影响熔模铸件尺寸精度和表面粗糙度的因素分析

  涂料搅拌的目的是排除气体和促进粉料的均匀 混合 。为减少涂料中的气泡数量 , 在配制涂料时必须 使渗透剂和消泡剂在涂料中充分散开 , 在一开始搅拌 时加入渗透剂和消泡剂 。为此对表面层涂料的搅拌时 间进行了试验 ,配制的涂料连续搅拌 9 h , 每隔 1 h 测 定一次粘度 ,发现 4 h 以前粘度显而易见地下降 ,6 h 后趋于 稳定 。

  在熔模铸造中为减少蜡模的缩陷 , 往往在厚大 部位放入蜡芯块 ,以降低压型内腔热态蜡的截面差 ,减 少蜡模在冷却过程中由于热节造成缩陷 , 同时蜡芯块 具有一定的刚性 ,在某些特定的程度上起到限制蜡模变形的 作用 。

  铸件的尺寸精度 ,除压型的合理设计外 ,往往由于 铸造工艺过程中各工艺参数控制不当而受影响 。因此 如何正确选定这些条件 , 是高精度铸件叶片一定要解决 的问题 ,为此 ,对蜡模的尺寸和壳型进行了如下试验 。

  “毛刺” 有一定的对应关系 “小白点” , 越多 , 铸件的 “毛 刺” 越严重 。为了研究 “小白点” 形成的原因 , 将有 “小 白点” 的型壳用放大镜观察 , 发现是撒砂的刚玉砂粒 , 而且砂粒边缘是不规则的 。为了证明出现的原因 , 曾 在洁净的玻璃板的一面涂上涂料并撒砂 , 发现粘度小 于 25～30 s 时 ,在玻璃板的背面即可观察到有穿透涂 层的砂粒 。因此 ,可以认为 “小白点” 是由于涂料中固 体填料的加入量少 ,浆料的粘度低 ,致使撒砂的砂粒沉 积于蜡模的表面而形成 , 因而面层涂料粘度过大或过 小都会影响铸件表面的质量 , 怎么来控制涂料的粘度是 一个重要的问题 。 影响涂料粘度的因素主要有三方面 。 ( 1) 硅溶胶的粘度 试验是采用外加 20 %酒精和不加酒精两种硅溶 胶进行的 。加酒精的硅溶胶有减少表面能的倾向 , 它能降低胶液的表面张力 , 使胶体粒子合并成较大 的胶团 ,使硅溶胶的粘度增加 , 见图 4 。图 5 是两种 粘结剂加入填料到接近极限 , 然后在同样条件下存 放并定 期测 定粘 度的 变 化 。其 中 B 胶 液 由 于 外 加 20 %酒精 , 对粉料的润湿速度比不加酒精的 A 胶液 要快 , 涂料达到稳定的时间要早 。A 胶液虽然在每 L 内多加 0 . 5 kg 的粉料 , 还是有一定的流动性的 。随 着时间的延长 , 其粘度下降至前者相近的位置 。因 此 ,粉料的加入量应视粘结剂的粘度而定 。从提高 壳型致密度考虑 ,增加固体粉料的配比 , 对提高铸件 表面的粗糙度是有利的 。

  为了提高燃汽涡轮叶片等高温合金铸件的抗冷热 疲劳和抗机械疲劳的性能 ,铸件表面有必要进行晶粒细

  肖 : 影响熔模铸件尺寸精度和表面粗糙度的因素分析 克 表1 壳型的高温强度和高温变形率

  ( 北京航空材料研究院先进高温结构材料国防科技重点实验室 ,北京 100095)

  摘要 : 分析了蜡模工作室温度 、 壳型材料 、 涂料和金属的浇注温度等对熔模铸件完整性的影响 , 研究了壳型材料的膨胀特性 , 涂料的粘度 、 耐火粉料的粒度和搅拌时间与表面粗糙度的关系 ,探讨了控制高精度铸造叶片尺寸和表面粗糙度的方法 。 关键词 : 熔模铸造 ; 硅溶胶 ; 壳型影响

  表 1 中各试样的 S 含量均合格 ,但 3 号样 S 含量 较高 。由表 2 的硫化物含量的分布情况中可看到 , 在 距坯壳 10 mm 处 ,即裂纹产生带也观察到硫化物的析 出 ,并且 3 号样的 ( Mn ・Fe ) S 夹杂物析出量也高 。 虽然在距坯壳 10 mm 处硫化物的析出量是铸坯中最 少的区域 ,但在铸坯凝固过程中此区域形成初生坯壳 , 它厚度薄 ,温度高 ,强度很低 , 此时硫化物析出降低初 生坯壳强度的作用是特别显著的 , 稍有应力集中就产 生裂纹 。根据冶金学的观点 。( 1) 晶界脆化理论 : 在凝 固前沿大约液相分率为 10 %富集溶质的液体薄膜 ( 如 硫化物) 包围树枝晶 ,降低了固相线温度附近钢的延性 和强度 ,凹陷处产生应力作用时裂纹就沿着晶界发生 , 致使凝固前沿产生裂纹 。( 2) 硫化物脆性 : 硫化物沿晶 界分布形成 Ⅱ 类硫化物 ,引起晶间脆性 ,成为裂纹优先 扩展的地方 。 依据上述分析 ,产生凹陷及纵向裂纹的根本原因 是由下面 3 个综合因素的叠加造成的 。 ① 浇铸操作中 拉速不稳定 ,钢液面搅动剧烈导致渣液面不稳定 ,造成

  可见 ,粉料对涂料粘度 ( 或流动性 ) 的影响是明显 的 。为了获得致密的壳型表面 , 粒度的确定以不小于

  化 ,采用表面孕育法调整晶粒 ,需在表面涂料层中加入 氧化钴作为成核剂 。 根据有关联的资料的论述 ,采用硅溶胶作为粘结剂 ,用 20 %氧化钴和 M20 刚玉粉作为填料 ,外加表面活性剂 和消泡剂配制涂料 。试验首先以不同配比加入填料 , 经搅拌后测定浆料的粘度 , 然后制备壳型浇铸叶片 。 壳型的表面和铸件表面见图 2 和图 3 。

  步自由冷却 ,由于收缩应力的延续还能发生变形 ,为此 应将蜡模放在胎模内冷却 。 胎模是用石膏或环氧树脂在压型上复制出的且与 压型一致的阴模 。蜡模放入胎模后 , 在胎模的上模加 上压块 ,使蜡模始终与胎模密合 。对于不同蜡模应根 据其复杂程度来决定在胎模内的冷却时间 。

  金属浇注温度的选择 ,应以铸型获得良好填充 ,不 引起晶粒粗大和产生显微疏松为原则 。

  于高精度的铸件 。为了了解刚玉和铝矾土的特性 , 采 用长沙湘中厂生产的铝矾土和山东淄博泰砺特种磨料 厂的白刚玉 ,分别以硅溶胶作粘结剂制备型壳 ,测定膨 胀率 、 高温强度 、 高温变形率 。结果列于表 1 和图 1 。 由表 1 和图 1 可见 ,刚玉壳型的线膨胀率高 ,高温 变形率大 ,因而叶片的尺寸变化大 ,这是由于刚玉壳型 在 1 300 ℃ 左右产生软化现象 , 而浇注后壳型的温度 正好达 1 250 ～ 1 300 ℃, 这时铸件和壳型一起冷却 , 铸件产生的收缩应力大于壳型抵抗力 , 结果造成铸件 变形 。

  熔模铸造选用的蜡料 ,是由低温可塑材料组成 ,熔 点在 50～80 ℃ 之间 。因此工作室温度的变化会引起 蜡模尺寸的变化 。在没有实现室温控制的条件下 , 当 天测量的尺寸到第二天重测就可能差 0. 2 mm 。某些 熔模铸造厂由于不重视工作室温度的控制 , 铸件的尺 寸往往由于季节的不同而变化 。根据多次对蜡模尺寸 测量的结果和温度调节的经济性 ,工作室的温度在 21 ～23 ℃ 是适宜的 。

  铸坯卷渣及渣膜不均匀 ,使铸坯传热不均匀 ,坯壳生长 亦不均匀 ,形成初生坯壳薄应力集中的凹陷 。 ② 此处 铸坯内柱状晶组织粗大 ,如果铸坯硫含量高 ,易形成晶 间 S 偏析 ,引起晶间脆性 。 ③ 冷却时在铸坯拐角处拉 应力最大 ,这样就使凹陷内纵裂发生 。 3 结论 铸坯存在角部凹陷及纵裂产生的根本原因是操作 不稳定造成液面激烈扰动 ,使凝固坯壳厚度不均 ,凹陷 处铸坯内柱状晶组织粗大 ,钢液含硫量较高 ,形成晶间 S 偏析 ,冷却时产生过大应力使纵裂发生 。 因此 ,生产中要严控钢液中的 S 含量 , 稳定 工艺操作 ,防止拉速突然变化而导致渣液面不稳定 ,造 成铸坯卷渣及渣膜不均匀的情况出现 。