消失模铸造缺陷的影响因素及防止措施

1、消失模铸造缺陷的影响因素及防止措施章舟 1, 唐锁云 2, 厉三于 3, 李京隆 4(1. 学林科技开发服务部 铸造研究室 , 浙江杭州310012; 2. 凯斯特化工有限公司 , 浙江杭州 311106; 3.联发消失模成型设备厂 , 浙江富阳311404; 4. 宏金隆机械工程技术研究所 , 云南 昆明650100摘要 :详细介绍了引起反喷、 气孔、 尺寸超差、 变形等消失模铸造缺陷的因素 , 分析了这些缺陷产生的原因 , 并 给出了具体的防止措施 ; 同时介绍了消失模铸造中干砂、 震实台、 砂处理及真空稳压系统的选用原则 , 浇注系 统、 浇注工艺、 真空度的控制方法等 ; 最后指出必须

2、全方位严格管理 , 才能稳定地获得合格的消失模铸件。 关键词 :消失模铸造 ; 缺陷 ; 影响因素 ; 防止措施 中图分类号 :TG249.5文献标识码 :B文章编号 :1003-8345(2006 04-0092-05Factors Causing Defects of EPC Castings Prevention MeasuresZHANG Zhou 1, TANG Suo-yun 2; LI San-yu 3, LI Jing-long 4(1.Foundry Research Laboratory, Xuelin Science and Technology Service, Han

3、gzhou 310012, China; 2.Kaisite Chemical Co. Ltd., Hangzhou 311106, China;3. Lianfa EPC Moulding Equipments Works, Fuyang 311404, China; 4. Hongjinlong Mechanical Engineering Technology Institute, Kunming 650100, ChinaAbstract:A detailed description was made on the factors causing defects in EPC proc

4、ess production such as metal spraying, blow hole, too big dimension deviation, deformation, etc. The defect reasons were analyzed and relevant prevention measures were proposed. The principles were introduced for selecting dried sand system,joltingmachine, sand treating system, and the vacuum pressu

5、re stabilizing system for EPC process production. The gatingsystem,pouring process,and control method of negative pressure was also described.It was pointed out thatqualified castings can be obtained stably only by conducting strict omnidirectional management. Key words:EPC process; defects; influen

6、cing factors; prevention measures据了解 , 该厂当时用的是敲三角试块看断口的 办法来判断蠕化效果 , 这本来无可非议。 但该厂现场 采用的是底宽约 20mm 、高约 30mm 的三角试样 , 由于蠕墨铸铁的断面敏感性较大 , 如果这种三角试样断口出现芝麻点的话 , 可能铸件本体已出现片状 石墨了 ; 我们认为 , 采用这种三角试块来判断铸件本 体的蠕化效果是欠妥的。 我们认为 , 采用图 4所示的 三角试样将更能模拟铸件凝固。3结束语影响铸件质量的因素众多 , 诸如原材料、 工艺、检测等等。 在花费大笔资金去购置昂贵、 先进的设备的同时 , 我们不能忽略基本而

7、必要的控制手段 , 包括 提供完整又能间接体现铸件特征的试块。缺少切实的分析数据是铸造不出精品的 , 整个过程将处于失控状态 , 或者合格品被误判成废品 , 造成生产成本的 额外增加 ; 或者等外品可能被当成合格品推向了市 场 , 后果难以想象。以上两个案例表明 , 只有采用科 学合理的试块才能客观的反映铸件真实的状态 , 才 能保证生产过程中质量稳定的连续性。图 4中等壁厚蠕墨铸铁件炉前三角试块Fig.4Suggested wedge specimen for on-spotcontrol of vermicular iron castings with mediumthickness75A

8、-A40AV 型缺口A180!设 备 , 仪 表 及 其 他Equipments , Instruments and miscellanea消失模铸造缺陷有 :铸铁件表面皱皮 (积碳 , 铸 钢件增碳 , 反喷、 气孔 , 尺寸超差、 变形 , 塌箱、 溃 型 , 粘砂 , 节瘤、 针刺 , 冷隔 (对火 、 重皮、 浇不到 (足 , 渣 孔、 砂孔、 缩孔、 凹陷及网纹 , 内部夹杂物 , 缩松、 组织 不均等 , 其主要影响因素如下。1白模 (模样 涂料1.1白模 (模样 常见缺陷及防止产生原因 :(1 珠粒量不足 , 未填满模具型腔或 珠粒充填不均匀 ; (2 发泡的粒子粒度不合适 ,

9、不 均 匀 ; (3 模具型腔的分布 , 结构不合理 ; (4 操作时进 粒子不规范。防止措施 :(1 珠粒大小要与壁厚匹配 , 薄壁模 样 , 应该用小珠粒 (最好用 EPMMA 、 STMMA 粒子 ; (2 调整模具型腔 内结构及通气孔的布置、 大小、 数 量 ; (3 手工填粒时 , 适当震动或手工帮助填料 ; 用压 缩空气喷枪填料时 , 应适当提高压力和调整进料方 向。产生 原 因 :(1 蒸 汽 的 热 量 、 温 度 不 够 , 熟 化 时 间过长 ; (2 珠粒粒度太小 , 发泡或发泡剂含量太少 ; (3 珠粒充型不均匀或未填满模型。防止措施 :(1 控制预发泡粒子比重 , 控

10、制熟 化 ; (2 增加通气的温度、 时间和压力 ; (3 改用粒度 较小的珠粒。产生原因 :(1 蒸汽压力不足 , 没能进入模型中 心或冷气充斥型腔 ; (2 成型加热时间短 , 发泡剂 含 量太少 ; (4 粒子过期变质。防止措施 :(1 提高模具的预热温度 , 且使其整 体均匀 ; (2 提高蒸汽的压力 , 延长成型时间 ; (3 控 制 粒子熟化时间及发泡剂的用量 ; (4 选用保质粒 料。产生原因 :(1 成型温度过高 , 超过了粒子的工 艺规范 ; (2 成型发泡时间太长 ; (3 模型通气孔太 多 , 太大。产生 原 因 :(1 模 具 未 能 充 分 冷 却 , 温 度 过 高

11、 ; (2 模样脱模过早 , 过快。防止措施 :(1 冷却模具 , 不烫手 ; (2 控制脱模 时间。产生原因 :(1 冷速太快 , 冷却时间太短 ; (2 成 型时间过长 , 使模样大面积过热 ; (3 模具过热。 防 止 措 施 :(1 控 制 冷 速 和 冷 却 时 间 ; (2 减 少 成型时间 ; (3 将模样置入烘箱 (5060 内进行后 处理 , 促其均匀 , 不使收缩过甚而凹陷。产 生 原 因 :(1 加 料 不 匀 ; (2 冷 却 不 均 ; (3 模 具结构不合理或模具在蒸缸中放置不妥当 , 局部正 对着蒸汽进口处的热区。防 止 措 施 :(1 控 制 加 料 均 匀 ;

12、 (2 调 整 模 具 的 壁厚和通气孔大小、 多少、 分布的位置 , 以此控制冷 速 , 使模具冷速均匀 ; (3 改变模具在蒸缸中位置 , 避 免局部地方对着进口处过热。产 生 原 因 :(1 成 型 发 泡 的 时 间 过 长 ; (2 模 具 冷却速度太快。产 生 原 因 :(1 成 型 发 泡 时 间 太 短 ; (2 违 反 预 发泡和熟化规范 ; (3 发泡剂加入量太少 ; (4 通气孔 太小 , 数量、 分布不合理。防 止 措 施 :(1 延 长 成 型 发 泡 时 间 ; (2 缩 短 预 发泡时间 , 降低成型加热温度 , 延长粒子的熟化时 间 ; (3 使用干燥粒子或相应

13、合格珠粒 ; (4 模具型腔 通气孔大小、 重量、 分布要合理。产 生 原 因 :模 样 与 模 具 型 腔 表 面 发 生 粘 合 胶 着。防止 措 施 :加 适 当 的 脱 模 剂 或 润 滑 剂 (如 甲 基 硅油 。产生原因 :(1 模具工作表面没有润滑甚至粗 糙 ; (2 模具结构不合理或取模样工艺不妥 ; (3 冷却 时间不够。防止措施 :(1 及时加润滑油 , 保证模具工作表 面光滑 ; (2 修改模具结构 , 出模斜度 , 取模样工艺 ; (3 延长模具冷却时间。产生原因 :模具在分型面处配合不严或操作时收稿日期 :2006-05-09作者简介 :章舟 (1937.11- ,

14、男 , 毕业于东南大学 (原南京 工学院 铸造专业 , 工程师 , 目前从事铸 造新技术的应用 推广工作。设 备 , 仪 表 及 其 他 Equipments , Instruments and miscellanea未将模具锁紧闭合。防止措施 :(1 模具分型面配合务必严密 ; (2 飞边可用披刀削去或用砂皮纸磨光 (但务必保持模 样尺寸 。产 生 原 因 :(1 颗 粒 熔 结 不 完 全 ; (2 冷 却 时 水 压过高和时间过长 ; (3 发泡粒子较粗 , 成型加热时 破裂成孔。防 止 措 施 :(1 成 型 加 热 时 蒸 汽 压 力 要 适 当 ; (2 调整冷却水压力和时间 ;

15、(3 将模样放置在 5060 烘箱或干燥室热空气中进行干燥处理。EPC 必 须 要 有 合 格 优 质 的 白 模 , 模 样 与 粒 料 (EPS 、 STMMA 、 EPMMA , 模具 , 发泡、 成型设备 和 操 作工艺等密切相关 , 绝对不能有缺陷。1.2涂料消失模铸造用涂料有其特点 :(1 涂挂性 能够很融合地浸涂和涂刷在白模 的表面上 , 干燥或烘干后不分离起壳 ;(2 流 动 性 白 模 涂 层 表 面 要 光 滑 平 整 , 表 面 粗糙度、 厚薄均匀度应一致。(3 光洁性 白模表面粗糙度影响铸件表面的 粗糙度 , 白模表面务必涂敷专用模样表面修补涂料 , 光洁平滑涂膜。 然

16、后再挂耐火骨料的涂料 , 且与白模 一起完全气化。表 面 光 洁 涂 料 和 耐 火 涂 料 必 须 满 足 消 失 模 工 艺的要求。尤其是耐火涂料除了满足铸造工艺对涂 料要求外 , 干燥烘干后必须具备一定的刚度、 强度。 白模分解时有利于气体迅速排出 , 所以对不同铸造 合金务必选择匹配的原材料和涂料制作工艺与挂涂 的操作工艺 , 才能防止因涂料引发的各种缺陷。2干砂和造型设备、 砂处理、 真空稳压2.1干砂和震实台(1 耐 火 度 取 决 于 干 砂 种 类 和 成 分 , 一 般 石 英砂 (黄砂 多用于铸铁件 ; 对铸钢件和合金温度 较 高及厚壁铸件也可用锆英砂 , 对于高锰钢件宜用

17、镁 砂或镁橄榄石砂。(2 透气性 取决于颗粒的大小。直径大 , 透气 性好 ; 直径小 , 透气性差。 形状以圆形为好 , 多角棱形 的差。大件用 20/40目 (或 <20目、 更粗 , 小件用 40/70目 (或 >70目 , 更细 。它的作用是使干砂产生无定向振动 , 充满白模 (组串、 簇群 内外并达到一定紧实度的砂 型且不损 害白模 (泡塑模样 状态。(1 有 效 振 动 紧 实 干 砂 又 不 损 害 白 模 的 造 型。 采用高频低幅振动 , 频率 3080HZ (18004800 r/min , 并根据不同白模布置在充型过程中调整频 率。振幅一般 0.51.5mm

18、, 振动加速度 12g 。 (2 振动模式 根据白模 (不同铸件 应有各种 模式 , 垂直振动和两个方向的水平振动 , 也可以采用 一个方向的振动 (如平衬板垂直布置 , 磨球组串 , 也 可实施三个方向振动 (三维振动、上下左右前后振 动 , 如阀体、 六通、 复杂泵体等 。(3 足够的弹性支撑能力 震实台支撑力应大 于砂箱 +型砂 +台面的重量总和。如果震动台的举重 力 (支撑力 小于工作时总重量之和 , 则影响造型或 根本无法成型甚至松散干砂 , 严重影响铸件质量。 震动台激振器要具有足够的激振力 , 使其达到 要求的振幅和振动加速度。激振源应多点设置 , 以产生三维方向的往复式 (无方

19、向性 振动 , 以免造成型砂定向流动 , 致使白模 受损及变形。(4 震动台性能 震动台应有足够的强度 , 刚 度和抗振动疲劳结构措施 ; 台面有合适砂箱的尺寸 和装卡砂箱的机构 ; 震动造型操作时噪音小。2.2砂处理干砂粉尘大、 降温慢、 工人填砂工作强度大 , 要 实现连续的快速生产 , 必须要有砂处理系统及设备。 型 砂 筛 分 除 块 、 除 粉 尘 、 保 证 干 砂 良 好 的 粒 度 状态 ; 磁选去除金属杂物 ; 干砂降温至 60 以下。 主要设备 :筛分、 磁选、 冷却、 水平输送、 斗提储 砂斗、 加砂器等。经处理后干砂质量 (颗粒、 含粉尘和水分等 和 温度直接影响造型质

20、量 , 从而影响铸件是否会引发 缺陷。2.3真空稳压系统真空稳压系统是为充填干砂砂箱提供稳定的负 压场 (真空度 , 使干砂在大气压力作用下定型 ; 同时 在浇注过程中将白模 (泡塑模样 氧化裂化过程中产 生的气体吸走 , 保证浇注顺利有序地进行。其要求 :设备, 仪表及其他Equipments , Instruments and miscellanea(1 真空泵功率大小要与浇注时所连接砂箱多 少相匹配 , 尤其是白模 (EPS 或 EPMMA 料 的 发 气 量 相配合 ;(2 为确保负压值平衡要有足够的稳压空间 , 且准确显示系统各部分的负压值和能有效调整。 (3 白 模 (EPS 、

21、EPMMA 粒 料 的 分 解 裂 解 气 体 (有机有害气体 应能集中作无害处理。由水环式真空泵、 气水分离罐、 稳压过滤罐、 分 配阀、 真空胶管组成 ; 砂箱结构必须与工艺 相匹配 , 自动线采用气动或机械装置 , 使真空稳压系统胶管 与砂箱真空接口对接。自由工位时由人工插接真空 胶管。浇 注 时 , 砂 箱 中 充 实 干 砂 的 铸 型 中 , 砂 粒 之 间 的气体约占 30%左右砂箱容积内气体 ; 白模在高温 金属液的热冲击下 , 迅速分解裂解的大量气体 ; 直浇 道随金属流带入的气体及上面密封塑料薄膜泄漏渗 透进砂箱内的气体。 因此 , 如抽走这些气体选用真空 泵抽气容量要大

22、, 但对其真空度的精确度要求不很 高。确定真空泵的抽气量时要考虑的因素 :浇注的 铸件大小、 白模大小、 数量、 粒子材料 EPS 或 EPMMA , 合金材质 (钢、 铁、 铜、 铝等 ; 砂箱大小和同时浇注的 砂箱数量。 消失模铸造最适用的是水环式真空泵 , 它 抽气量大 , 可 达 0.08MPa 以 上 , 可 以 在 粉 尘 、 烟 气 严 重条件下工作。 浇注大件和特大件时 , 采用二套稳压 系统并联 ; 浇注小件时仅使用一套稳压系统。 如 果 真 空 稳 压 系 统 不 匹 配 , 或 真 空 系 统 出 故 障 , 真空泵无力吸走气体则整个铸件表面发黑。3浇注系统、 浇注工艺、

23、 真空度控制和停泵3.1浇注系统消失模铸造铸件的浇注系统设置 , 它具有砂型 铸造工艺的共性和熔模精密铸造 (组串 , 簇模组 的 特性 , 更要满足白模 (EPS 和 EPMMA 粒 料 在 高 温 合 金液的流股热冲击下的熔解、 裂解、 分解气体和残留 物的排除 , 并附合合金的凝固特性设置浇冒系统。 对 于顺序凝固铸件 , 冒口应放在最高位置以便能起到 收缩和集渣、 集气作用 , 形状以球、 半 球、 柱状为佳 , 也可设多个冒口分散补缩 ; 对于均衡凝固铸件 , 必须 根据白模分解、 裂解、 熔 解特点设置冒口 , 冒口仅起 着集气集渣包的作用 , 应放置在渣尤其是有未完全 分解、 裂

24、解熔解泡沫塑料 EPS 的粘黑稠渣、 气集中的 地方或死角顶端。 总之 , 浇注系统设置不能使白模和 涂料残余杂物进入铸件 (内部或外表 为宜。 3.2浇注工艺金 属 液 的 充 型 过 程 中 , 随 着 白 模 的 气 化 , 势 必 会降低温度 , 从而影响充型速度 , 为了有足够温度来 气化白模而不影响充型 , 铸铁件的浇注温度比砂型 铸造法提高 2080 , 铸钢件提高 1040 , 有 色 合 金提高 2050 。其 中 浇 注 温 度 对 铸 件 质 量 最 为 敏 感 的 是 铸 铁 件 , 尤其对一些复杂薄壁铸铁件 (球铁件更甚 。 如白 模密度 <0.02g/cm 3

25、, 其浇注温度提高 2050 , 密度 < 0.03g/cm 3, 提高 4080 为宜。 浇注温度不足易起皱 皮 , 过高则又引发粘砂。适 宜 的 浇 注 速 度 应 使 金 属 液 在 铸 型 中 充 填 速 度等于或接近白模的气化速度 , 开始时流股过快过 急极易引起反喷、飞溅 , 也易使铸型受冲击引起紊 流 , 导致金属液包裹液态聚苯乙烯以及使气化产物 卷入其中不易排出 , 造成铸件气孔和夹渣、 夹杂等缺 陷 ; 流股太慢或时续时断极易引起冷隔、 浇不足、 对 火或皱皮、 积碳等缺陷 , 甚至塌型。(1 浇注方式EPC 工艺中浇注时使用较大的浇口杯防止浇注 过程中出现断流而使铸型

26、塌散 , 保持一定静压头达 到流股稳定快速。 浇口杯为砂型制成 , 也可采用过滤 网保护直浇道和起滤渣的作用。采用自动浇注机有利于稳定浇注速度 , 并可调 整浇注速度 , 如采用加压方法从铸型底部充液 , 采用 真空技术将金属液吸入铸型等。 手工浇注不利控制 , 受人工操作熟练程度的影响。(2 浇包EPC 铸造一般中小铸件大多采用转包。实际生产中要根据铸件的种类、 形状、 大小、 要 求和工厂实际条件综合考虑浇注温度、 浇注速度、 浇 注方式 , 确定合适的浇注工艺 , 避免出现缺陷。 3.3真空度控制和停泵EPC 真空度是最基本 , 也是最重要的。 其负压的 作用 :(1 紧实干砂铸型 ,

27、防止冲砂、 铸型崩散及型壁 移动 ; (2 加快排气量和排气速度 , 降低界面 气压加 快流股前沿推进速度 , 提高充型能力 , 有利于减少铸 件表面的碳黑缺陷 ; (3 抑制白 模材料燃烧 , 促使其 气化 ; 改善环境 ; (4 增加了流股的流动性 , 成形性 ,设备, 仪表及其他Equipments , Instruments and miscellanea通讯地址 :武汉市珞瑜路 1037号华中科技大学材料学院 (430074 电话 /传真 系人 :陈立亮、 刘瑞祥、 周建新、 廖敦明华中科技大学材料学院华 铸 CAE /InteCAST-中 国 铸 造 领

28、 域 著 名 的 模 拟 分 析 系 统 , 是华中科技大学经 20年的研究与开发 , 并在长期的生产实践检验 中不断改进、 完善起来的一项软件系列产品。 华铸 CAE /InteCAST 铸造工艺分析软件集成系统是分析和优化铸件铸造工艺的重要工 具 , 它以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件进行 铸造工艺分析。 可以完成多种合金材质 (包括铸钢、 球铁、 灰铁、 铸造 铝合金、 铸造铜合金等 、 多种铸造方法 (砂型铸造、 金属型铸造、 压 铸、 低压铸造等 下铸件的凝固分析、 流动分析以及流动和传热耦合 计算分析。 实践应用证明 , 本系统在预测铸件缩孔缩松缺陷的倾向 , 改进

29、和优化工艺 , 提高产品质量 , 降低废品率 , 减少浇冒口消耗 , 提 高工艺出品率 , 缩短产品试制周期 , 降低生产成本 , 减少工艺设计对 经验和人员的依赖 , 保持工艺设计水平稳定等诸多方面都有明显的 效果。近 年 来 , “华 铸 CAE ” 集 成 化 软 件 系 统 在 国 内 市 场 占 有 率 达 70%左 右 , 首 钢 、鞍 钢 、 东 风 汽 车 公 司 、 浙 江 大 学 、 航 天 三 院 等 160多家工矿企业、 科研院校使用该系统 , 几年来为企业带来直接经济 效益两亿多元。 中央电视台 、 全国 CAD 应用通报 都曾报道过 该系统的应用情况。 德国西门子公

30、司指定该系统是中国出口到该公 司铸件的首选模拟软件 ; 丰田汽车公司 (日本总部 采用该系统对近10个关键铸件的工艺进行模拟分析 ; 新加坡天鹅金工已购买该系统。华铸 CAE 是目前国内领先走出国门的铸造模拟分析系统。集成系统性能及技术特色 适合多类合金材质 , 包括铸钢类、球铁类、 灰铁类、 铝合金类、 铜合 金类 ; 适合多种铸造方法 , 包括砂型铸造、 金属型铸造、 压铸、 低压铸造、 熔模铸造 ; 能进行铸件凝固分析、充型分析以及流动和传热耦合计算分析 ; 能进行低压铸造、压铸、 金属型铸造的多周期多阶段全过程分析 ; 能模拟多个浇包同时浇注的复杂过程 ; 能模拟补浇工艺、 点冒口 过

31、程 ; 可以模拟缩孔缩松的形成过程 , 模拟卷气、 夹杂、 浇不足、 冷隔的 形成过程 ; 三维造型平台用户可任选 , 绝大部分三维造型系统均能与本系统顺利接口 ; 自动网格剖分、 速度快、 稳定性好、 容错能力强 , 剖分千万个网格 几分钟内完成 ; 在微机上凝固分析处理网格数可达数千万个 , 流动与温度耦合计算可达数百万个 ; 后处理采用最新可视化技术、多媒体技术 , 丰富、 直观、 生动 , 任意 实时缩放、 任意实时旋转、 任意实时剖切。分析结果三维动画自 动合成 , 动画演示直观准确 , 透彻明了 , 动态过程完整细腻。华铸 CAE /InteCAST-铸造工艺分析软件集成系统使铸件

32、轮廊更清晰、 分明。但 过 度 提 高 真 空 度 后 , 使 流 股 穿 透 力 显 著 提 高 , 穿过涂料壳膜而形成针刺、 粘砂、 结疤等缺陷。 所 以 , 真空泵的大小必须综合考虑后加以控制。砂箱内的真空度突然显著下降 , 其原因有 :(1 浇注时 , 金属液流股溢出、 飞溅将上面密封 塑料薄膜烧穿 , 破坏了砂箱内的密闭状态 ; 浇注开 始 , 直浇道没有被流股封住 , 而吸进了一些气体 , 受 热膨胀 ;(2 白模在流股的热冲击下突然产生大量的气 体 , 透过涂层经干砂间隙从抽气室被真空泵吸出 , 需 要经过一段时间 , 此时砂箱内部的真空度下降到最 低值。随后真空度又慢慢上升 , 直至浇注完毕 , 又基 本恢复到初始真空度。浇注过程中 , 铸铁件不低于 0.0150.02MPa , 最 好控制在 0.02MPa 以上 , 决不能出现正压状态。应采 用大抽气量真空泵