铝合金消失模壳型铸造的型壳制备及应用研究

论文摘要

消失模壳型铸造综合了消失模铸造与熔模铸造的某些优点,能有效解决消失模铸造生产低碳钢铸件易产生增碳缺陷和生产有色金属铸件产生较多针孔、熔模铸造生产大尺寸精密铸件困难等问题,在生产低碳钢铸件、中大型精铸件等方面具有较大优势。本文尝试将消失模壳型铸造技术用于铝合金精密零件的铸造,从高强度型壳制备入手,试验研究了型壳制备工艺及材料对铸件质量的影响,比较了重力与反重力消失模壳型铸造铝合金零件的特征及性能区别,该工艺在军工、航空航天等领域具有广泛的应用前景。系统地研究了基于泡沫模样的高强型壳快速制备工艺、型壳失模时的开裂机理。结果表明:选用硅溶胶和铝矾土分别做壳型的耐火材料和粘结剂,壳型具有较高的湿强度和高温强度,分别达到1.60MPa、2.92Mpa(涂料粉液比为2.2);综合考虑型壳表面质量、强度、制壳周期和成本,锆英粉硅溶胶为表面层,过渡层采用铝矾土硅溶胶,最外层采用铝矾土水玻璃的复合型壳是较为合理的制壳工艺。此外,撒砂材料中添加有机粘结剂可以提高型壳的湿强度,有机粘结剂为PVA时提高幅度最大达到20%,依次为糊精、CMC、α淀粉,它们的提高幅度分别达到11.3%、9.4%、5.0%。研究认为,型壳失模焙烧时开裂的原因是型壳放入高温炉后受热失水急剧收缩,由于型壳的热阻作用,泡沫模样尺寸保持稳定,从而阻碍型壳的收缩,最终导致型壳的开裂。研究了通过改善泡沫模样及型壳表面质量来降低铸件表面粗糙度的材料与方法。试验结果表明:硝化棉成膜涂料和液蜡凝固形成的致密光洁层能够填补泡沫模样表层珠粒之间的沟槽,防止表层涂料通过沟槽渗入内层珠粒空隙,从而消除型壳表面的纹网结构和毛刺,降低铸件表面粗糙度。涂挂硝化棉成膜涂料的泡沫模样及其制备的型壳的表面粗糙度(Ra)分别由原来的3.0μm、4.5μm降低至0.87μm、1.7μm;而形成石蜡光洁层的泡沫模样及其制备的型壳的表面粗糙度降低为1.1μm、1.9μm。另外,采用细小的表层涂料耐火填料可以降低型壳及铸件的表面粗糙度。当采用水玻璃作制壳粘结剂时,其中的氧化钠在高温下易与SiO2形成低熔点化合物,从而大大恶化铸件表面质量。应用铸造模拟软件对比分析了壳型铸造与消失模铸造的充型与凝固特点。结果表明:消失模壳型铸造的空腔浇注可以提高金属液的充型能力,而低压消失模壳型铸造具有充型过程平稳、补缩充分等优越性。通过浇注铝合金零件,得出的真空低压消失模壳型铸件(ZL101)的抗拉强度、延伸率、硬度分别可达到278.27MPa、8.10%、93.1HBS,比普通重力消失模铸件的231.57MPa、3.04%、79.2HBS分别提高20.5%、166.4%、17.6%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 消失模铸造的研究现状及其存在问题
• 1.2 消失模壳型铸造的优点及发展概况
• 1.3 型壳制备研究及应用现状
• 1.4 消失模壳型铸造存在问题及本论文研究内容
• 2 基于泡沫模样的高强型壳制备试验研究
• 2.1 试验材料及方法
• 2.2 改进制壳工艺提高型壳强度试验
• 2.3 添加有机粘结剂对型壳性能的影响
• 2.4 失模与焙烧
• 2.5 本章小结
• 3 改善消失模型壳及其铸件表面质量方法研究
• 3.1 改善泡沫模表面质量的试验研究
• 3.2 改善型壳表面质量的试验研究
• 3.3 铸件表面粗糙度形成机理及影响因素
• 3.4 本章小结
• 4 铝合金消失模壳型铸造的实际应用研究
• 4.1 铸造工艺设计及模拟
• 4.2 薄壁筒形零件铝合金消失模壳型铸造的实际应用
• 4.3 本章小结
• 5 主要结论与发展方向
• 5.1 主要结论
• 5.2 发展方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间已发表的论文