本发明属于钢材制造加工领域，具体涉及一种表面致密的钢件的制备方法。
背景技术：
汽车制造用的钢制件非常多，且多为结构制件，在使用过程中，不仅要承受外部环境对钢制构件的全面侵蚀，如风沙雨雪带来的全面腐蚀，还要承受在使用过程中的摩擦、内应力、外部力所带来的局部腐蚀，如使用过程中的应力开裂、使用次数过多后产生的疲劳腐蚀等。传统工艺中车用钢制件许多使用锻造合金技术进行制造，相比起成本高、低效率的锻造技术，实型铸造工艺具有近终成型性好、生产成本低、加工工时短、抗裂纹扩展能力强等特点，但是在铸造过程中，由于结构制件尺寸过大或者形状复杂所带来的原料凝固过程不均匀，从而易产生缺陷点，尤其是在铸造过程中一旦操作工艺不能控制得当，则很容易在铸件内部或者表面产生气孔，形成缺陷点。
因此，研发一种具有致密形态的钢制构件的成型方法是取代低效传统锻造工艺的有效途径，对于钢材制造加工领域来说具有非常重大的意义。
技术实现要素：
为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种表面呈现非常致密的形态的钢件的制备方法。
本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：
本发明中提供的表面致密的钢件的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将蜡按照待加工钢件形状制成模壳；
步骤二，在蜡制模壳外层涂刷一层石蜡粘结剂，然后喷涂一层聚氨酯泡沫；
步骤三，在蜡制模壳内部涂刷一层石蜡粘结剂，然后撒型砂干燥，再重复涂刷一层石蜡粘结剂、撒型砂进行干燥步骤2-3次，制得型壳；
所述干燥的工艺为，将蜡制模壳置于密封的箱体内，并对箱体进行抽真空至箱体真空度为100-1000Pa，并在上述真空度条件下保持6-8h；
步骤四，将步骤三中制得的型壳置于真空炉中加热至85-110℃，待蜡制模壳外层的聚氨酯泡沫与蜡制模壳本体脱离后剥离聚氨酯泡沫层，保持上述温度使型壳脱蜡，脱蜡完毕后经焙烧、保温、随炉冷却后得到最终所需的型壳；
步骤五，利用步骤四中的型壳进行钢制件的型模铸造。
本发明中利用蜡制模壳的初步定型作用然后制备出尺寸稳定且具有有序气孔结构的型壳。首先将蜡按照待加工钢件形状制成模壳，相比起现有技术中往往将蜡制成蜡型，本发明另辟蹊径，优选采用利用对待加工钢件3D建模，然后利用增材制造技术或者快速成型机制成模壳。本发明中的模壳可采用两半式或者多片式，所有的模壳拼接后内部能够形成模腔，模壳的数量以及厚度可根据实际需要进行设计，在本发明中，由于需要利用模壳制造后续实际需要留存的型壳，故优选将蜡制模壳厚度设为与型壳厚度相同。
蜡制的模壳制备完毕后即进行型壳的制备，在蜡制模壳外层涂刷一层石蜡粘结剂，然后喷涂一层聚氨酯泡沫，其目的在于阻挡后续步骤三中干燥步骤中型砂的脱落。步骤三中利用涂刷一层石蜡粘结剂，然后撒型砂干燥的重复步骤形成整齐有序的型砂结构，在干燥步骤中，多层型砂由于粒度分布不同，粗颗粒构成整体架构，细颗粒则主要作为填充，石蜡粘结剂均匀粘结所有型砂，使多层型砂形成分布均匀的整体，干燥后更为致密，外层聚氨酯泡沫层透气性好能够促进干燥的同时阻止型砂掉落。
步骤四中，加热至85-110℃时，剥离聚氨酯泡沫层，然后继续加热进行脱蜡，最后焙烧、保温、随炉冷却后得到最终所需的型壳，然后进行型模铸造。由于采用的是石蜡粘结剂多层粘结型砂，且型砂粒度分布为特殊分布，制备出的型壳具有有序气孔，铸造过程中对钢熔液表面具有较低的表面能，从而使钢件表面平滑致密。
进一步地，步骤二中，所述聚氨酯泡沫厚度为2-5mm。
进一步地，步骤三中，所述型砂原料为石英砂、膨润土、氧化锆纤维的混合物，且石英砂、膨润土、氧化锆纤维的质量比为1：（0.2-0.3）：（0.05-0.08）。
进一步地，步骤三中，石英砂粒度分布为：D10=1μm，D20=2-2.5μm，D50=5-5.5μm，D80=8-8.5μm，D100=12μm。石英砂的粒度分度是调整型砂粒度分布的主要途径。
进一步地，步骤三中，膨润土颗粒粒度小于1μm；氧化锆纤维直径为1-2μm，密度为5.7-5.8g/cm3。膨润土颗粒的添加调整了型壳的硬度和型砂的可塑性，氧化锆纤维的添加提升了型壳的整体韧性以及致密程度。
进一步地，步骤三中，干燥温度为25-30℃。干燥过程中温度不宜过高。
进一步地，所述蜡制模壳原料熔化温度为105-110℃，保温温度为55-60℃。
本发明具有以下优点：
本发明提供了一种表面呈现非常致密的形态的钢件的制备方法。本发明中利用蜡制模壳的初步定型作用然后制备出尺寸稳定且具有有序气孔结构的型壳，制备出的型壳具有有序气孔，铸造过程中对钢熔液表面具有较低的表面能，从而使钢件表面平滑致密。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1
本实施例中以45号钢材作为原料制备柱状构件，具体步骤如下：
步骤一，对柱状构件进行3D建模，然后利用3D打印机将铸造蜡按照待加工钢件形状制成对称的两片中空模壳。在制备型壳之初需进行建模计算，蜡制模壳的尺寸与实际柱状构件的尺寸存在差异，由于型壳原料是粘附于蜡制模壳内部，故蜡制模壳尺寸应比构件尺寸大，即比型壳尺寸略大，尺寸差异在建模之初即可通过计算获得，在此不赘述。
蜡制模壳原料熔化温度为105℃，保温温度为58℃。
步骤二，在蜡制模壳外层涂刷一层石蜡粘结剂，然后喷涂一层聚氨酯泡沫。该步骤中使用的石蜡粘结剂和聚氨酯喷涂泡沫均为市售产品，石蜡粘结剂熔化温度在90℃左右，涂刷厚度以能够粘附聚氨酯泡沫即可。喷涂的聚氨酯泡沫厚度为2mm，可根据实际加工情况提升聚氨酯泡沫的厚度，一般来说，聚氨酯泡沫厚度不宜过厚，过厚会影响后续干燥和剥离。
步骤三，在蜡制模壳内部涂刷一层石蜡粘结剂，然后撒型砂干燥，再重复涂刷一层石蜡粘结剂、撒型砂进行干燥步骤3次，制得型壳。干燥温度为26℃。
干燥的工艺为，将蜡制模壳置于密封的箱体内，并对箱体进行抽真空至箱体真空度为1000Pa，并在上述真空度条件下保持8h。
型砂原料为石英砂、膨润土、氧化锆纤维的混合物，且石英砂、膨润土、氧化锆纤维的质量比为1：0.24：0.06。石英砂粒度分布为：D10=1μm，D20=2μm，D50=5μm，D80=8μm，D100=12μm。膨润土颗粒粒度小于1μm，氧化锆纤维直径为1μm，密度为5.7g/cm3。
步骤四，将步骤三中制得的型壳置于真空炉中加热至105℃，待蜡制模壳外层的聚氨酯泡沫与蜡制模壳本体脱离后剥离聚氨酯泡沫层，保持上述温度使型壳脱蜡，脱蜡完毕后经焙烧（温度1050-1080℃）、保温、随炉冷却后得到最终所需的型壳，且蜡制模壳厚度与型壳厚度相同。
步骤五，将45号钢原料熔化，利用步骤四中的型壳进行钢制件的型模铸造。
实施例2
本实施例中柱状构件的制备方法与实施例1基本相同，其区别在于：聚氨酯泡沫厚度为3mm。聚氨酯泡沫厚度提升后，会使干燥过程所需时间延长，但是对步骤三的加工过程有利，可使步骤三中的撒砂干燥过程中蜡制模壳整体更加坚挺、人员操作过程易握持。
实施例3
本实施例中柱状构件的制备方法与实施例1基本相同，其区别在于：型砂原料为石英砂、膨润土、氧化锆纤维的混合物，且石英砂、膨润土、氧化锆纤维的质量比为1：0.3：0.08。膨润土与氧化锆纤维所占比例的提升可略降低型砂烧结后的致密程度，使型壳整体透气性更好。
本发明实施例1-3中制备出的钢制柱状构件表面光滑致密，无需进行过多的后续加工处理即可获得光滑的表面，表面气孔率为普通型砂铸造工艺制备出的柱状构件的不到20%。由上述实施例可以看出，本发明中利用蜡制模壳的初步定型作用然后制备出尺寸稳定且具有有序气孔结构的型壳，制备出的型壳具有有序气孔，铸造过程中对钢熔液表面具有较低的表面能，从而使钢件表面平滑致密。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。