振动浇注致密铸造法及其应用 文档

消失模振动浇注致密铸造法及其应用

刘玉满

一、铸件结晶与冷却速度

1、铸件冷却速度缓慢是消失模铸造突出的特点

消失模铸造最突出的特点之一，是以干砂填充的铸型在负压条件下铸件冷却和散热的速度缓慢，因此铸件结晶的晶粒远比砂型铸造的铸件晶粒粗大，组织致密度也较低，同种同等材质铸件在抗拉强度、延伸率等方面的性能指标也较低于砂型铸造生产的铸件，尤其是高锰钢等合金耐磨抗磨铸件的使用寿命显著降低，这一突出问题给国内外消失模铸造生产的发展带来了极大的困扰。

以上这些问题的产生是由金属结晶的规律所决定的，如不改变其结晶的条件、过程和状态，要解决以上这些问题是不可能的。从金属学的基本学理上说，改变金属结晶的方法主要有两种：一是改变金属结晶的过冷度，二是施以“场”的影响。

2、改变铸件冷却速度的常见方法

改变过冷度通常就是加快金属液凝固过程的冷却速度。对于消失模铸造来说，比较现实的做法是采用激冷型干砂填充造型。所谓激冷型干砂主要是指高热导系数的钢砂、焦炭砂和石墨砂三种。铬铁矿砂作用不甚明显。其它各类干砂更微不足以产生足够的过冷度，况且还有一层隔热条件较好的涂料壳层将其与钢铁液隔开。再者，铬铁矿砂价位高（5000～5500元/吨）且资源缺乏。钢砂不仅价位高于铬铁矿砂，熔点比铬铁矿砂低得多，密度也过大（7.4g/cm3），砂箱底部压力过大，白模及常规涂料难以承受。

石墨砂或焦炭砂，我国尚无专业化生产供应。这类砂的激冷效果与钢砂相当，比重亦较轻。但硬度过低，复用性太差。

3、加快冷却速度不是细化铸件晶粒的最佳手段

值得注意的是：冷却速度的增大并不是细化金属结晶的最合适手段。冷却速度过大则铸造应力也大增，其它铸造缺陷亦随即而生。薄壁或中等壁厚的合金耐磨铸件采用激冷砂效果尚可，而厚壁件则只能激冷表层，对内层或心部的铸件结晶过程作用甚微或几乎无作用。况且，作为现代铸件质量的观念，细化晶粒的目的不仅仅是为了提高组织致密性，而应该是全面强化和优化铸件的机械性能和物理性能。

对于消失模铸造来说，最简单易行且最具“得天独厚”优势的就是振动浇注。

所谓振动浇注是在振动的条件下浇注，即边振边浇，而决不是浇注完毕再作振动，那叫“马后炮”。

振动浇注对于消失模铸造来说具有别的工艺手段无法相比的良好效果和效益，而消失模振动浇注的成败则取决于消失模涂料的性能。在我们经过二年的实践中，桂林五号强化型涂料就是不错的选择，能适用于大中小件铸件的生产，并有很好的生产效果。

振动有别于震动。这是一个必须分清的基本概念。

在铸造生产领域中，一般认为，震动是指振幅大（≤100mm），频率小（1.0～1.5赫兹）的运动。比如震击式造型机的震动便属于这类运动，其振幅通常为10～40mm。

振动是指振幅较小（0.01～5.00mm），频率大（1.5～10000赫兹甚至更高）的运动。比如机械振动的频率常在10000赫兹以下，而超声波振动金属液的频率则在10000赫兹以上。

铸造金属结晶的特点

1、           主要特点

在生产实际中，铸造金属结晶的组织是多种多样的。但在常规的生产中，可以说凡是铸造金属的组织都具有以下三个特点：

①    晶粒比较粗大

②    晶粒不均匀

③    存在各种各样的铸造缺陷（缩孔、气孔、裂纹、夹杂、偏析等）

2、           晶粒层的形态

为了说明以上的特点，以方柱形碳钢锭类铸件为例作分析。其剖面构造有明显不同的三层形态的结晶。

①    细晶粒层（表层）

铸件表层具有较大的冷却速度，生核显著增加，晶粒细化。

②    柱状晶粒层

其轴向垂直于铸型壁面，因其结晶时热量的流向垂直于型壁而向外传导，晶粒定向成长，因而形成柱状晶粒层。

③    中心等轴晶粒层

所谓等轴晶粒即近于球形的多边形晶粒。在铸件最后结晶的中心处形成，因其在结晶时的过冷度较小，故其晶粒尺寸比表层晶粒大得多。

1、表层细晶粒层 2、柱状晶粒层 3、中心等轴晶粒区

碳钢锭结晶组织构造示意图

3、           主要缺陷

①    缩孔及疏松

缩孔是因液体向固体转变时发生体积收缩所致，常发生在铸件最后凝固部位的顶部，其周围还有许多分散的小孔洞，称为疏松。

②    区域偏析

在缩孔的周围，除了疏松外，还聚集着较多的各种杂质，如炭、硫、磷等，其熔点较低，最后发生凝固，杂质也易集中于这一最后凝固的地区，这叫区域偏析。

③    气孔及裂纹

气孔的出现主要是液体向固体转变时，其中所溶解的某些气体的溶解度降低或液体中某些化学反应生成气体而在结晶前未及完全溢出所致。裂纹的产生则是由于铸件冷却时收缩及与模面的摩擦而形成。

消失模振动浇注的可靠性及其高性能涂料

消失模振动浇注的可靠性是每一个铸造企业最关注的焦点问题。

关于可靠性，最突出的问题就是涂料会不会被振垮，一是铁水未充满铸型之前，空壳或半空壳状态下会不会被振垮，二是铁水浇满铸型之后继续振动时，涂料会不会因高温粉化而开裂、疏松而在负压下产生渗透性粘砂或涂料粉粒振渗于金属液中形成“斑点”缺陷。因此，振动浇注的可靠性是振动浇注技术推广应用的前提。

1、      消失模振动浇注的过程与特点

所谓振动浇注，即铸型在振动中进行浇注金属液。这与浇注完毕后再振动完全是两码事。

铸型中的泡沫模样在浇注钢铁液的初始几秒钟之内，泡沫已激烈气化或燃烧，瞬间形成高压气隙，并随铁液的注入很快形成前沿空腔。空腔或气隙的形成，意味着涂料壳层已大面积甚至整个型腔范围的裸露，其内壁不再受固体泡沫的支撑保护，而金属液也来不及充满整个型腔对涂层实施“填充性”的保护。此时，涂层要经受高温金属液的烘烤，还要经受频率为50～200赫兹而振幅＜1mm的强烈振动。涂料壳层能经得起这种苛刻的条件吗？

至于消失模空壳振动浇注则对涂层性能的要求更为苛刻，其壳层的高温强度、高温耐烧耐冲刷及耐振性显然要比实型振动浇注更高。因空壳振动浇注的操作程序是在负压下，先启动振动台，边振动边烧空泡沫模样，当型内的泡沫烧空之后，振动不宜停止，而是边振动边浇注金属液，直至铸件凝固。

实型铸造振动浇注示意图

2、      消失模振动浇注的可靠性取决于涂料的高性能

消失模铸造的铸型在某种意义上说是由涂料构成的。如果没有高强度、耐高温、耐振动、耐烧烤、耐冲刷的高性能涂层，振动浇注是不可想象的。

国内外常用的许许多多消失模涂料尽管常温下硬如石板，置其于1000℃的火焰中不到一分钟就变成粉沫，以不费吹灰之力便可将其“吹”散。这类涂料断然是不能用于振动浇注的。

那么，高性能涂料应该达到什么样的性能指标呢？在生产验证中应控制以下几点：

①    涂料壳层的常温强度应≥1.5Mpa（经验检测方法：大姆指用力搓擦涂层表面无落粉痕迹）。

②    涂料壳层经800～1000℃烤30分钟后的“残余强度”（或称高温强度）应仍与常温强度接近，而且透气性有增无减。最简单的检查方法是将涂料薄层放在家用燃气炉上烧烤30分钟后观其是否呈现瓷化现象即可判定。

符合以上性能要求的涂料用于消失模振动浇注是可靠的。桂林市中南铸冶材料研究所生产的桂林5号高温型添加剂及桂林6号粉状成品涂料就是一种能适用于消失模空壳铸造和振动浇注的涂料。

3、      耐烧耐振的桂林5号添加剂和桂林6号涂料

桂林5号添加剂和桂林6号成品涂料用于空壳振动浇注已有一年有余，振动浇注的铸件从单重几公斤到几千公斤，有铸铁件、碳钢件、低合金钢件、高锰钢等高中合金钢件，从结构简单的衬板到高大复杂的空腔工程结构件，从2010年5～10月，振动浇注不完全统计数已超3万余件，可靠性的综合效果如下：

①        空壳振动浇注一般件（如衬板），可靠率＞99%。经验与实践证明，空壳状态下振不垮的涂层，浇注过程或浇满之后更不会垮，也就是说即使有1%的其它因素导致涂层垮落的话，也是发生和发现在浇注之前，即不可能浇注，也就不可能导致铸件废品。

②        经对一个结构复杂，外形轮廓尺寸为2000×600×380mm件重1280kg，内腔空壳而壁厚40～25mm的矿山用低合金钢导槽铸件进行验证考核，采用边振边烧空 + 边振边浇注工艺先后生产了5000余件，其浇注前的垮箱率＜3%，而浇注过程的垮箱率仅0.02%，边振动边烧空过程的垮箱现象，并非涂料问题或振动所至，而主要是操作因素，比如局部填砂不到位、负压失平衡等。实际上该产品2008年采用某外国公司的涂料实型浇注（不烧不振）的垮箱率却高达10%左右。

实施空壳铸造边振边浇的低合金钢导槽铸件结构示意图

4、      振动浇注高性能涂料的配制

消失模振动浇注高性能涂料的配制方法：桂林6号是由10%的桂林5号添加剂和90%的锆铝石粉复合而成，其配制工艺流程是：

 5、      桂林6号振动浇注涂料的使用

桂林6号，耐火骨料粉的主要成分是高惰性的典型中性材料——锆铝石粉，又称亚铝晶石粉，并配加MG·Cl矿物粉调节。这种性能独特的骨料粉配加高温强化型桂林5号添加剂所得成品即桂林6号，能适用于各种常见的所有不同材质铸件的生产。

涂料的施涂方式按消失模铸造生产的常规进行，一般宜浸涂3层，涂层烘干后的厚度为1～2mm，大件取上限，小件取下限。

凡适用于空壳振动浇注的涂料则能通用于其它任何形式的消失模铸造生产。

五、消失模振动浇注的适用范围

1.     振动浇注对薄壁铸件有利吗？

也许有人认为，薄壁件采用振动浇注技术没有多大价值。这是错误的观点。振动能明显降低金属液的粘度，提高流动性和充填性。采用振动浇注技术不但能使薄壁铸件获得理想的内在质量，而且外观质量更加精美。

2.     先浇后振和边振边浇有何不同的效果？

或许有人认为，待浇注完毕再振动不也一样吗？回答是：不一样。金属的实际结晶温度与平衡结晶温度之差（过冷度）一般只有几度。金属液的表层温度在铸型中降低“几度”到底要多长时间呢？短短的三几秒而已，而一个单重几百公斤的中等铸件浇注的时间快则几十秒，慢则近百秒。钢铁铸件的平衡结晶温度从C-Fe相图中可以找到。比如α-Fe（铁素体），在1400～1535℃之间是呈体心立方晶格形态结晶，也就是说，要有效地改善结晶的条件和结晶状态，振动场的作用必须发生在“平衡结晶温度”之上。待浇注完毕再振动，对薄壁件或中厚件已毫无意义，对厚大件也错过了时机，其内层虽尚处液相态，但表层已凝固，此时实施振动的结果只能是内表不一，甚至造成力学性能的差异。

3.     高锰钢生产采用振动浇注有何优势？

有一种观点认为，高锰钢类的耐磨铸件，采用激冷型的填充干砂就可以解决铸件致密度和耐磨性问题了。错了！这是对高锰钢铸件内层和外层结晶过程的片面认识和误解。

以激冷型干砂作高锰钢消失模铸造的填充砂，确实能提高铸件表层一定深度内的致密度，对提高铸件的使用寿命有较好效果。但“激冷”是有限度的，比如Φ100mm的磨球，壁厚100mm的衬板，激冷砂能激冷到铸件心部吗？显然不可能。其结果是外层密内层松。如果实施振动浇注，高锰钢铸件的致密度与耐磨性就必然提升到完全超越金属铸造的更高的档次，真正成为一流水平的耐磨铸件。

激冷砂在使用上存在许多局限性，难度较大，况且过大的过冷度导致铸件的铸造应力过大。相对而言，振动浇注具有激冷砂无可相比的优越性，更实在，更简单易行，生产成本更低，更具发展前景。

4.     哪些材质的铸件可以实施振动浇注？

各种合金有不同的平衡结晶温度，但它们在一定的过冷度下晶核的生成、成长及受“场”影响而发生变化的原理相同。从金属结晶理论上讲，振动对任何一种金属的结晶过程影响都是有利的。只要其工艺合理、结构合适、条件具备均可实施振动浇注。至今，我们曾指导振动浇注的单位所生产的铸件主要有：合金钢、高锰钢、碳钢、合金铸铁、灰铁和球铁、铝铜合金等，不论大小厚薄，均能达到晶粒细化和机械性能全面提高的良好效果，这是其它任何一种铸造方法所无法具备的优势。

六、消失模振动浇注操作的规程与技术要点

1.     振幅与振动频率

振动有别于震动。震动是较小的频率和较大的振幅。而振动则是较大的频率和较小的振幅。生产和试验表明，用于消失模振动浇注的振动台，振动频率150～200赫兹，振幅0.3～0.8mm内为佳。而振动的频率如过低则振动对改善结晶的效果稍差。但过高的振动频率对机械装备的要求较高。国内振动电机的振动频率，一般为50赫兹，为了调节较高的频率，需配加调频器。

2.     操作程序

消失模铸造在实施振动浇注时，其操作程序是：①对已密封好的砂箱（铸型）实施抽真空并调节至合适的负压度→②启动振动台→③对砂箱中的泡沫模样以富氧燃烧的方法从浇冒口将其烧空，必要时施以强烧（边振边烧），至完全空壳无碳（注：有些宜实施实型浇注的铸件也可以不烧空）→在合适的负压下对铸型边振动边浇注→浇注完毕后维持负压和振动至铸件基本凝固为止→停止振动，同时停止抽真空。整个空壳（或实型）振动浇注过程完毕。

3.     几点说明

①        在振动中把白模烧空，如空壳振动不垮箱，则一般情况下浇注过程也不会垮箱，浇满后更不应垮箱。如空壳振动不垮而浇注过程或浇满后出现垮箱现象，则需认真分析和找出其它影响垮箱的因素。

②        只要空壳振动不垮，而浇注过程或浇满后垮箱的话，其影响因素多属型内负压失去平衡所致。比如干砂填充有不到的空位死角、装箱前涂料层与白模间有较大的空泡、填充干砂的温度过高引起白模变形并与涂层间形成空隙、砂箱密封不良而漏气、负压系统失真、浇注时铁水泼洒而烧穿密封塑膜生产漏气等等，这些原因都不属振动浇注法本身的问题，而属操作责任范畴。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/385a0cbd87c24028905fc362.html