精密铸造中大显身手的陶瓷材料

精密铸造,指的是获得精准尺寸铸件工艺的总称。相对于传统砂型铸造工艺,精密铸造获的铸件尺寸更加精准,表面光洁度更好。它包括:熔模铸造、陶瓷型铸造、金属型铸造、压力铸造、消失模铸造等。

精密铸造中设计的陶瓷材料主要有:陶瓷型芯、陶瓷型壳、陶瓷浇口杯、陶瓷过滤网、陶瓷坩埚等。

陶瓷型芯

精密铸造中,形成空心铸件内腔形状的陶瓷型芯,其性能和质量对铸件生产的质量和合格率起到重要影响。

随着现代精密铸造朝着“优质、精密、大型、薄壁、无余量”方向的发展,对陶瓷型芯的性能及工程可靠性提出了新的需求,陶瓷型芯制备技术的发展也正面临着新的机遇。

●承温性能不断提升。

随着高温合金由铁基合金、钴基合金和镍基合金向定向共晶合金及金属间化合物的发展,涡轮叶片由等轴晶向定向凝固柱晶及单晶的发展,高温合金浇铸温度不断提高,浇铸过程时间不断延长,进而对陶瓷型芯的承温能力要求不断提高。

●形状结构复杂化、精细化。

涡轮叶片气冷结构由传统的对流、回流、气膜冷却向发散冷却、层板冷却方式的改进,要求陶瓷型芯的形状及结构更加复杂精细。

●组分多元化。

合金材质的改进及合金种类的增加,要求陶瓷型芯的化学稳定性更高,适用面更宽。陶瓷型芯组分已在常用的氧化硅、氧化铝的基础不断扩展。

●材料复合化。

随着对陶瓷型芯使用要求的不断提高,单一材料已难以同时满足陶瓷型芯制备工艺与使用性能的要求,不同陶瓷型芯材料之间的复合,不同材质陶瓷型芯件之间的复合,已成为发展趋势之一。

陶瓷型壳

陶瓷型壳由多层的耐火材料加粘结剂组成,它必须具备以下四个功能:

良好的抗热冲击性能;

脱除模料时的抗胀裂性能;

浇注液态金属时,避免铸件的热裂;

与陶瓷型芯的良好匹配以控制铸件的尺寸。

型壳的制作过程是将组合成的熔模浸渍涂料,撒砂后晾干。反复浸涂、撒砂、晾干,重复多次,直至达到要求的厚度即成模组。模组用热水或高压蒸汽脱除熔模,再经高温焙烧后制得具有足够强度和高温稳定性的型壳。

制造多层壳型的耐火材料是组成熔模壳型的基本材料。壳型的主要性能如高温强度、热化学稳定性、热膨胀性、透气性、脱壳性,均受耐火材料特性的影响。壳型和铸件的表面质量还受耐火材料粒度、粒度分布、纯度的影响。因此,为了获得高质量的壳型,宜选用质量良好、性能稳定、资源丰富、价格适中,对人体健康无害的耐火材料。

高温合金壳型用的耐火材料大致分为二种,壳型面层用耐火材料,有锆英石、电熔刚玉、电熔莫来石等;壳型加固层耐火材料有硅砂,铝钒土等铝-硅系耐火材料。

浇口杯

浇口杯是漏斗形的外浇口,单独制造或直接在铸型内形成,成为直浇道顶部的扩大部分。

浇口杯的作用是将浇包倾注的液态金属导入直浇道。

浇口杯是承接来自浇包的金属液,防止飞溅和溢出,方便浇注;

减少金属液对铸型的直接冲击;

可能撇去部分熔渣、杂质、阻止其进入直浇道内;

提高金属液静压力。

浇口杯分为漏斗形浇口杯和浇口盆两类。

漏斗形浇口杯结构简单,节约金属,但撇渣效果差。

为了撇渣,一般常配合过滤网使用。

浇口盆效果较好,底部设置堤坝有利于浇注操作,使金属液达到适宜的浇注速度后再流入直浇道。这样浇口杯内液体深度大,可阻止水平漩涡的产生而形成垂直漩涡,从而有利于分离渣滓和气泡。

随着高温合金工业的快速发展,对高温合金铸造过程中的配套用品浇口杯的要求也越来越高,特别是在材料的热稳定性方面,对高温合金铸件的质量以及生产效率至关重要。

大多数的陶瓷浇口杯的耐温一般在°C左右,很难长时间承受更高温合金的热冲击,导致崩裂、掉渣,甚至碎裂,直接影响铸件的质量。

过滤网

陶瓷过滤网主要用于铸造行业的金属铸造过滤。

适用于铸钢、铸铁、铸铝、合金、有色金属铸件及大型铸件。产品广泛应用于汽车、造船、机车、农业机械、工程机械、航空、航天、机床、电器、工程管道、阀门、管件等机械制造行业的各种铸件的铸造。

泡沫陶瓷过滤器用于在精密铸造过程中过滤熔融金属中含有的金属氧化物等固体炉渣,从而提高铸件的质量和成品率。因此,泡沫陶瓷过滤器的使用促进了铸造行业的技术进步。

泡沫陶瓷滤网具有独特的三维连通的弯曲网状骨架结构,其开口孔隙率可达80%~90%,具有以下三种过滤和净化机制:

一、机械拦截。

二、整流浮渣,即过滤器的整流作用使过滤器前的转轮处于全状态,使过滤后的铁水处于稳定的层流状态,降低了铁水的氧化和冲刷反应,使夹杂物易于漂浮和捕获,减少了二次沉淀的次数。过滤后含有Ry杂质。

三、深度吸附,即进入滤板的小包裹体被吸附在骨架上,或由于与具有复杂径流的陶瓷网络完全接触而滞留在网络的死角。

通过这三种过滤净化机理,可以有效滤除金属液中的大夹杂物和大部分细小的悬浮夹杂物,达到几十微米(相关实验表明泡沫陶瓷过滤网的过滤效率高达95%,而双层纤维过滤网I)的过滤效率高。只有67%,大大降低了铸件的废品率和焊补率。此外,还可以简化铸造系统,改善金相组织,从而提高铸造工艺出品率和生产率,提高铸件的内部质量、工作性能和机械加工性能。因此,泡沫陶瓷滤网具有很好的应用前景。

坩埚

高温合金因其高温下具有优异的力学性能、良好的抗氧化和耐腐蚀性能,在国民经济和现代国防建设领域都有着广泛的应用。

真空感应熔炼是高温合金生产的重要工艺,在高温低压长时间服役过程中坩埚耐火材料的分解、溶解以及与高温合金中活性元素的化学反应都将影响高温合金的纯净度进而影响合金性能。

因此制备高热力学稳定性和耐高温熔体侵蚀性能优异的坩埚耐火材料是实现高纯高温合金熔炼的关键。

高温合金感应熔炼坩埚用耐火材料的发展、材料的热力学稳定性以及耐火材料与高温合金熔体间相互作用都是精密铸造用坩埚的关键。

氧化铝坩埚:一般用途坩埚具有抗酸性和碱性熔渣的特性,适用于广泛的合金和不锈钢熔炼。优异的抗磨耗特性和改良后的的耐热震特性,其成为目前高温合金精密铸造的主流产品。

氧化铝含铬坩埚:含铬坩埚具有高抗渣特性,较用于氧化铝于较艰辛的作业。优异的抗磨耗特性;改良的耐热震特性;特别的配方以对抗特别严重的热震效应。

氧化镁坩埚:高效抗碱性渣,用于以镍、钴和铁为基础合金的真空熔解。用于真空熔解以镍、钴和铁为基础的合金;耐特殊合金,用于半导体和靶材产业。

莫来石坩埚:高效耐热震及抗碱性渣特性。

锆石坩埚:高效抗酸性熔渣,用于非铁及贵金属。

氧化锆坩埚:高效抗酸性熔渣,用于超合金及贵金属。高效耐热震,细粒结构,适合贵金属。

浇口、冒口

浇口:就是模具中流道的末端,最接近模具型腔的窄小部分(远远小于流道平均直径),合金流通过这个小孔进入型腔。由于这一段很细,到脱模的时候可以很方便的把零件与流道中的材料扯断。

冒口是指为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。功能在铸型中,冒口的型腔是存贮液态金属的空腔,在铸件形成时补给金属,有防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用,而冒口的主要作用是补缩。冒口的设计功能不同的冒口,其形式、大小和开设位置均不相同。

精密铸造的成功很大程度上取决于生产完美的铸件的能力,要做到这一点,铸造工程师必须熟练掌握铸造工艺过程设计能力-直浇道、浇口,冒口的布置,浇注问题,浇注速度,模壳预热温度等,必须确定好模壳的尺寸和浇注参数,以使得的凝固前,进入能够快速充填模壳。充填过程中,金属不能与空气中的氧气反应形成非金属氧化物。最好金属必须凝固而不形成空隙,这样铸件才能完好。本章节主要是讲述设计工艺的方法以使得其满足以上条件。

精密铸造铸件是通过模壳中的金属凝固制成的。凝固过程的控制是通过浇注系统的设计来实现的。在凝固过程中,液态金属在模壳中冷却并凝固,形成实体的铸件,当这种情况发生时,金属原子在液体中随机排列,在固体晶格时占据规则的位置。从随机到规则就会释放能量,即熔化潜热。在固体中占的空间要比在液体中占得空间要小,如果体积减小,没有得到补偿,铸件就会收缩,精密铸件的质量是在无机非金属材料与金属材料共同的作用下保障的。



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