铝镁合金真空低压消失模壳型铸造技术基础研究.pdf

华中科技大学
博士学位论文
铝(镁)合金真空低压消失模壳型铸造技术基础研究
姓名:蒋文明
申请学位级别:博士
专业:材料加工工程
指导教师:樊自田;董选普
2011-05-14
华中科技大学博士学位论文
摘要
随着国内外航空航天、汽车工业的迅速发展,铝(镁)合金铸件得到了越来越
广泛的应用,尤其是较大尺寸复杂薄壁铝(镁)合金精密铸件。目前,铝(镁)合
金铸件的常用铸造方法有压力铸造、金属型铸造、砂型铸造、熔模铸造及消失模铸
造等,但这些铸造方法各有优、缺点,难以同时满足较大尺寸、复杂薄壁、精确成
形及高品质等要求。
本文将“消失模铸造精密泡沫模样成形”、“熔模精密铸造制壳技术”及“反重
力真空低压铸造成形”多项精密铸造技术结合起来,开发出铝(镁)合金真空低压
消失模壳型铸造新技术,该技术综合了泡沫模的低成本、收缩小、较大尺寸和结构
设计灵活,陶瓷型壳的高精度以及真空低压铸造的高性能成形性等特点,适合生产
较大尺寸的复杂薄壁铝(镁)合金精密铸件。本文进行了真空低压消失模壳型铸造
关键技术的研究,主要包括基于泡沫模样的高质量型壳制备材料及工艺、型壳失模
开裂机理、成形工艺参数优化和组织性能特征等研究内容,结合复杂薄壁铝(镁)
合金铸件的实际生产应用,形成了一套生产高质量较大尺寸的复杂薄壁铝(镁)合
金精密铸件新技术。
采用模具发泡成型工艺制备高质量泡沫模样,首次提出通过在泡沫模表面涂挂
蜡基有机物光洁剂进一步提高泡沫模表面质量,为后续制备高质量型壳打下了良好
基础。研究了影响铸件表面质量的因素,包括泡沫模表面质量、型壳表面质量、金
属与铸型间的润湿性等,结果表明:由高密度泡沫模样、优质性能涂料、硅溶胶粘
结剂和细粉料等制备的型壳可较大改善铸件表面质量,采用真空压力下浇注、开设
型壳排气孔等也可提高铸件表面质量。
通过对不同材料制备的型壳的组织性能分析和涂料粉液比对涂料、型壳性能影
响规律探讨,进行型壳制备关键材料及工艺研究,获得了优化的制壳工艺;对硅溶
胶型壳进行了改性研究。研究结果表明:随着涂料粉液比的增大,涂料的粘度、密
度、涂片重增大,型壳强度提高;-,锆英
I
华中科技大学博士学位论文
-。获得优化的制壳工艺为:锆英粉硅溶胶做表面层,
过渡层采用铝矾土硅溶胶,最外层采用铝矾土水玻璃。这种硅溶胶-水玻璃复合型壳,
表面质量好、强度高、制壳周期短、成本低及脱壳方便。将助粘剂聚乙烯醇(PVA)
与耐火材料相混合,通过雨淋方式撒至型壳表面可以提高涂料的稳定性、增大型壳
常温强度、缩短型壳干燥时间。
系统研究了泡沫模样材料和失模工艺特性,探讨了型壳失模过程开裂机理,提
出了“失模-焙烧”一体化方法。研究结果表明:随着泡沫模的密度增大,泡沫模的
发气量、发气速度和体积变化率增大,型壳开裂倾向增加,泡沫模密度控制在
- g/cm3范围较佳;采取随炉升温失模,型壳不会开裂;400 ℃以上高温直接
放入炉内失模,型壳因迅速失水收缩受阻易开裂;250-300 ℃低温直接放入炉内失模,
型壳失水收缩相对缓慢,失模时受到泡沫模膨胀力的作用时间较长,易于开裂;70 ℃
预烘干后的型壳直接放入400 ℃以上炉内高温失模不会开裂;失模温度越高、保温时
间越长、泡沫模尺寸越大,型壳受到泡沫模膨胀力越大,型壳开裂倾向越大。“失模
-焙烧”一体化方法为:将型壳放入炉内升温,型壳随炉升温到250 ℃时保温30 min,
泡沫模样受热液化;炉温进一步升至500 ℃保温30 min,泡沫模样气化分解;最后将
炉温升至800 ℃保温60 min,焙烧型壳。
研究了工艺参数对真空低压消失模壳型铸造铝合金铸件充型能力和内部质量的
影响规律,优化了成形工艺;推导了充型速度、加压速度及充气流量间的相互关系,
表明充型速度、加压速度、充气流量互成正比关系,因此可以通过调节充气流量大
小来控制加压速度和金属液充型速度。影响真空低压消失模壳型铸造充型能力因素
的强弱依次为充气流量、浇注温度、充气压力和真空度。铝合金真空低压消失模壳
型铸造的优化参数范围为浇注温度720-750 ℃、充气流量12-19 m3/h、充气压力
- MPa、- MPa。成形较大尺寸复杂薄壁铸件时,一般选择工
艺参数的上限值。
研究了真空低压消失模壳型铸造 A356 铝合金组织性能特征。结果表明:真空低
压消失模壳型铸造 A356 铝合金组织主要由α-Al 基体、共晶 Si 和 Mg2Si 相组成,其
晶粒尺寸较其它消失模铸