水平离心铸造中金属型涂料的选择与应用

水平离心铸造中金属型涂料的选择与应用

1离心锁制造技术的研究现状1.1铸造转速对铸造质量的影响在生产过程中，确定铸造机的旋转非常重要，它直接影响着铸造机的质量和产量。转速过低,离心力不足,易导致铸件充型不良,水平离心铸造中就会出现雨淋现象;但转速过高,不但会浪费资源,而且会使铸件产生纵向裂纹,成分偏析等缺陷。目前对铸型转速的确定主要有表1中所列的6种方法:1.2热模法离心铸造技术涂料及涂料工艺的改进对铸件质量的提高有极大地作用。在离心铸造生产中,金属型内表面涂敷涂料的主要作用是:降低金属型所受的热冲击、控制合金液的冷却速度、形成合理的铸件表面、使铸件容易脱模。我国离心铸造所用的涂料多存在劳动条件差,粘砂严重,表面硬度高及涂料层不易扩散等缺点。河北机电学院研制的以高铝土为主,并添入少量S.A、S.B粘结剂及微量PVA的新涂料。通过测定3种新涂料的比重、悬浮性、触变性、烘干抗裂性、附着性、涂料硬度、发气性、高温急热抗裂性、高温强度等指标,发现其中两种由于采用了无机高温粘结剂和粒度小的耐火材料,结果提高了涂层的硬度和高温强度,使涂层开裂时间大于金属液凝固时间,有效地防止了金属渗漏,抑制了粘砂;针对中高合金钢铸件、碳钢钢管外表面易产生针孔、麻坑,内表面易产生花纹、夹杂、气孔、缩孔等铸造缺陷,辽宁工业大学贺奇等利用4因素3水平的正交实验配置出硅藻土10%,硅溶胶8%,CMC0.1%,膨润土5%的水基涂料。在叙述了涂料的制作工艺及其性能后,将新涂料用于浇铸模温200℃,ZG45缸套中,结果发现铸管表面光滑、无疤结和表面气孔;吉林省白山市科研所发现,用于热模法离心铸造的硅藻土隔热涂料中硅藻土的粒度分布状态与涂料的性能和铸件表面粗糙度有直接影响。通过对涂料粉料颗粒分布状态的分级调配,可获得性能优良的隔热涂料;对专用于风冷内燃机、风冷发动机中的风冷缸套,欧美国家用一种特殊涂料生产出的风冷缸套表面呈现“杨梅”状,即形成具有一定高度和密度的、均匀的毛刺,增大了缸体与缸套之间的结合强度和散热效果。这一技术,我国的部分技术单位也已拥有;新兴铸管股份有限公司研究表明,耐火骨料中的发气物主要是吸附水与结晶水,但经高温焙烧后,发气量会显著下降。粘结剂发气量最低是聚合氯化铝,悬浮剂发气量最低是膨润土。涂层的烘干温度越高,保温时间越长,发气量越小,其中在350℃保温1～2小时,可防止气孔缺陷。此外,耐火骨的密度越大则悬浮性越差,而耐火骨的粒度越小,悬浮性越好;不同涂料的悬浮性也不同,其中海藻酸钠涂料悬浮性最好,羧甲基纤维素钠涂料次之,膨润土涂料最差。1.3离心铸造气孔形成机制的研究离心铸造工艺根据自身特点,为了优化工艺,提高产品质量,充分发挥离心铸造的优点,在铸造熔炼各种金属时,要求熔炼出的金属有合适的成分、有适当的浇注温度以及高的纯净度,人们对此进行了大量的研究。上世纪八十年代初,前苏联研究发现,正交电磁场对液态金属的除气作用效果明显。近年来,山东工业大学开展了电磁搅拌对铝钛硼合金净化的研究,结果表明电磁搅拌对金属液除杂的作用巨大、效果明显,除杂率可达90%以上。虽然这些研究没有直接在离心铸造中进行,但对离心铸造中合金液的净化提供了宝贵的指导作用;河南科技大学通过对水平离心铸造气孔形成机制的实验,推导出金属液中侵入气体的气泡半径:r=2σ/(K·ρg·R2·ω2)式中σ为液态金属的表面张力,N/m;r为气泡半径;K为反映金属落流表面形状效应的系数;ρg为气体密度,kg/m3;R为铸型内气体的最大回转半径;ω为铸型旋转的角速度,rad/s;由于实际铸件中的气孔尺寸总是有限的,因此上式的临界值为:(R⋅ω)0=√2σ/(Κ⋅ρg⋅r0)此式表明如果铸件半径与铸型角速度之积小于该临界值,气体运动边界层中气体就不会侵入金属液。如果忽略液态金属中的紊流,根据气泡上浮速度可得:v=8σ2·(ρ-ρg)/(9K2·ρ2g·η·R3·ω2),式中η为液态金属的动力学粘度,Pa·s;ρ为液态金属的密度;此式表明在水平离心铸造中,铸件半径越大或铸型转速越高,浇铸过程中形成的气泡越难从金属液中逸出,并且铸件半径的影响比铸型转速更显著;大连机车车辆厂设计了一种在金属型周身设置排气孔的方法。通过生产表明,在离心铸造中,利用这种带排气孔的金属型可以使浇注产生的气体顺利排出,提高了气缸套的质量,降低了废品率,为企业年省开支74万元以上。1.4凝固过程分析铸件性能的好坏是由铸件本身的成分、组织结构决定的,离心铸件也是如此。由于离心铸件的偏析较为严重,所以对离心铸件成分均匀化及减少偏析的研究一直都是焦点问题。电磁离心铸造既保留了普通离心铸造组织致密、缩松及气孔少等优点,又可通过电磁搅拌作用,改变普通离心铸造中的粗大柱状组织为均匀的等轴晶组织,并使第二相均匀分布,减轻成分偏析。贺幼良等人对电磁离心铸造工艺、凝固的力场分析及有限元法对电磁离心凝固过程熔体的流动和传热进行耦合分析,建立了物理参数G/R和GR(G是温度梯度,R是界面生长速度)与金属凝固组织之间的关系。并通过计算这两个物理参数的值,对电磁离心铸件的凝固组织进行了定性分析,较为准确地预测出铸件凝固时组织的变化;沈阳工业大学对离心铸造铅青铜偏析进行了研究,结果发现,混合稀土能促进铅在整个合金中的均匀分布。但是混合稀土的加入量过少,防止铅偏析的效果不明显,加入量过多又会引起合金氧化、流动性降低、操作困难等问题,其通过实验确定了牌号为ZCuPb15Sn7的铅青铜合金,混合稀土适宜加入量为0.5%;西安理工大学用离心铸造与重力金属型铸造对比的方法,证明了离心铸造的白口铁基体比重力铸造含更多的细化等轴晶,并且白口铁的共晶产物(莱氏体+碳化物)少于静力金属型铸造的白口铁,其中离心铸造白口铁中的碳化物呈板块状,而屈氏体进一步得到细化,从而使铸件的力学性能高于重力金属型铸件,尤为韧性最为明显;大连铁道学院在实验中向正在凝固的灰铁离心铸件内表面喷水,喷水时间在浇注后14～16s,直到铸件内壁冷却到黑色(400℃以下)为止。通过实验证明,采用这种喷水冷却的方式可以增大灰铁件的结晶过冷度,使组织细化,起到代替合金元素的作用。并指出在此过程中,只要控制好喷水开始的时间与喷水的流量,铸件是可以达到要求的。1.5面流量计法测量模温将计算机技术运用到离心铸造生产过程中,将会更好的控制离心铸造的诸多工艺参数,极大地提高劳动生产率,是离心铸造一个重要的发展方向。西安交通大学与石家庄金刚石集团通过优化缸套离心铸造生产工艺,对离心铸造主要的工艺参数:铸型转速、铸型模温、冷却工艺、浇注速度进行了控制研究。指出离心机转速可用激光转速表控制;利用红外线测温仪取代传统的接触式热电偶表面温度计测量模温,不仅减小了测量误差,而且还可确定不同机型的最佳模温,以及绘制出各种机型的铸型冷却曲线,从而确定生产节拍;利用工业PLC机控制冷却工艺;根据韩国金属材料学会研究简讯介绍,采用数学分析方法可以预测离心铸造熔融金属流场和热处理过程中产生的缺陷;采用VOF法可分析浇注期间熔融金属自由表面的特征;用温度循环法可分析凝固期间凝固潜热释放的热量;在离心铸造厚壁铸钢套管中,铸件常出现横向大裂纹与横、纵微裂纹。对这种铸件上的缺陷,太原科技大学进行了专门的研究,研究发现横向大裂纹多出现在距浇注端80mm处,而微裂纹不易发现,但打压时会渗漏。这些都与转速、浇注速度有密切的关系,为减少这些缺陷在刚开始浇注时应采取大流量快浇注和大转速的方法,当金属型充满后应降低浇速、防水冷却、降低转速;在用离心铸造方法生产DN>500mm的球墨铸铁管时,铸铁管常会出现椭圆缺陷而报废。张钢铸管公司的研究表明,此缺陷主要产生于管模安装、化学成分及热处理、拔模及铸管堆放等生产工艺中。因此,对症下药,该公司在生产中正确安装、调整管模径跳、严格控制化学成分与拔管温度,合理改善退火工艺和铸管堆放方法,现已杜绝了椭圆缺陷,为企业带来了巨大的经济效益。1.6抗冲压离心铸造技术近年来,电磁离心铸造已经越来越受到人们的关注,电磁离心铸造是指一种能有效改善离心铸件组织及性能的新工艺,即在离心铸造过程中对液态金属进行电磁搅拌。东北大学贾光霖等人建立了电磁离心铸造中液态金属的速度分布方程,并且分析了成分不同的液相和游离固相的运动规律,得出在电磁离心铸造中,液态金属受电磁力与离心力的交互作用,而且在铸件凝固的界面前沿存在着强烈的冲刷。这种冲刷使合金液中各相间及异相质点与基体之间由于在电磁特性上的差别,呈现出不同的运动规律,因而可以控制它们的偏析程度。清华大学对外加磁场的离心铸造高速钢轧辊组织及性能进行了研究,运用XRD、SEM等手段发现外加磁场后,铸件中残留奥氏体的含量明显降低,特别在外加磁场为0.15T时,残留奥氏体的含量达到最低。此外,随着磁场强度的增加,碳化物数量增多且更细小、弥散,进而提高了铸件的硬度。2离心铸造技术的应用现状2.1离心铸造技术离心铸造按照铸型旋转轴位置的不同,可以分为水平(卧式)离心铸造与垂直(立式)离心铸造两类。在我国水平离心铸造发展较为广泛,其相关技术与产品也较垂直离心铸造更为完善与丰富。而近些年,随着离心铸造技术的日新月异,垂直离心铸造也得到了发展。上海大隆铸锻厂对垂直离心铸造工艺进行了研究,并在所形成的理论基础上进行了00Cr25Ni6Mo2N双相不锈钢叶轮、3Cr24Ni7SiNRE为材料的还原罐封头的生产。铸件的成品率高达80%以上,成本大幅降低,铸件质量显著提高;钛合金具有重量轻、强度高、兼容性好等优点而被用于航天、军工等领域中。但是它的制造和加工费用昂贵,限制了其在各个领域的广泛使用,为了降低钛合金的生产成本,利用立式离心铸造是一种行之有效的方法。哈尔滨工业大学吴士平等首先对国内外钛合金离心铸造做了总结,之后对石墨型Ti合金立式离心铸造中熔体横截面的变化规律,以及旋转方向对充填顺序进行研究,指出在离心力场下,柯氏力对熔体运动方向的改变影响非常大,当熔体填充到最远端时,由正向填充转为反向填充。分别讨论了横浇道内侧有、无内浇道两种情况下的熔体填充过程;哈尔滨工业大学对立式离心铸造钛合金熔体填充量进行了数值模拟与试验研究,证明了填充量随离心转速的增加而增加,但是转速过高却会导致熔体填充量的下降,此外,横浇道的截面积对填充量的也有影响;河南科技大学对立式离心铸造的缩松锁孔进行了数值模拟,并将理论判据应用到软件中发现采用半球形冒口钛铝合金铸件缩松锁孔少于锥形冒口的铸件,研究结果为钛合金产品在垂直离心铸造中的推广奠定了基础。2.2离心铸造材料功能梯度材料(FunctionallyGradedMaterials,简称FGM)是指构成材料的要素(组成、结构)沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续梯度变化,从而使材料性质和功能也呈梯度变化的一种新型材料。利用离心铸造中的离心力可以较容易的生产出功能梯度材料。吉林工业大学于思荣等对此进行了详细的总结及实验研究指出,利用离心铸造法制备梯度功能材料的发展、现状及热点问题。其中对强化相质点梯度分布控制数学模型的研究、离心铸造的梯度功能材料的实验研究做了详细的介绍;武汉科技学院对离心铸造Al-Fe合金梯度功能材料的温度场、初生相浓度场进行了数值模拟,最后通过模拟结果及图像得出结论:随着转速增大,离心半径越大,初生相浓度越高;随着离心半径增大,初生相浓度增大,组织呈现梯度变化。2.3复合铸造复合材料的制备方法复合材料(Compositematerials),是以一种材料为基体(Matrix),另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。传统的金属基复合材料(MMCs)具有制造成本低、良好的力学、物理性能等优点。自1984年平井敏雄等用化学气相沉积法(CVD)制备出C-SiC功能梯度复合材料以来,人们就开始了用离心铸造法制造复合材料的研究。重庆大学王开等将惰性气体保护搅拌铸造法的复合材料制备方法与离心铸造成型技术结合起来,制备出增强颗粒具有连续梯度分布的复合材料盘状件,将对离心铸造SiCp/ZL104复合材料盘状件组织与性能进行了研究,测量了在径向不同位置的试样的孔隙率、密度、硬度和增强颗粒体积分数。试验结果表明,将复合材料复合铸造法与离心铸造成形技术相结合后,可在复合材料界面结合良好的情况下,实现部分SiC增强颗粒沿径向方向上的联系梯度分布,同时降低复合材料的孔隙率,提高材料致密度,增加材料洛氏硬度;北京科技大学对离心铸造颗粒增强金属基复合材料的硬度进行了研究,他们从五个方面对试样硬度呈梯度变化做出分析,并通过回归分析建立了复合材料硬度随外表面距离变化的数学模型:y=β0+β1·x+β2·x2+ε,ε～N(0,σ)式中x为距复合材料外表面的距离,y为材料的显微硬度,β0、β1和β2为常数,ε为随机误差,服从正态分布;大连理工大学对钢-铸铁双金属套筒类铸件进行研究,指出夹渣(杂)是双金属离心铸件的一种主要缺陷,它可以形成于铸件内任意部位,但主要集中在接合区和内层,很多套筒类铸件就是因为这种缺陷而报废的。他们通过对夹杂物的SEM形貌分析得出,这种夹杂物不能利用离心铸造的排渣