热作模具近终形铸造方法

专利名称：热作模具近终形铸造方法
技术领域：
本发明涉及一种热作模具近终形铸成型方法。
背景技术：
模具是现代工业产品制造的重要工艺装备，热作模具在整个模具市场中占有较大份额。随着世界各国工业化发展步伐的加快，产品更新换代频繁，热作模具需求量将急剧增加，发展势头强劲，市场潜力巨大。但目前各国热作模具制造仍多采用锻造模块经机加工制模的传统工艺，不仅能源消耗大、烧损合金、污染环境、易产生锻造废品，而且材料利用率低、切削加工量大、制造周期长、废弃模具及切屑、料头等难以回收利用，造成Cr、Mo、Ni等大量贵重合金资源的浪费。废弃模具的积存也将加大，能源、动力、原材料供应将日趋紧张，环保问题更为突出。为改变目前较为落后的模具制造技术与生产发展不相适应的严峻现实，加速开发研究新的模具成型制造技术及废弃模具再生回用技术已成为当务之急。
铸造技术直接由液态金属成形，成本低廉、适应性强，可制成形状复杂、其它方法无法加工、有特殊要求的铸件，从最初的原材料开始直到制成成品，能够很方便地实现材料的循环使用和再生回用，是最重要、最经济、最便捷的材料成形工艺之一。因此，以铸代锻、用铸造方法制造模具不仅是材料工作者多年梦寐以求的宿愿，也是模具制造技术新的发展方向。实现这一目标的关键是发挥铸造材料设计灵活、高强韧化、高功能化的特点，开发新的精密成型技术即净形、近终型铸造成型技术，大幅度提高铸件的尺寸精度和表面光洁度，实现绿色铸造。
自二十世纪八十年代以来，用铸造方法制造复杂高精度、低粗糙度热锻模具已得到世界各国的高度重视，被誉之为锻造生产的革命性转变。迄今为止，已用于模具制造的精铸成型技术主要包括熔模铸造、陶瓷型铸造、热固性树脂砂型铸造、涂层转移法铸造等。
熔模铸造又称失蜡铸造，是最重要的精密铸造成型方法之一。该法首先用易熔材料制成精确光洁的模样，在其上涂覆多层耐火材料或灌注耐高温陶瓷浆料，硬化干燥后制成型壳，然后使铸型中模样熔化流出，最后把熔化的金属液浇入焙烧后的铸型，得到精确光洁的铸件。尺寸精度可达CT5～7，表面粗糙度可达Ra1.6～12.5μm。此种方法适合于铸造形状复杂、精度要求高或其它方法难以加工成型的小型精密铸件。许多国家都采用该法铸造模具，包括小型锻模、玻璃模具以及压铸模镶嵌件等。该法的缺点是工艺过程较复杂，不易控制，使用和消耗的材料也较贵，型壳用砂不能回用，且较大型铸件难以生产。
陶瓷型铸造又称肖氏铸造法，是五十年代由英国人诺尔.肖氏首先研究成功的。其实质是以耐火度高、热膨胀系数小的耐火材料作为骨料，用经过水解的硅酸乙脂作为粘结剂而配制成的陶瓷型浆料，在碱性催化剂作用下，经过灌浆、结胶、硬化、起模、喷烧、焙烧等一系列工序制成表面光洁、尺寸精度高的陶瓷铸型，最后浇入液态金属。该法所得铸件尺寸精度可达CT4～8级，表面粗糙度可达Ra3.2～12.5μm。在美国第64届铸造年会上，该工艺就被认为是当时制造铸造模具最适宜的方法之一。据介绍， 60年代末期美国在锤锻模、挤压模和热墩模方面的铸造模具已大量应用。此外，一些塑料制品用模，压铸模、金属型以及多种金属模型，芯盒，切削工具等都采用铸造方法生产。在其它国家，如英国、德国、日本等国家用陶瓷型生产各种工模具也日见普遍。我国从70年代开始用陶瓷型铸造方法生产柴油机摇臂锻模、合金钢连杆模具等，型腔预留加工量很少，大大缩短了制模周期，成本比机加工模明显降低。该法的缺点是造型工艺过程较复杂，周期长，每个过程都要严格控制，使用和消耗的材料昂贵，造型材料不能回用，且铸型表面容易发生宏观裂纹，铸件表面有一定厚度的脱碳层。
涂层转移法是70年代末日本小松制作所发明的“先上涂料后造型”的工艺方法，当时称此法为小松(Komatsu)-山西(Yama mishi)法，简称K-Y法。以后经过进一步发展成为新K-Y法。该方法是先将液态涂料倒入芯盒，然后倾转芯盒，使其表面均匀地涂挂上一层涂料，倒出多余涂料，用树脂砂充填芯盒后移至微波炉内加热，待树脂砂固化后取出砂芯。制得的砂芯不仅具有足够的强度，而且表面已牢牢附着一层光滑的转移过来的涂层。由于涂料膜能精确复制出芯盒的内腔表面，因此所得铸件表面光滑、尺寸精确，使砂型铸造实现了精密化。前苏联在上个世纪80年代开始此项研究，开发出适于树脂覆膜砂的涂层转移法。我国这方面的研究主要从90年代开始，在涂料转移部位(模样-砂型、芯盒-砂芯)、施涂方法(刷、喷、流、浸)、造型用砂(树脂砂、水玻璃覆膜砂等)、涂层固化方法(微波加热、化学自硬等)各个方面的研究都取得一定成效，近年来正试验用于简单的模具制造(如上海交大铸造实验室用涂层转移法铸造模具的试验工作)。
热固性树脂砂型铸造是由前苏联汽车工艺研究所开发的，也称为热反应一次性组合型铸造工艺，它属于壳型铸造的一种变形。采用干的机械混合或覆膜的造型材料，直接投入预热到200～250℃的金属模型上以制造半型。在造型炉内加热700℃以下固化，脱模整个周期很短。上下铸型具有与金属型完全相同的型腔轮廓，组合后(不用砂箱)直接浇注。在凝固与随后冷却过程中，砂型大多自动碎裂，使用后造型材料在沸腾床装置中(750～900℃)进行热法再生，烧去粘结剂。造型材料主要采用锆砂(ZrO2·SiO2)，ZrO2含量约65％。粘结剂采用热反应型树脂лк-104，是酚醛树脂与乌托品的粉状混合物。若采用机械混合方式制备型砂时，一般还用煤油做浸润剂，但采用覆膜砂时，不需浸润剂。该工艺在莫斯科汽车厂、卡马河汽车厂和明斯克汽车厂等广泛采用，若用标准工艺装备，可以达到相当高的机械化水平，前苏联约有80％的铸造热锻模具使用这种工艺。但热固性树脂砂型精密铸造法对型砂的要求较高，所用型砂的耐火度要高、热膨胀系数要小，无多晶型转变，并具有优良的矿物学特性，型砂的配制和再生设备价格昂贵，需要的投资大，且浇注时有气体污染环境。
综上所述，陶瓷型在铸造热作模具生产中应用最为普遍，熔模铸造也常用来制造形状复杂的小型精密模具，热固性树脂砂铸造模具在前苏联用的较多，涂层转移法铸造模具近年来也有报导。但上述各种方法几乎都是化学成型方法，因而带来一些难以克服的弱点1)造型工艺复杂，操作要求严格，易出铸造废品；2)所用化学粘结剂、固化剂等消耗多、价格贵，产生有害气体污染环境，难以实现绿色铸造；3)对型砂的粒度、纯净度等均有较高的要求，不易实现低成本生产；4)砂处理设备和工艺复杂、旧砂回用困难、浪费资源及能源，废弃的旧砂亦造成较大的环境负担。V法铸造又称真空密封铸造、真空薄膜造型、减压造型或负压铸造。它通过真空吸力把加热呈塑性的塑料薄膜附着在模样或模板上并精确复制其形状，然后向特制的砂箱内填入无粘结剂的干砂，借助真空造成的砂型内外压力差使型砂紧实、成型，起模后下芯、合箱即可浇注。该法1971年出现于日本，1974年以后研究者增多。但作为一种新的物理成型方法，V法铸造还处在持续开发研制阶段，系统的工艺理论尚未建立，实际应用时常出现塌箱、粘砂、裂纹等问题，工艺过程各阶段可供参考的工艺参数如真空度及其保持时间等还不成熟，对V法精铸成型产生的缺陷如铸造裂纹、粘砂、缺肉等还未解决，尚待进一步研究。尤其是采用V法来直接制造热作模具至今尚未见报道。

发明内容
本发明的目的是克服现用各种模具铸造成型工艺存在的上述缺点，提供一种工艺简单、成本低廉、型砂可重复使用、无污染、符合绿色铸造要求的热作模具近终形精铸成型方法。
本发明人的研究认为，V法铸造是实现上述目的的最佳方法之一，但本发明涉及的采用V法来直接制造热作模具尚有许多技术难题需要解决。
V法铸造在覆膜、造型、浇注及凝固过程中对真空度的要求是不同的，现有关于V法铸造的技术文献都要求在浇注及凝固过程中采用较高的真空度来维持铸型的强度，并将这种高真空度保持较长时间(30分钟以上)以防止塌箱、胀砂、掉砂等。事实上，这是一种误区，这种传统的V法操作工艺正是造成粘砂和裂纹缺陷的主要原因，对具有较高的裂纹敏感性的合金热作模具钢更是如此。由于铸造过程操作不当或切割冒口时局部过热，都可能在铸造毛坯表面产生微裂纹而严重影响模具的使用寿命。经研究分析发现，微裂纹的产生与浇注时真空度的高低及保持真空的时间有直接关系。V法铸型的强度、硬度、退让性等与真空造成的压差密切相关，浇注瞬间钢液与铸型表面发生强烈的热的、机械的、化学的相互作用，真空度的提高不仅使铸型保持较高的强度和较差的退让性，也将促使钢液向砂层渗透，造成粘砂、毛刺甚至烧结等。随着时间的延长，铸件表层凝固形成的硬壳收缩与铸型紧缩分离形成缝隙，在真空抽吸作用下，冷空气沿缝隙高速流动，造成高温固相金属表面局部冷速过高，氧化加速，表层应力增加，从而导致铸造模具表面微裂纹的出现，这就是所谓“穿堂风”裂纹形成机制。这种微裂纹在铸件冷却和热处理过程中进一步扩展，严重时机加工后表面即可观察到。此外，冒口根部的缩松及去除冒口时气割的使用也可能导致裂纹的产生。本发明除采用非切割发热保温冒口加强补缩、避免气割外，还改变了V法铸造的传统观念，把浇注及凝固过程中的真空度降低，真空度保持时间缩短，很好地解决了合金热作模具钢V法铸造粘砂及微裂纹问题。
本发明的技术方案是采用独特的V法(真空密封造型)近终形精铸成型工艺，配合吉林大学自行研制的新型铸造热作模具钢，直接由液态金属近终形成型制作各类热作模具。其工艺各阶段压力控制为覆模与造型时为0.04～0.07Mpa，浇注过程中为0.03～0.06Mpa，浇注结束时为0.08～0.09Mpa，浇注结束7～15分钟后，撤去真空，压力恢复至0.1Mpa。通过压力参数的动态控制和真空保持时间的缩短，避免金属液渗透造成的粘砂及“穿堂风”机制产生的铸坯表面微裂纹。
本工艺选用可循环使用的无粘结剂的石英砂、锆英砂或铬铁矿砂作为造型材料，用过的旧砂几乎可全部循环回用；采用醇基快干涂料非占位刷涂以保证型腔尺寸精度、动态密封性及耐火度；采用容易去除的非切割发热保温冒口，强化补缩，避免铸造裂纹和切割开裂。
本发明具有以下积极效果1、同传统的模具制造方法相比，本发明改变了热作模具必须由锻造模块经机加工而成的传统观念，将带有复杂型腔的热作模具直接铸出，从而取消了锻造工序。不仅节省锻造能源，避免了合金烧损、锻造废品及环境污染等，而且提高了材料利用率，减少切削加工量和机加工工时，大大缩短了模具制造周期。精铸成型成分设计灵活，对模具结构变化反应灵敏，废弃模具、切屑、料头等可以很方便地重熔回用，在节省大量贵重的Cr、Mo、Ni等合金资源的同时，还明显地提高了模具使用寿命。
2、同其它精密铸造方法相比，V法铸造是绿色的物理成型方法，操作简单，成本低廉，由于模样上面覆有薄膜并刷有涂料，因而铸件表面光洁、表面粗糙度细；真空吸力造成铸型紧缩、起模容易，不用振动、敲击，不留拔模斜度亦能起出模样，合金充型能力提高，因而铸件轮廓清晰、尺寸精度高，模样寿命长；干砂造型，不加水、不加粘结剂和任何附加物，浇注时不产生有害气体，不污染环境，可稳定获得优质铸件；造型不用“紧实”、落砂不用震击，大大简化了砂处理工序，劳动强度降低、作业环境改善，旧砂几乎可全部回用(回用率大于95％)。
3、同一般V法铸造相比，本发明首次把V法铸造技术用于热作模具制造，并将非占位涂料、非切割保温发热冒口及铸造成型过程中各阶段真空度等工艺参数控制技术与之集成，改变了V法铸造在浇注及凝固过程中保持较高真空度并维持较长时间的传统观念，较好地解决了一般V法铸造难以解决的塌箱、粘砂以及铸造合金热作模具钢在液态成型和浇冒口去除过程中的裂纹敏感性等问题。


图1是用本发明方法成型的汽车五速齿轮模具毛坯照片。
图2是本发明方法铸造型腔照片。
具体实施例方式
结合以下实施例对本发明方法作进一步详细阐述。
采用V法精铸成型技术浇注吉林大学自行研制的新型铸造热锻模具钢制造汽车五速齿轮机锻模具，上模尺寸φ285mm×95mm，上模重量47.3kg，下模尺寸φ285mm×95mm，下模重量52.3kg。
本发明采用吉林大学自行研制的适合铸造使用的新型铸造热作模具钢，其化学成分为C0.15～0.35，Cr1.5～3.75，Mo0.5～2.5，Ni0.6～2.5，V0.1～0.8，W0.1～0.8，Mn0.2～0.6，Si0.2～0.5，S、P≤0.04。钢的熔炼采用中频感应电炉不氧化法炼钢工艺，出钢时在包内冲入Ti、RE、Ca等进行复合变质处理及包内吹氩进行净化、均匀化处理。V法精铸成型工艺过程如下模样拔模斜度取1°，缩尺2.0％，铸型紧缩负余量加0.5mm，底面与侧面各留加工余量1.5～2mm，顶面留5mm加工余量。每箱放两件，半封闭式浇注系统，每件顶部放置冒口颈为φ60mm的非切割保温发热冒口。覆膜采用0.1mm厚EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)塑料薄模，真空系统由水环式真空泵、滤气罐、储气罐及仪表、阀门等组成。EVA薄膜由远红外电热器加热，加热温度约80℃左右，当薄膜出现镜面并开始下垂时迅速覆膜，此时抽气箱压力控制在0.05MPa，配制醇基锆英粉快干涂料，在薄膜上靠型砂一侧非占位刷涂两遍，厚度约1mm，热风机吹干。放上侧吸式V法专用砂箱，添入70/140目人造石英砂(干砂、无其它任何添加剂)，在型砂振实台上振动紧实2分钟以上，刮去余砂，放上背膜、抽气密封成型，此时箱内压力亦控制在0.05Mpa。翻箱、起模、合箱等与普通砂型铸造基本相同，但浇注时真空系统应保持足够的抽气量，压力控制在0.04Mpa，浇注结束时迅速升至0.08～0.09Mpa，浇注结束7分钟后(根据铸件当量厚度和凝固数值模拟结果选择时间)撤去真空，压力恢复为0.1Mpa，自然冷却3小时后打箱落砂，冒口及浇注系统直接锤击去除，不用切割。铸出的模具毛坯轮廓清晰、表面光洁，经测量其尺寸精度为CT6-8级，表面粗糙度为Ra6.3～12.5μm，无粘砂、铸造裂纹、缺肉等铸造缺陷，且模具补缩良好，工艺出品率高达70％。
所制模具经热处理、精加工后，在2～4万KN机械锤压机上进行现场装机试验，并与原来B2钢锻造模块机加工而成的同类模具对比，使用结果见表1。
表1、近终形V法精铸新型热锻模具现场使用结果

权利要求
1.一种热作模具近终形铸造方法，其特征是用独特的V法近终形精密铸造成型工艺，其工艺各阶段压力控制为覆模与造型时为0.04～0.07Mpa，浇注过程中为0.03～0.06Mpa，浇注结束时为0.08～0.09Mpa，浇注结束7～15分钟后，撤去真空，压力恢复至0.1Mpa。
2.根据权利要求1所述的热作模具近终形铸造方法，其特征是选用可循环使用的无粘结剂的石英砂、锆英砂或铬铁矿砂作为造型材料，采用醇基快干涂料非占位刷涂。
3.根据权利要求1所述的热作模具近终形铸造方法，其特征是采用容易去除的非切割发热保温冒口，强化补缩。
全文摘要
本发明涉及一种热作模具近终形精铸成型方法。其目的是克服现用各种模具铸造成型工艺存在的粘砂、缺肉裂纹等缺点，提供一种工艺简单、成本低廉、型砂可重复使用、无污染、符合绿色铸造要求的热作模具近终形精铸成型技术。该方法是用独特的V法近终形精密铸造成型工艺，并将非占位涂料、非切割保温发热冒口及铸造成形过程中各阶段真空度等工艺参数动态控制技术与之集成。其工艺各阶段压力控制为覆模与造型时为0.04～0.07MPa，浇注过程中为0.03～0.06MPa，浇注结束时为0.08～0.09MPa，浇注结束7～15分钟后，撤去真空，压力恢复至0.1MPa。
文档编号B22D18/06GK1451502SQ0311101
公开日2003年10月29日 申请日期2003年2月13日 优先权日2003年2月13日
发明者赵宇光, 姜启川, 夏振佳, 赵玉谦, 张瑞卿, 李国清, 方健儒, 王树奇, 关庆丰, 王春生, 金胜灿, 侯骏, 王惠远, 王金国 申请人:吉林大学