件在使用状态下需要水冷却，铸件除有气管外，还有冷却水道，铸件形状比较复杂，铸造铝合金晶粒要求细化，产品必须经过0.3MPa耐压试验。汽车进气歧管如图2-1所示。对于这种形状复杂的耐压铝合金铸件一般采用低压铸造工艺或者重力铸造。其中根据产品结构特点可以采用立浇、平浇和倾转浇注。进气岐管采用倾转浇注(模具跟着浇台从090倾转，浇口杯跟着模具边倾转边进料)充型平稳，充型压力高，排气效果好。进气歧管铸件要求在气压100 KPa时泄漏量100 am3rain；但EGR(EXHAUST GAS RECYCLE废气循环再利用)通路部位在100 KPa时应无泄漏。此铸件形状复杂，弯度较大，稳压腔部位在开型状态时高于与气缸盖的安装法兰面(简称法兰面)，除了有进气道外还有EGR气道回路，砂芯定位困难，更增加了此进气歧管的铸造难度。图2-1 铸件结构11号凸台 2稳压腔 3油轨安装台4EGR通道 5EGR法兰面62号凸台7法兰面2.2.2 铸件结构设计（1）方案设计进气岐管的热节主要分布在法兰面、油轨安装台、EGR法兰面和稳压腔两端法兰面(见图2-1)，这些厚大区域容易产生铸造缺陷，是需要重点补缩的位置。铸件的凝固温度场在这些区域形成相对的高温区，在管道处及稳压腔形成低温区。此进气岐管的工艺设计的关键在于对铸件温度场、铸型温度场分布规律的分析、把握。（2）浇注系统的设计 对铝合金这类易氧化、易吸气合金浇注系统，设计的要求是不带入气体、能充分挡渣、快速平稳充型。当金属液在金属型内匀速上升时，浇注时间t为： t= （1）式中，H为金属液型腔高度，这里H计为38 cm；为上升速度，此处为4 cms，代入计算得t=95s。内浇道最小截面积A为： A= (2)式中，Q为铸件总质量，此处为98 kg；为铝合金密度，为25 gcm3；为阻力系数，根据经验取092；H(浇口杯至内浇道的高度差)为平均计算压力头，取05cm。计算得A1 440 。考虑金属型的激冷效应，取最小截面积为1 500 ，将浇道分成3个进料口，第三章 铸造工艺设计3.1泡沫模样的制备消失模壳型铸造中利用质量小、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。利用发泡成型工艺制备泡沫模原型，将充满可发性聚苯乙烯珠粒的铝合金发泡模具放入蒸气室内，密封蒸气室，通入蒸气室一定压力的蒸气，蒸气通过发泡模具上的排气塞进入模具加热珠粒，使其发泡并保持到聚苯乙烯珠粒再发泡终了为止。通过合理控制成型工艺参数，便可制备出强度高、表面质量好的泡沫模样。本课题研究的成型工艺参数见表3-1，图3-1为制备而成的泡沫模样，可见模样表面光滑，轮廓清晰。表3-1 发泡成型工艺参数成型压力/MPa模具预热时间/s成型时间/s冷却时间/s0.133090-18060 （a）整体模样正面 (b) 整体模样反面图3-1 进气歧管零件泡沫模样3.2 型壳的制备工艺3.2.1型壳制备材料的选用（1）粘接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。这是由于水玻璃的主要成分是硅酸钠（），其硬化机理是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，但是由于金属离子的存在很少，可以有效的避免水玻璃型壳中金属盐离子聚集的现象，保证了型腔内表面有较好的光洁度。采用硅溶胶为粘结剂制备陶瓷型壳，主要由于硅溶胶型壳具有较高的高温强度和较好的表面质量，且无污染，是一种绿色粘结剂。试验采用粘结剂硅溶胶化学成分和性能指标见表3-2。表3-2硅溶胶成分(SiO2)/%(Na2O)/%PH粘度/(mm2.s-1)密度/(g.cm-3)300.39-1061.150-1.20（2）耐火材料的选用铝合金熔点较低，约为 660左右，所以对制壳粉料的耐火度要求并不高。国内目前常用的耐火材料有石英粉、刚玉粉、铝硅系轻质耐火材料、莫来石粉、镁砂和锆英粉等。其中刚玉粉镁砂和锆英粉耐火度高，且性能稳定，但价格过高。石英粉价格便宜但是膨胀系数较大，易导致型壳变形开裂。所以从价格和综合性能方面考虑本文选用铝矾土粉作为耐火粉料，铝矾土粉性能如表3-3所示。表3-3 铝矾土粉成分(Al2O3)/%(SiO2)/%(Fe2O3)/%(ZrO2)%耐火度/80161.5-17903.2.2 型壳的制备在消失模-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备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。消失模-壳型复合铝合金铸造工艺是采用消失模铸造所用 EPS 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：EPS 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 EPS 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。利用空型壳直接对铝合金进行浇注，有效的避免了由于铝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3-2所示。图3-2 型壳制备工艺流程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。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间的密实度的作用。不同粉液比对涂料粘度、密度、涂片重及型壳强度有不同的影响规律。为了获得合适的型壳，将表面层、过渡层和加固层涂以不同的涂料。如表3-4所示。表3-4 型壳制备工艺参数型壳层次涂料粉液比涂料粘度/s涂料密度/g.cm-3撒砂/目表面层铝矾土硅溶胶2.2351.8670/100目铝矾土砂过渡层铝矾土硅溶胶1.8221.8030/60目铝矾土砂加固层铝矾土硅溶胶1.5151.7410/20目铝矾土砂（1）涂料配制：事先确定要配制的粉液比，称取标准重量的粘结剂，按照粉液比称取相应的耐火粉料，向耐火粉料中加入1%的锂基膨润土，选择JFC和正辛醇做润湿剂和消泡剂。先将盛放粘结剂的制壳操作桶置于搅拌机下以恒定转速搅拌（800r/min），先加入润湿剂（JFC），搅拌均匀后，缓慢加入耐火粉料，加入速度以保证粉料不结块为宜，最后加入消泡剂（正辛醇）。加密封盖防止水分蒸发，搅拌2-4h左右，可根据涂料搅拌是否均匀的情况延长或缩短搅拌时间，最终得到涂料。（2）涂挂涂料：制备涂料后，将泡沫模样浸入涂料中，上下、左右转动，使模样表面均匀地涂挂一层涂料，然后取出模样除掉多余涂料，以涂料不再下滴为准；然后自上而下均匀重复撒砂，待砂层粘附平整且均匀时，停止撒砂，放置干燥；待干燥完全后再挂涂料、撒砂制备下一层型壳，注意涂挂每层涂料前，要清理掉上一层的浮砂，然后涂挂撒砂；重复进行以上操作，最终获得具有一定厚度的陶瓷型壳。本实验中制备的型壳为三层：表面层、过渡层、加固层，由表面层到加固层撒砂的粒度逐渐加大，具体数值见表3-4。表面层的干燥时间为2-3h，不吹风。过渡层和加固层的干燥时间为3-4h，适当吹风，根据温度和湿度的情况合理控制干燥时间。（3）失模及焙烧试验研究：根据张展等人对 EPS 泡沫模型在失模过程中体积变化的研究发现：EPS 泡沫在失模过程中伴随这温度的升高会存一个体积变化的过程。当 EPS 泡沫在成型后在加热到 80左右时开始剧烈膨胀，在 98左右时达到膨胀的最大点，当加热到 105泡沫珠粒破裂，泡沫整体结构开始坍塌收缩。所以在失模过程中由于存在一个泡沫模型体积膨胀的过程，如果失模温度控制不当则会发生型壳开裂的情况。之所以会发生体积膨胀的过程是由于在其珠粒中残留有没有挥发完毕的发泡剂，这些发泡剂在升温过程中会再次剧烈挥发使得泡沫珠粒体积发生膨胀，从而导致白模整体发生体积胀大的现象。本实验采用低温烧模（200-300）工艺进行失模。低温失模得到的型壳完好，但内壁有一定的残留物，这部分残留物可通过后续的焙烧工艺进一步去除。失模的作用是去除型壳内的可融性物质以保证型壳透气性和内部的光洁与干净；而烧结的作用是通过高温焙烧，使得型壳材料之间可以充分扩散反应并融合，以大幅度提高型壳整体的强度。针对强化型壳的制壳工艺，在型壳在失模后选择在 600对型壳进行烧结。3.3 浇注系统设计在浇注系统设计中首先要对浇注位置进行选取。根据合金的凝固原理和生产经验，浇注位置的选取基本原则如下：（1）铸件的重要部位应朝下放置；（2）铸件的重要加工面应朝下或者呈直立状态；（3）保证合金液能充满型腔；（4）有利于铸件的补缩。根据浇注系统在铸件上的位置，一般分为顶柱式、底柱式、阶梯式等。进气歧管是发动机上的一个重要部件，该部形体独特，管路结构复杂，管壁厚薄不一，可以说是发动机上的形状、管壁厚度变化最大的零部件，属于典型薄壁复杂铸件，采用一般的铸造成形工艺难以获得高质量铸件。根据该零件的特点以及该零件可以设置浇注系统位置进行分析后得出，该零件的浇注位置只能选取在零件侧面或者顶部。浇注系统设置于顶部和侧面便于切除，该部位为平面可以方便加工。图3-3 进气歧管零件尺寸图图3-3为进气歧管零件的尺寸图。图中可以得出该零件尺寸为410mm*164.2mm*250.7mm，通过计算机分析该零件得出其体积为3140cm2，合金材料为铝合金，计算的出其铸件质量G=8.478kg，根据有色金属浇注系统最小横截面积经验公式 计算计算得出，其中G为铸件的质量，K为比浇速度，铝合金一般选取0.7-0.8。t为浇注时间，浇注时间计算公式可以采用t=k，其中k为经验因子。L为流动修正系数，一般取1.0。浇注实践t=11.6s。浇注系统最小截面积为Smin=8.478/（4*11.6*1.0）=0.913cm2。该零件采用封闭式浇注系统，铸件质量小于20kg，其浇口比设计为：=（24）：2:1。目前，市场上主要采用重力浇注工艺进行铸造成形，其中根据产品结构特点可以采用立浇、平浇和倾斜浇注。采用重力浇注工艺所得的铸件外形完整，表面质量较高。对此初步设计如图3-4浇注系统，结合上述计算分析设计的该进气歧管零件浇注系统为：35mm25mm20mm的内浇道2个，150mm40mm35mm放入横浇道1个，直径30mm150mm的直浇道1个。 带浇注系统的泡沫模样 进气歧管零件型壳图3-4 进气歧管零件双内浇道图3-4为进气歧管零件双内浇道。合金液在充型过程中通过直浇道填充满横浇道后经过内浇道后进入铸型，金属液向上逐步推进充填铸型直到充满型腔。凝固过程中，除上部厚大部位外，其余部位基本按照从上到下的顺序凝固，使得浇注系统能够最大限度进行补缩。浇注系统作为最后