消失模空壳铸造新工艺「精密铸造硅溶胶制壳」

时间：2022-11-28 08:23:03来源：搜狐

今天带来消失模空壳铸造新工艺「精密铸造硅溶胶制壳」，关于消失模空壳铸造新工艺「精密铸造硅溶胶制壳」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

导读

国内钛及钛合金铸件主要采用机加工石墨型和熔模精密铸造两种工艺方法生产，但受制于技术局限性，实际生产过程中并不能完全满足客户对产品高质量、低成本、短交期的发展需求，因此非常有必要推进铸造新技术的研发及应用，与现有技术形成互补。消失模铸造具有其他铸造方法所不具备的优势，在钢铁、铝等金属铸件中已获得成熟广泛应用，但在钛合金中应用报道较少。主要对钛合金消失模覆壳铸造优势、技术方案及应用前景进行了研究。

钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、无磁性、生物相容性好等优点，是一种优良的结构和功能金属材料，可显著降低装备质量，提高装备寿命及性能，广泛应用于航空航天、石油化工、舰船、海洋工程等领域。与其它成型工艺相比，钛合金铸造能够生产各种形状复杂构件，减少生产工序，提高金属利用率。据中国有色金属工业协会统计，2017年我国钛铸件产量为417 t，受军工及高端民品等钛铸件强劲需求拉动，2019年钛铸件产量达到782t，相比2017年增长87.5%，预计2020年中国钛铸件实际产量可达1 000 t，市场规模约10~20亿元。

钛的高化学活性，易与SiO2、Al2O3等常规铸型材料发生激烈反应，只能选择价格昂贵的石墨、氧化锆、氧化钇等作为面层材料，并逐渐发展形成机加工石墨型和熔模精密铸造两种工艺。但受钛原材料价格高，钛合金铸造难度大、生产流程长、装备及工艺复杂、铸型材料昂贵等因素影响，限制了钛铸件推广应用，导致市场规模仍然较小。此外，机加工石墨型铸造存在充型能力差，表面留痕、冷隔缺陷严重问题；同时，熔模精密铸造生产大规格钛铸件生产周期长。因此，非常有必要进行钛合金铸造新技术的开发，与现有技术形成互补，促进钛合金铸造技术发展及钛铸件应用推广。

1 消失模铸造技术发展历史及特点

Shroyer H F于1956年发明采用聚苯乙烯（EPS）泡沫板加工模样代替木模，并用含粘结剂的型砂充填制造金属零件，随后Hartman公司与德国Wittemoser教授于1962年合作将该技术推广应用在工业生产。该工艺方法生产简便易行，采用该项技术生产铸铁、铸钢、铝合金等金属部件技术已非常成熟，广泛应用于汽车机械行业发动机缸盖、缸体、电机壳体、箱体、进气歧管等形状复杂部件的生产中。消失模铸造是是一种近无余量、精确成形的铸造工艺。

2 钛合金EPS消失模覆壳铸造技术

应用前景及优势

钛合金化学性质活泼，需要真空环境下熔炼及浇注，因此传统消失模铸造工艺不能直接应用于钛铸件的生产。消失模覆壳铸造技术，充分发挥消失模铸造优势，同时与熔模精密铸造技术相结合，制备模样后，利用其模型制备氧化陶瓷型壳并焙烧，再进行真空浇注生产钛铸件，可获得接近于钛合金熔模精密铸造精度和表面品质。

与铸钢、铸铁等金属大规模批量化生产不同，钛铸件普遍为单件定制或中、小批量生产。现有技术，钛铸件单件定制或小批量生产时，一般采用光敏树脂或机加工石墨型铸造，对于中等或大型尺寸铸件光敏树脂价格十分昂贵，同时近年来受环保等因素影响，石墨料价格由原来1~1.5万元/t涨至3万元/t以上，石墨料成本占钛铸件总成本达30%~60%，对于大型复杂框架式结构铸件占比更高，此外石墨型铸造无法生产壁厚≤4mm薄壁钛铸件，且表面流痕、冷隔、裂纹等缺陷严重，后工序打磨、补焊工作量大，生产成本高，同时面临环保淘汰或限制退出风险；中小型钛铸件批量化生产时，一般采用熔模精密铸造方法，但对于中大型铸件单件或小批量生产时，大型金属模具制作费用高昂，且加工周期长，同时大型射蜡机及制壳线投资较大、产能利用率低。消失模覆壳铸造具有上述两种铸造方法所不具备的优点，该技术可有效降低钛铸件生产成本，简化生产工序，缩短生产周期，并提高铸件品质。

与机加工石墨型铸造相比，可降低机加工石墨型铸件成本30%以上，同时显著改善表面质量及交期，钛合金消失模覆壳铸造具有优势为：①设计灵活，采用整体模型覆壳制备铸件，显著提高了铸件设计的自由度，同时通过模型切边组合，可生产结构高度复杂钛铸件；②氧化陶瓷型壳导热系数低、退让性好，型腔内表面光滑，可解决石墨型钛铸件流痕、冷隔及裂纹质量瓶颈，使充型性能与表面粗糙度达到或接近熔模精密铸造水平，实现4mm以下复杂薄壁铸件的生产；③无需型芯，可避免机加工石墨型型芯位置不准确或合型错位导致的壁厚不均问题，尺寸精度高；④消失模模型价格便宜、易加工，可显著降低钛铸件成本，缩短生产周期；⑤生产现场干净，无石墨粉尘污染，可满足清洁化生产要求。

与钛合金熔模铸造技术相比，消失模模型比光敏树脂模型成本降低80%以上，且在中大型尺寸铸件单件或小批量生产时，无需投资大型射蜡机及金属模具，即可实现生产，成本交期优势尤为突出。

3 钛合金消失模覆壳铸造

技术应用研究

3.1 工艺流程

钛合金消失模覆壳铸造工艺，首先选择泡沫坯料，然后机加工成铸件模型，随后经挂浆撒砂、干燥、焙烧工序，获得陶瓷型壳，在焙烧过程中，铸件模型气化消失，最终经过浇铸获得合格尺寸、表面及内部质量铸件，具体工艺流程见图1。

图1 钛合金消失模覆壳铸造工艺流程图

3.2 型壳制备及浇铸

某产品结构见图2，材质为ZTC4，尺寸精度为CT4，外观及性能符合GB/T 6614要求。选择一种消失模模型材料，其抗拉强度≥2MPa、抗弯强度≥8MPa、耐热性及尺寸稳定性≥80℃，同时高温下可热解气化，能够满足制壳支撑强度及尺寸稳定性要求。

图2 钛合金铸件

3.2.1 浇注系统的设计与模拟

利用模拟软件对浇注系统进行设计，由于按照消失模覆壳铸造工艺生产，型壳的焙烧温度为1100℃，型壳焙烧后消失模气化获得型壳。钛合金消失模覆壳铸造的模拟过程与熔模铸造的模拟过程相似；按照熔模铸造的模拟过程进行模拟。钛合金铸件的温度场分布见图3，铸件的壁厚比较均匀，在凝固过程中铸件的温度场分布比较均匀，温度差为200℃，通过温度场分布判断铸件中间区域优先凝固，铸件顶部、底端为热节部位易产生孤立的固相区，顶注式浇注系统对顶部的热节进行补缩，能消除缩松，底端热节区域缺乏补缩而产生缩松。

（a）凝固35 s

(c)凝固100 s

(e) 缩松分布

(b)凝固60 s

(d)凝固200s

(f) 成形件

图3 钛铸件温度场及缩松分布

3.2.2 钛合金铸件的生产

采用整体加工成型的方法，用数控加工机床加工铸件模样，排气试块采用粘结剂粘结（见图4），并用浸蜡工艺改善表面粗糙度。面层采用醋酸锆制壳工艺，面层材料为醋酸锆、稀土粉、锆砂，面层的粘度值控制在33~38 s，背层采用硅溶胶制壳工艺，背层为硅溶胶、莫来粉、莫来砂，背层1~背层2的粘度控制在21~27 s，背层3~最后1层的粘度值控制在13~20 s。重复挂浆撒砂、型壳干燥硬化工序，完成面层、背层制备，再将型壳直接焙烧，为防止型壳裂，焙烧时实施阶梯式升温工艺，首先升温至300℃，焙烧炉开始通风，消失模开始气化，然后缓慢升温至700 ℃，保温0.5 h，消失模气化完毕，最后升温至1100 ℃，保温5 h，获得型壳（见图5）。采用真空静止浇注ZTC4钛合金，获得铸件毛坯（见图5），经热等静压、探伤及精整修磨后获得铸件。

图4 消失模模型

5 型壳

6 铸件毛坯

3.3 检测结果与分析

采用消失模覆壳铸造生产的钛合金铸件，热等静压前内部探伤的结果见图7。可以看出，铸件的底部有缩松，实际缺陷比数值模拟的结果要少50%，缩松的位置与数值模拟的结果基本相同，消失模覆壳铸造的实际结果与按钛合金熔模铸造模拟的结果基本一致，消失模覆壳铸造工艺可以按钛合金熔模铸造的工艺进行。铸件经热等静压后，内部缺陷消除见图8，达到GB/T 6614，满足II类B级探伤要求。表面的污染层厚度为44μm，采用酸洗工艺即能去除，且表面未发现夹杂缺陷，钛合金铸件的表面见图9，表面粗糙度为Ra为6.3μm，达到失蜡熔模精密铸造Ra6.3的等级。对铸件本体力学性能进行检测，见表1，符合GB/T 6614标准要求；同时，对铸件组织进行检测，未发现夹杂等冶金缺陷及组织异常。