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消失模鑄造技術研究發展
1956年,由美國人H.F.Shoyer開始了將聚苯乙烯用于鑄造的試驗,并獲得成功;1958年以的形式公布于眾,當時稱之為“無型腔鑄造”。1962年德國人G.Hartmann從美國引進,消失模鑄造才開始被。1968年,在西德亞深工業大學教授A.Wittmoser的指導下,實現了工業化應用。
有別于傳統砂型鑄造中造型、制芯、合型以留出鑄型空腔等步驟,消失模鑄造具有以下特征:①用聚苯乙烯代替木模制成與所需鑄件形狀相同的泡沫模樣(該模樣已考慮鑄件收縮率);②將泡沫模樣放置在用干砂等材料制成的負壓砂型中不取出(不留出鑄件空腔);③將金屬液澆入鑄型中的泡沫模樣上,模樣燃燒、氣化、消失,金屬液取代原來泡沫模樣空間位置,凝固形成理想鑄件。
消失模鑄造不僅可以直接鑄出螺紋鑄件上的復雜特征,且減少了傳統造型中因型芯組合而引起的鑄件尺寸誤差,因此它被認為是一種近凈成形工藝,特別適合發動機缸體缸蓋這種形狀復雜的鑄件;盡管消失模鑄造模樣制備過程中增加了發泡工序,但該工藝減少了型砂的制備、制芯、造型、下芯等許多繁瑣工序,總體而言簡化了工藝流程。然而,由于泡沫模樣在制作過程中存在收縮、同時金屬液凝固時也存在收縮,這就導致了消失模的收縮尺寸難以確定。加上泡沫模樣氣化或碳化時,易在鑄件中留下氣孔或碳污染等缺陷,因此消失模鑄造在發動機缸體缸蓋這種質量要求高的鑄件中應用有限。
鎂合金非常適合消失模鑄造工藝:鎂合金液與泡沫模樣反應分解產物(主要是烴類、苯類等氣霧物質)能對極易氧化的液態鎂合金具有保護作用,此外,干砂負壓造型避免了鎂合金液與型砂中水分接觸和由此引起的缺陷;再者由于鎂合金凝固區間寬,易熱裂,干砂良好的退讓性能夠減輕鎂合金熱裂傾向。但由于泡沫模樣熱解氣化會吸收熱量,造成流動前沿溫度降低,因此不得不提高鑄件的澆注溫度。對于鋁合金來說,高溫下吸氫嚴重;對鎂合金來說,氧化燃燒嚴重。
為了克服上述問題,華中科技大學樊自田等人了如下幾種特種消失模技術:
(1)真空低壓消失模鑄造技術:將低壓鑄造和真空消失模技術結合起來,利用可控的氣壓完成充型,直澆口成為補縮短通道,澆注溫度損失小,提高了合金的鑄造充型能力,且液態金屬能夠在壓力下進行補縮凝固,鑄件;
(2)壓力消失模鑄造技術:將消失模鑄造技術與壓力凝固結晶技術結合。其原理是在帶砂箱的壓力罐中,當金屬液填充泡沫模樣后,通過密封壓力罐并通入壓力的氣體,使金屬液在壓力下凝固結晶的鑄造方法。這種方法能夠顯著減少鑄件中的縮孔,并通過加壓凝固氫氣孔的析出,從而提高鑄件致密度,鑄件性能。
(3)振動消失模鑄造技術:在消失模金屬液凝固過程中施加頻率的振動,振動力使枝晶破碎,增加液相內結晶核心,在細化組織的同時,提高補縮能力。