国内外消失模铸造技术研究新进展
陈尧剑 黄天佑 康进武 张 嘉
(清华大学)
摘 要 介绍了当前消失模铸造技术的两大研究热点,即:铝镁合金消失模铸造及其缺陷形成机理的研究,模样制作过程,质量评定方法和白区制模过程的研究。这些研究表明:模样表面泡沫塑料珠粒的融合程度高、内部珠粒融合程度低、密度均匀、表面光滑的模样适合生产高质量消失模铸件。此外,X光透射、扫描电子显微镜和计算机数值模拟技术已开始用于对珠粒充型、发泡过程及其最终所得到的模样质量的评定和预测。
关键词 消失模铸造;铝镁合金;模样质量
中图分类号 TG249.6 文献标志码 A 文章编号 1001-2249(2005)10-0623-04
消失模铸造技术的发展是建立在对消失模铸造进行全方位研究的基础上。现在研究手段较以前有了很大的发展:X光透射检测仪用于测试消失模模样密度分布和金属液充型过程;发泡模样扫描电镜图像用于模样质量的量化评价。计算机数值模拟技术也开始用于研究珠粒充填过程。另外,对铝合金消失模铸造缺陷产生机理研究也有了很大发展。
1 铝镁合金消失模铸造机理研究
1.1 铝合金消失模铸造充型过程
Sun WL等[1]用X透射检测仪测试了在不同的参数下,包括模样的融合程度(低和普通)、模样平均密度(20.8 kg/m3和25.6 kg/m3)、模样密度分布和涂料层透气性,铝合金消失模铸造浇注过程,得到了浇注过程各个时刻金属液前端面形状见图1,(相邻端面线时间间隔为0.2 s)。如图1所示,采用低融合度的模样浇注时金属液推进速度是普通融合程度金属液推进速度的4~5倍。图中黑圈处是模样的几个高密度点。图1 a中金属液充填低融合度的模样时在这些高密度点受到了阻碍,金属液前端面线在这几处汇聚;而图1 b中高融合度的模样金属液充填基本没有受到高密度点的影响。
低融合度模样浇注的铸件有较多的表面缺陷,而高融合度模样浇注的铸件则有较多的内部缺陷。图2是铸件外观图,图2 a中黑线是用来标记皱皮缺陷,和图1 a对比,可以看出大部分皱皮缺陷在金属液端面线汇聚的地方即模样高密度点,高融合度模样的内部缺陷主要在图2 b中的发散线下。研究表明:表面融合程度高,内部融合程度低,密度均匀,表面光滑的模样适合消失模铸造[1~3]。
1.2 铝合金消失模铸造缺陷机理研究
通常,铝合金消失模铸造中,金属液充型速度高于某一数值时,液态热解产物没有足够的时间逸出而残留在铸件内部,就会形成模型与热解产物相关的缺陷,如气孔、夹杂、皱皮等。Tschopp MA[4]等和Bennett S[5]等分析了这种缺陷的氧化层和碳化层分布情况及其与铝合金前端面充型速度之间的关系。
Tschopp MA等[6,7]按一个金属液面,两个金属液面相遇和多个金属液面相遇分类,详细研究了这些情况下A356铝合金消失模铸造形成碳夹杂的机理。在没有金属液面相遇的情况下,碳夹杂通常产生于金属液面最后到达的地方,否则多产生于金属液面相遇的地方。他还研究了各种铸造参数包括浇注温度、压力头、模样性能、涂料层透气性和模片厚度等对A356金属液流动性的影响,结果显示影响大小排序前3位是模片厚度、涂料透气性和模样类型。
Hess D R等研究了模样类型、珠粒类型、融合程度、合金类型等参数对铝合金消失模铸造金属液充型速度和缺陷形成的影响。结果表明对金属流动速度影响最大的是模样融合程度和珠粒类型(见图3),对缺陷形成影响最大的是珠粒类型、模样融合程度(图4)。铝合金中硅含量对流动速度影响不大,对缺陷形成有较大影响,随着硅质量分数的增加(从1%到12.3%),铸件中孔隙数目增加很快,同时针孔面积大大减少(见图5)。
Hess D R还用T180珠粒和添加了溴化物添加剂的T185珠粒进行试验,结果显示溴化物添加剂对减少铝合金消失模铸造缺陷有显著效果,基本消除了皱皮和针孔缺陷[8~10]。
1.3 镁合金消失模铸造
镁合金消失模铸造也是消失模铸造研究热点之一。刘子利等采用全因子试验设计研究镁合金消失模铸造中最重要的工艺因素:浇注温度、真空度和模样厚度对充型速度的影响(见图6)。还观测了不同真空度下镁合金充型形态,不抽真空浇注时,液态金属都是平稳的向前推进;抽真空浇注时,液态金属都是优先沿壁面先行,呈凹形快速充型[11,12]。樊自田等对镁合金真空低压消失模铸造进行了研究,图7是工艺原理图。成功浇注了多种复杂镁合金铸件并认为:真空低压消失模铸造具有低压铸造和真空消失模铸造的综合技术优势,大大提高了镁合金的铸造充型能力,是一种非常适合镁合金液态成型的铸造工艺[13,14]。
2 消失模铸造模样制作过程及质量评定
随着消失模技术的发展,所能生产的消失模铸件形状越来越复杂,消失模模样制作也越来越重要。Brian VSmith认为消失模铸件品质的80%~90%取决于模样制作部分[15]。Alfredo则认为整个消失模工艺铸造生产系统2/3的可变性及可控性源于模样制作[16]。
2.1 珠粒射料充填过程研究
Wall K.F.通过改变射料时间、压缩空气气压、珠粒罐压强和射料口直径等参数研究消失模珠粒射料过程。得到了不同的工艺参数下空气流量、气压等随时间变化曲线、每次充填的珠粒量和充填珠粒流量的经验公式,对深入认识射料过程有很大的帮助[17]。
国外推出了用于珠粒射料充填的三维数值模拟商品化软件Arena Flow。采用了生产性的发泡模具来进行射料充填试验,对射料过程进行了数值模拟。图8是射料充填试验和数值模拟的结果。
陈尧剑等采用自行设计的盒形模具进行了珠粒射料充填试验。模具内腔尺寸为300 mm×200 mm×40mm,在模具内放置各种挡板模拟各种模具形状,研究了不同形状下珠粒充填过程的空气流动、珠粒运动和压力场分布。并对整个射料充填过程进行了数值模拟(见图9)。
2.2 发泡模样品质量化研究
研究表明,表面光滑、表面融合程度高、内部融合程度低、密度均匀的模样适合消失模铸造,但这只是一个定性描述,如何定量描述一个模样的品质,这是一直困扰消失模厂家的问题。Penumadu D等用扫描电镜对模样的微观组织进行研究,用X射线和透光试验来研究模样的宏观组织。Penumadu D等对融合度不同的模样透光结果进行圆度分析,其中图10 a、图10 d是低融合度模样透光图,图10 b、图10 e是高融合度模样透光图。
可以看出,低融合度模样的珠粒较圆,高融合度模样的珠粒相互融合在一起,圆度不如低融合度模样的珠粒。图10 c是不同融合度模样的珠粒圆度对比图。显示圆度分析的方法能够确定人们一直关心的模样融合度问题,定性定量分析判断模样是否适用于某种消失模工艺[18]。
2.3 消失模铸造用珠粒研究
美国StyroChem公司研制出在EPS中添加专利成分有机溴化物添加剂。该添加剂在EPS遇热分解时,能降低EPS分解产物分子量,使EPS分解产生的气体和液体副产品可以从涂层上排出,不易在金属液中形成碳缺陷。目前该公司开发的含有溴化物添加剂的EPS原料已在消失模铸铝企业推广使用。
3 结 语
(1) X光透射检测仪已成功的用于金属液充型过程测试。
(2)对铝合金消失模充型过程研究表明:对金属流动速度影响最大的是模样融合程度、珠粒类型,对缺陷形成影响最大的是珠粒类型、模样融合程度。
(3)数值模拟技术已经成功地用于研究珠粒射料充填过程。
(4)扫描电镜、X光透射、光透射等技术已经可用于模样质量定量化评价。
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