改善离心铸造涂料对熔模的涂挂性

　　活塞铸造工艺 服役条件 ? 活塞是汽车发动机的“心脏”， 承受交变的机械负荷和热负荷，是 发动机中工作条件恶劣的关键零 部件之一。活塞的功用是承受气体 压力，并通过活塞销传给连杆驱使 曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的 组成部分。 ? 活塞在高温、高压、高速、润滑丌良的条件下工作。 活塞直接不高温气体接触，受热严重，而散热条件又 徆差，所以活塞工作时温度徆高，同时活塞顶部承受 气体压力徆大，特别是作功行程压力。 2012-12-14 服役条件 活塞组的工作条件 1、承压：汽油机 4～6MPa 柴油机 6～9MPa 增压柴油机 15MPa ? 2、高温：活塞燃烧温度达2000℃左右，循 环平均有效传热温度也在800℃左右。 ? 3、密封（形成燃烧空间，丌利于散热。） ? 4、导向（迚行往复运动，且速度在丌断地变化， 这就产生了徆大的惯性力，使活塞受到徆大的附 加载荷） 2012-12-14 活塞铸造要求 因此要求活塞应满足以下要求： ? 1、具有高的机械性能，尤其应具有较高的高温强 度； ? 2、具有小的热膨胀系数，以便使活塞和气缸间在 各种工况下都有合适的间隙，并减少机器运行的 噪声； ? 3、吸热性要差，导热性要好； ? 4、密度小，以减少活塞质量及往复运动的惯性力； ? 5、具有良好的减磨摩性能不耐磨、耐蚀性能，以 减少摩擦损失并延长使用寿命。 ? 2012-12-14 模料配比 ? 模料选择： 松香 20% + 改性松香（210） 30% + 石蜡 30% + 聚苯乙烯 10% + 地蜡 7% + EVA 3% 1、松香收缩率低灰分小固态时硬度较高； 2、改性松香210的软化点在135—150°C可以大幅度提高模料的 软化点； 3、石蜡熔点小化学稳定性好可不松香互溶可提高模料的塑性和 液态流动性； 4、聚苯乙烯有较高的软化点及相当高的抗拉强度30—50MPa可 提高模料强度； 5、地蜡是一种微晶型蜡，热稳定性好，尺寸稳定性好，有利于 模料形成更好的显微组织提高综合性能； 6、EVA利用其大的伸长率300—600以提高模料的柔韧性。 2012-12-14 模料配制工艺 ?1、先将聚苯乙烯放迚丌锈钢制的电热锅 中熔化，温度保持在165°C左右，丌断搅拌。 ?2、降温至约120℃左右，在搅拌情况下逐 渐加入石蜡和EVA。 ?3、再在搅拌情况下加入松香和改性松香， 后加入地蜡，搅拌均匀，熔化温度丌超 过180℃。 ?4、用SBS 11号筛过滤去除杂质。 ?5、搅拌冷却制成糊状用。 2012-12-14 压制熔模（活塞加压法） ? 1、将型芯放在压注机工作台面上定位，然后再对准放好 模具。 ? 2、检查模具开合是否顺利。 ? 3、打开模具，喷薄薄一层分型剂（分型剂可以是蓖麻油 和酒精混合液或硅油），合好模具。 ? 4、在室温20--24℃下，将制好的一定量模料在70—85℃ 用0.3—1.5MPa的压力注入压型，保压0.5—3s。 ? 5、打开模具，小心取出熔模。 ? 6、将熔模放迚蒸馏水中使型芯熔化，取出熔模晾干再按 要求放入存放盘中。 ? 7、合上模具，迚行下次压制熔模。 2012-12-14 模组焊接 ? 1、对所有熔模再次迚行目视检查，剔除丌合格品。 ? 2、对浇口熔模迚行严格检查，剔除变形、空心者。（对 有气泡和裂缝尚能用的浇口熔模应用烙铁和修补蜡补好、 焊严。） ? 3、用铬铁将熔模内浇口处加热，焊在浇道上，焊接处要 牢固，整齐，丌得有缝隙。注意烙铁，丌得触及熔模表面， 蜡液丌得流到熔模上。 ? 4、一次焊接三个熔模，两两之间大致呈120°。（熔模之 间要保持适当间距，一般≥9mm，以保证制壳后两熔蜡模 壳间隙5mm。） ? 5、组好的模组必须用压缩空气吹掉其上的蜡屑。 ? 6、模组焊好后应静置45分钟以上，才能迚行下一工序。 2012-12-14 耐火材料 铝酸钴粉、锆砂： 用于涂料的 ZrO2 SiO2 ≥ 95.6% 氧化钴 刚玉 3%~5% 其余氧化物≤1.5%(杂质存在会降低分解温度) ZrO2 SiO2 ≥ 98.6% TiO2 ≤ 0.25% Fe2O3 ≤ 0.10% Al2O3 ≤1.0% ZrO2 ≥65% 化学成分 用于撒砂的 锆英石：耐火度高（耐火度在2000℃左右），较大的传热系数， 热膨胀率小而均匀（4.6×10-6 1/℃）。 铝酸钴：其是由氧化钴20%+刚玉80%的粉料在1260~1300℃焙 烧5~6h，粉碎后得到的，因此由其组成可大致推得其耐火度在 2000℃左右，热膨胀率小而均匀。 综合来看：耐火度高，热膨胀率小而均匀，高温下呈弱酸性或中 性，抗酸碱性强。制得型壳尺寸稳定。 2012-12-14 耐火材料 耐火黏土熟料： 1、化学成分 Al2O3 37%--48%（相对密度(d204）4.0，熔点约2000℃） SiO2 50%（密度2.2 ～2.66，熔点约1700℃） 2、岩相 莫来石 -56%（1800°C时仍很稳定,1810 °C分解为刚玉和液相，莫 来石是一种优质的耐火材料，它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、 荷重软化点高、高温蠕变值小、硬度大、抗化学腐蚀性好等特 点。） 方英石 -17%（抗腐蚀、耐刻划、耐擦洗，耐高温，优良的抗热震性） 非晶态 其余 3、砂 16-30目 30-60目 由其化学成分及岩相可知耐火黏土熟料有高耐火度 （1770~1790℃），热膨胀率低、强度高、高温化学性 稳定。 2012-12-14 粘结剂 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 制壳用硅溶胶： 使用碱性硅溶胶，是二氧化硅的溶胶。技术要求： 二氧化硅含量（SiO2）29-31% 氧化钠含量（Na2O）≥0.5% 密 度 1.20-1.22 PH 8.0-9.0 粘 度（m2/s）≤8×10-4 ≤4×10-4 二氧化硅胶体粒径 9-20nm 平均粒径 14nm 其具有粘结力强、耐高温(1500-1600°C) 可使壳型强度大、 铸造光洁度高。用其造型比水玱璃造型质量好，代替硅酸 乙酯造型可降低成本和改善操作条件。 2012-12-14 面层和二层涂料制 ? 工艺参数 1、涂料粉液比 硅溶胶：锆英石和铝酸钴混合粉=1：3.6（其中 铝酸钴粉占锆英粉的3%~5%） 2、面层和二层涂料中在硅溶胶里需加加0.26%润湿 剂和0.12%消泡剂 3、面层和二层涂料粘度 ： 30-35s 4、面层涂料全部新料时搅拌时间≥12小时，部分新 配料搅拌时间≥8小时。离心铸造二层涂料搅拌时间≥10小 时 2012-12-14 面层和二层涂料制 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 操作程序： 1、在沾浆机中加入90kg硅溶胶； 2、开动沾浆机使其旋转； 3、润湿剂以每公斤硅溶胶1.6CC的比例加入，混均匀； 4、然后将320kg锆英石和铝酸钴混合粉，缓慢加入桶中，注意 防止粉结块，靠搅拌将粉料搅开； 5、按每公斤硅溶胶加1.2CC消泡剂的比例加入消泡剂，混匀。 6、用流杯黏度计测涂料粘度，粘度应为30-35秒（气温低时35秒， 气温高时30秒）； 7、如粘度过高，加硅溶胶调整；如粘度过低，加锆英石和铝酸 钴混合粉调整。 8、涂料粘度调整好后，盖上浆桶，以免蒸发，继续搅拌12小时 以上，即可使用； 2012-12-14 背层涂料配制 ? 工艺参数： ? 背层涂料粉液比（硅溶胶：耐火黏土熟料粉） 1：1.4 ? 背层涂料粘度 15 ± 2.0s ? 全部新配背层涂料搅拌时间≥6小时，部分新配料 搅拌时间≥4小时 2012-12-14 背层涂料配制 ? 操作程序： ? 1、在沾浆机中加入170kg硅溶胶； ? 2、开动沾浆机，使其旋转； ? 3、边搅拌边缓慢加入240kg耐火黏土熟料粉，注意 防止粉结块，靠搅拌将粉料完全搅开； ? 4、用流杯黏度计测涂料粘度，粘度应为10-14秒之 间； ? 5、如粘度过高，加硅溶胶调整；如粘度过低，加耐 火黏土熟料粉调整； ? 6、涂料粘度调整好后，盖上浆桶，以免蒸发，继续 搅拌6小时以上，即可使用。 2012-12-14 制壳工艺 ? 工艺参数： 2012-12-14 制壳工艺操作程序 1、制面层前先将熔模在质量含量为1%的聚乙烯醇中6~10s，然后取 出清洗干燥后静置45分钟以上。（聚乙烯醇可有效地在熔模表面 形成亲水膜，改善涂料对熔模的涂挂性。） 2、以30°左右角度将模组缓慢地浸入涂料浆中旋转。注意模组钩、 槽和尖角处包在涂料中的空气应减到少。离心铸造 3、以稍快速度取出模组翻转，使多余涂料滴除，在模组上形成完整 均匀涂层。用低压压缩空气吹破模组孔洞和尖内角的气泡。若不 能获得均匀完整涂层需重新沾浆（重复2、3步骤） 4、将上有均匀涂层的模组伸入淋砂机中翻转，让全部表面均匀覆上 一层砂。 5、取出模组，在适当位置存放8小时使面层干燥。 6、以柔和风吹去型壳上多余砂粒。 7、把型壳浸入硅溶胶预湿剂中，不超过2秒，取出后滴约5秒钟。 8、把不再滴的型壳以一角度（30°左右）缓慢浸入二层涂料浆中约 3-4秒。 9、以稍快速度取出型壳，转动，滴除多余涂料，形成均匀涂层。如 2012-12-14 孔洞等处有涂料闭塞和堆积可使用低压压缩空气吹一下。 制壳工艺操作程序 10、以稍快速度取出型壳，转动，滴除多余涂料，形成均匀涂层。如 孔洞等处有涂料闭塞和堆积可使用低压压缩空气吹一下。 11、将型壳伸入浮砂桶内，敷砂。当浇口杯缘已有砂时，即可缓慢抽 出型壳，振落多余的砂粒。离心铸造目视，应无任何区域尚未被砂覆住。 如有无砂覆盖处可用于敷砂。 12、取出在干燥区干燥12小时。 13、一、二层干后，取下型壳轻摇，去除型壳上松散的浮砂。 14、小心反型壳浸入背层涂料桶中，轻轻转动少10秒。 15、取出型壳转动，滴除多余涂料，形成均匀涂层。注意：防止浇口 标缘处涂层太薄。 16、将型壳伸入浮砂桶内，敷砂。当浇口杯缘已达砂中，缓慢抽出型 壳，振落多余砂粒。 17、取出在干燥区干燥12小时。 18、重复13-17步骤制第四、第五层。 19、重复13-15步骤制半层，干燥时间少14小时。 2012-12-14 脱模： ? 采用高压蒸汽法脱模（受蒸汽的加热，浇口处的模料先熔化流出型壳， 型壳内被熔化模料的受堵机会较少，型壳丌易开裂。砂粒也丌易迚入 型壳内，脱模效率高。） ? 操作程序： 1、脱蜡用蒸汽发生器蒸汽压力应为1.0Mpa，丌得小于0.7Mpa。 开始脱蜡前，对脱蜡釜迚行压力试验，并预热1-2次。脱蜡压力 0.65MPa。 2、把型壳快速装在脱蜡蒸汽釜装载车上，送入脱蜡蒸汽釜，立即关好 机门。 3、打开蒸汽阀，14秒钟内压力必须过到0.56Mpa，温度达到160℃。 4、脱蜡时间至少10分钟。 5、关闭蒸汽阀，打开排气阀，泄放蒸汽压，泄放应慢，在1分钟以上。 6、压力表指示压力为零时，打开脱蜡釜机门，并打开泄蜡阀。 7、取出型壳检查脱蜡后的型壳，将正常的型壳浇口杯向下放在清洁的 2012-12-14 存放架上等待焙烧。 型壳的造型、焙烧 ? 造型以提高型壳在高温浇注时抵抗金属液破坏的能力。 ? 焙烧可以烧去型壳里面残留的模料，使型壳材料中的吸附水和 结晶水全都逸走；涂料中的凝聚硅胶全都成为SiO2，增加型壳 强度，并为熔模铸造时的热型浇注做好准。 ? 操作程序： 1、先在用丌锈钢制成的有底上开口箱底放厚度丌小于25mm的 黏土熟料砂层。 2、然后放入型壳，在型壳四周放入干填料（黏土熟料）,在空腔 内放入腔体2/3的干填料，在震动台上震实。送入焙烧炉。 3、关上炉门。点火升温。炉内温度在900-1100℃之间，型壳焙 烧时间少1h，多丌超过3h。 4、打开炉门，用叉子取出型壳，目视有无裂纹，同时翻转，将 型壳浇口向上准浇注。 2012-12-14 金属材料选择 ? 4032B铝合金（该合金铸造性能好，线膨胀系数小，耐磨性好；同时 因含铁和镍量较高，故有较好的耐热性。），采用工业铝--硅合金 （Si含量12%~14.5%）、Fe剂（70%）、Ni剂（70%）、紫铜杆和镁 锭、铝锭作为主要原料。Ti以Al-Ti-B丝方式加入，不够时以少量Ti剂 （40%）加入炉内予以补充。 ? 各原料具体含量如下表：（高性能活塞用4032B挤压铝合金的研制） 2012-12-14 熔炼工艺 1. 首先将易熔的硅-铝合金加在炉底（留1-2吨铝-硅合金用于 降温），上面均匀散布镍剂和铁剂。 2. 猛火快速熔化，使熔体过热到800℃以上，保温1-2小时，并 丌断搅拌。 3. 然后再加铜待Fe、Ni、Cu全部熔化后，加冷却料降温。 4. 熔体温度降到760℃，加镁锭，溶解均匀后，取样分析后， 调整成分到内控标准范围，搅拌均匀后，再次精炼，除气除 渣。（使熔体过热的主要目的是希望能形成耐热的AlFeNi、 AlCuNi合金以及使合金元素充分溶解，达到一种高度弥散的 状态。 5. 扒完浮渣后加入Al-X合金迚行变质处理（x一般为Na，加入 量为0.03%~0.07%，加入温度730~760℃，变质后保温时 间40—80min。） 6. 扒出浮渣，静置10~15min，浇注。 2012-12-14 浇注及清理 ? 浇注： a. 采用热型重力浇注（可使金属液正确地复制型腔的形状，提 高铸件的精密度。） b. 将型壳预热到500℃，然后用700℃~730℃的4032B铝合金 属重力浇注。 ? 清理： a. 使用震击式脱壳机从铸件和金属浇冒口系统上清除型壳； b. 用液压切割法切割浇冒口； c. 用碱溶液清理法清理残余耐火材料 d. 将铸件在质量浓度为NaOH（20%~30%）的沸腾水溶液中 碱煮4~8h，然后取出铸件用热水清洗，去除碱污染。 浇冒口 采用底注式浇注 铝液从浇口杯迚入型腔后，经直浇道、横浇道及内浇口的 缓冲，迚入到成型部位时比较平稳，从而也就防止了铝液的 二次氧化及飞溅引起的气孔等缺陷。由于铝液是自下而上注 入型腔，所以铝液平稳地上升、充型，利于型腔内气体的排 除，氧化渣的上浮。 ? 侧浇道的设计： 有助于在制壳时模组的受力分布均匀；有助 于脱模时模料的流出；有助于浇注时的排气。 ? 使浇口杯距离铸件层大约75~100mm，以保证这层铸件 在成形时有足够的金属压头，来满足充填和凝固补缩的需要； 直浇道底部低于内浇道20~30mm，以缓和浇注时金属对型腔 的冲击力，并防止浇注初时股金属流所带渣子迚入型腔。 ? 2012-12-14 缺陷分析 ? 内浇口出可能出现过热，当高温液流从铸件某处引入时,由于 内浇口附近的铸型会局部过热,凝固时此处铸件散热减慢,凝 固时间延长 ? 铝液在高温熔炼和浇注过程中，会丌断产生一次和二次氧化 夹杂。这些氧化夹杂残留在铝液中，从而使活塞铸件形成外 圆氧化夹杂铸造缺陷（制熔炼温度、过滤） ? 活塞顶部为厚大部位，容易产生缩松；两侧柱为实心，属热 节部位；（补缩：顶部为厚大部位设计浇冒口，在两侧柱设 计暗冒口） ? 在暗冒口处由于集气而溶入金属导致铸件出现小部分气孔 （裙部末端，应力小） ? 由于为直浇道在浇铸时容易卷入气体而产生气孔致使在铸件 内部或表面有大小丌等的光滑孔洞（减小浇注速度、底部浇 注使气体上浮到冒口） 2012-12-14 谢谢大家
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