金属型、石膏芯复合铸造凝固过程的控制

作者：信息来源:模具 2008-5-31

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摘要：采用金属型、石膏芯复合铸造液力变距器涡轮铝铸件，通过外壳金属型的激冷及补贴的作用，以及在冒口及内浇口的部位选用冷却速度较小的发泡石膏型，而在铸件成型部位选用冷却速度较大的非发泡石膏型，实现从铸件到冒口的顺序凝固，获得质量合格的铸件。关键词：凝固。...

摘　要：采用金属型、石膏芯复合铸造液力变距器涡轮铝铸件，通过外壳金属型的激冷及补贴的作用，以及在冒口及内浇口的部位选用冷却速度较小的发泡石膏型，而在铸件成型部位选用冷却速度较大的非发泡石膏型，实现从铸件到冒口的顺序凝固，获得质量合格的铸件。
关键词：凝固；石膏型；铝合金
中图分类号：TG146.1⁺1　文献标识码：B
文章编号：1001-3814(2000)01-0053-02

Solidifing Control of Composite Casting by Plaster Mould▲

1　引言

　　涡轮液力变距器的重要零件，其铸造质量的高低，对液力变距器的液力传动有着重要的影响。目前内大多采用树脂砂芯、金属型的铸造方法，涡轮叶片在树脂砂芯中抽出。种方法铸出的铝合金涡轮流道表面粗糙度Ra＞6.3μm，尺寸精度很难保证，而且对要求叶片根部带有圆角的涡轮不能铸出。针对这种情况，我们采用金属型、石膏芯复合精密铸造方法铸造铝合金涡轮，使其铸造表面的尺寸精度＜±0.5 mm，流道表面粗糙度Ra＜6.3 μm。
　　由于石膏芯的冷却速度较小，要获得组织致密、质量合格的铸件，就必须控制铝合金液的凝固过程，实现顺序凝固，在铸件最后凝固部位设置冒口补缩。为此，我们通过对浇注与铸件各部位模数相同的模拟试样进行温度测试，设计了能保证铸件顺序凝固的铸造工艺，获得了质量合格的铸件，并对铸件的力学性能进行了测试。

2　所有石膏芯浆料的配比及性能

　　所使用的两种石膏芯浆料的配比如表1、2；测得其基本性能如表3、4。

表1　非发泡石膏芯浆料的配比(%)

<DIV align=center>α石膏铝钒土添加剂水(占粉重)40～6036～600～435～40</DIV>

表2　发泡石膏芯浆料的配比(%)

<DIV align=center>α石膏铝钒土发泡剂转数(r/min)水(占粉重)90～1000～100.05～0.21800～220050～100</DIV>

表3　非发泡石膏芯浆料的基本性能

表4　发泡石膏芯浆料的基本性能

<DIV align=center>流动半径 (mm)48h σ_h（MPa)透气性凝固时间 (min)50～800.25～0.554～810～30</DIV>　　石膏浆料中加入的铝钒土，可提高石膏浆料表面的复制性能，增加石膏芯的退让性和铸件清理时的溃散性，提高铸件尺寸的精度，减少型芯在烘干时的裂纹和变形倾向等。加入其它添加剂可调整石膏浆料的凝固时间、消泡性等，并增加石膏芯的湿强度。

3　模拟试样的设计

　　涡轮铸件为一回转体，其断面尺寸如图1所示。

图1　铸件的断面尺寸

　　按着铸件各部位实际的模数及厚度变化，设计如图2的温度测试试样。该试样为平板状，尺寸与铸件实际尺寸变化相同，即两头厚中间薄(M_A′＞M_B′,M_C′＞M_B′)。图中A′处加补贴(加工面)，A′处加补贴后的模数为20 mm，以保证冒口对铸件中心部位的补缩。其中冒口的模数与A′处的模数按如下关系式设计：M_冒口=(1.05～1.25)M_A′。

图2　温度测试试样示意图

4　合金的熔炼

　　合金材料为ZL104合金，坩埚电阻炉熔炼，采用氩气精炼，加入微量合金细化元素，浇注温度700～720℃，采用三元变质剂对合金进行变质。

5　试样温度测试结果及铸造工艺设计

　　测得图2所示各点的温度与时间的关系曲线如图3所示。可以看出，对于ZL104合金在大于650℃，试样2、3点处的温度变化较大，但在小于650℃的温度范围内，热电偶所测试样1、2、3点处的温度值满足如下的关系： T₃＞T₂＞T₁，而此时合金仍处于液态，保证了试样由金属外壳向冒口的顺序凝固，使冒口的补缩通道畅道，对获得组织致密、质量合格的铸件提供了保证。
　　从发泡及非发泡石膏型的温度测试数据中计算各自的冷却速度，对比分析温度梯度，如表5所示。

表5　冷却速度对比(平均值)

<DIV align=center>冷却速度(℃/min)750～700℃700～650℃650～600℃发泡石膏型 V_发25012515非发泡石膏型V_非33320020</DIV>

　　从表5中的数据及图3可以看出，发泡石膏型内铝液的冷却速度小于非发泡石膏型内铝液的冷却速度；而在铝液开始凝固及型壁形成较厚的凝固层后，两种石膏型的冷却速度基本趋于相同。

图3　试样各点温度与时间的关系曲线

　　根据上述测试结果，拟定出金属型、石膏芯复合铸造铝合金的涡轮在形成冒口及内浇口的部位选用冷却速度较小的发泡石膏型，而在铸件成型部位选用冷却速度较大的非发泡石膏型，再辅以补贴，即可实现从铸件到冒口的顺序凝固，获得组织致密、质量合格的铸件。从按此工艺浇注的铸件本体上取样，经535℃×4 h淬火(水温75℃)、175℃×7 h时效处理，测试的力学性能如下：拉伸强度为226～267MPa，伸率2%～4%。从力学性能数据分析来看，靠近金属型外壳的部位性能高，而远离金属型外壳的部位性能低，但比完全树脂砂铸型铸造的铸件力学性能要高。

6　与树脂砂芯铸造工艺的比较

　　采用石膏芯铸造铝合金涡轮与树脂砂芯铸造相比，由于石膏芯需要长时间的烘干，生产成本略有增加，如设备配套，生产效率与树脂砂芯铸造差不多，可进行小批量生产，但可以获得表面粗糙度低(Ra＜6.3μm)，铸造表面尺寸精确的铸件(±0.3～±0.5 mm)。

7　结论

　　(1)采用金属型外壳、石膏芯复合铸造工艺，通过外壳金属型的激冷及补贴的作用，在冒口及内浇口的部位选用冷却速度较小的发泡石膏型，而在铸件成型部位选用冷却速度较大的非发泡石膏型，这样能较好地控制铝液的凝固过程，实现从铸件到冒口的顺序凝固，获得组织致密、质量合格的铸件。
　　(2)铸件本体的力学性能为：拉伸强度为226～267 MPa，伸长率2%～4%，满足涡轮铸件的使用要求。■

作者简介：赵忠兴(1963-)，男，辽宁阜新，副教授，硕士。
作者单位：赵忠兴（沈阳工业学院铸造教研室，辽宁沈阳 110015）
　　　　　毕鉴志（沈阳工业学院铸造教研室，辽宁沈阳 110015）
　　　　　史风辉（沈阳工业学院铸造教研室，辽宁沈阳 110015）