S L S模料特性及熔模铸造工艺研究
杨劲松1 沈其文1 史玉生1 闵海涛2 柯美华3 罗守信4
(11华中科技大学材料成形及模具技术国家重点实验室;21中国船舶重工集团公司第十二研究所;
31武汉银宇精密铸造有限公司;41武汉机械工艺研究所)
摘 要 选择性激光烧结(S LS)在熔模铸造中已得到广泛的运用,但其模料为高分子化合物,熔化温度高,熔体粘度大,不利于脱蜡,易使铸件产生夹渣。研究了S LS模料的特性,并根据模料特性设计了结壳脱蜡工艺:于250～280℃下保温,使大部份蜡料流出,而后升温至500～700℃烧失残留部分。在实际生产中,由于浇注系统和零件简单部位用低温模料制作,而用S LS蜡料制作零件的复杂部位,所以在设计中还应考虑蜡料的脱出顺序:先在较低温度下脱出低温蜡料,再升温脱出S LS蜡料。在分析运用S LS蜡模浇注复杂铸件易产生夹渣等问题的原因之后,提出在蜡模易积渣的部位和凸台处设置出气冒口及排渣冒口,可使蜡料脱出干净,从而解决铸件夹渣等问题。将以上工艺运用于实践,成功浇注出了汽车排气管、大型不锈钢泵轮等复杂精密铸件。
关键词 快速成型;选择性激光烧结;熔模铸造;S LS蜡模;模料特性
中图分类号 TG24915 文献标志码 A 文章编号 1001-2249(2007)01-0053-04
1 问题的提出
传统的熔模铸造所用蜡模多采用压型压制,而用选择性激光烧结(S LS)技术,可以根据用户提供的二维、三维图形、或通过对实物进行扫描所得到的文件数据,而不需要制备压蜡的模具,在几天或几周内迅速、精确地制造出原形件———首版模(或称手板),大大缩短了新产品投入市场的生产周期,实现快速占领市场的需要,并且可制作形状几乎任意复杂的零件,因此受到了高度的关注,在熔模铸造领域已得到了广泛的运用[1～4]。
但是,由于选择性激光烧结所使用模料的性质不同于一般熔模精密铸造的蜡料,它具有如下特性[5～8]:
(1)分子量较大,属于高分子化合物范畴,不仅熔化温度高,无固定的熔点,而且熔程长。
(2)由于模料熔体的粘度大,需要在较高的温度下才能达到脱蜡所需的粘度,所以不能用一般的水煮或蒸气等脱蜡方法脱蜡。
(3)当模料被包裹在型壳中焙烧时,由于燃烧不完全,会在型壳内形成残渣,使精铸件产生夹渣缺陷。
我们曾接到某单位要求在两周内生产出3件球墨铸铁汽车排气管精密铸件的订单,由于忽视了模料的特性,使3件铸件全部因夹渣而报废,为此,对快速成形专用模料的特性及其精密铸造工艺进行了研究。
2 S LS模料特性研究
(1)测定模料熔化与粘流温度
模料的熔化与流动性能将为脱蜡提供直接的依据,在实际生产中有多种测定模料熔化温度和流动性能的方法,如熔融指数(M I)、熔体粘度等,但这些在有压力或剪切力下得出的数据不能准确反映脱蜡温度,为此采用了以下两种最直观的方法来测定模料的熔化及熔融流动特性。
①b形管测定法(见图1) b形管测定法是化学实验中测定熔点的方法之一。其步骤如下:取少量粉碎的模料细粉试样,置于b形管中,用酒精灯进行均匀
收稿日期:2006-10-15
基金项目:湖北省自然科学基金资助项目(2005ABA181)
第一作者简介:杨劲松,男,1976年出生,博士研究生,华中科技大学材料成形及模具技术国家重点实验室,武汉(430074),电话:027-********-803, E-mail:shenqw2004@1631com
(3)采用DOE(即正交试验设计)方法,优化铸造工艺参数。
实施以上方案,进一步完善了铸造工艺和模具结构,投入批量生产,经机加工后检验,F3汽缸盖产品合格率达到95%以上。
4 结语
解决铸件气道粘砂问题,一是气道砂芯表面刷细密涂料;二是改进砂芯摆放方式,由原来的堆码式改为分层分件隔离式。对于壁厚复杂铸件常出现的缩松、缩孔问题,可以采用激冷方式得到解决;而对于局部厚大部位的缩松问题,采用顺序凝固,开辟补缩通道也是行之有效的。
(编辑:袁振国)
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精密铸造特种铸造及有色合金 2007年第27卷第1期
加热,观察管中粉料的变化,160℃时开始熔融,至180℃时熔融物增加,有气泡逸出,到182℃
后变化不大。
图1 b 形管加热试验装置
1.温度计
2.试样
3.油浴
4.b 型管
②S LS 模料试样在烘箱中加温测定法(见图2) 由于b 形管测定法受试样数量及加热装置的局限,使该
法所测到的模料熔化温度尚不能直接用于生产。因此
选取<10mm ×10mm 的圆柱形S LS 蜡模试样,置于玻璃皿中,然后一起送入电热鼓风烘箱中,从室温开始加热升温,并观察烘箱中试样的变化情况。160℃时试样表面开始熔融下滑(见图2b );160～182℃(2h )试样完全坍塌(见图2c );202～230℃(4h )试样完全坍塌成水平面(见图2d );用棒从玻璃皿中挑取熔融的物质,发现其非常粘稠,其中夹杂大量气体,见空气后立即凝固,冷却后为玻璃状易碎物。230～242℃
(3h )模料逐渐排出其中空气,体积逐渐减少;随后断电,试样随炉冷却到室温(10h ),玻璃皿中剩余物质呈现为薄层棕色透明状。
(2)确定模料熔体粘度与温度的关系
S LS 模料熔融粘度与温度的关系曲线见图3,随着
温度的升高,熔体粘度直线下降,虽然模料在160℃开始熔化,但是当温度达到230℃时,熔体的粘度才接近100Pa ?s,这说明了熔体不仅粘度高,流动困难,而且对温度敏感,这是脱蜡中必须考虑的因素。
(3)测定模料的热失重(TG A )曲线,确定S LS 模料的分解过程
普通的蜡模多为低温或中温蜡料,可通过水煮或蒸气脱除,而选择性激光烧结的蜡模为高分子化合物,熔点高,熔体粘度大,不能用以上方法脱除,所以必须考虑高温焙烧,使其分解或燃烧,我们测定了S LS 模料的热失重(TG A )曲线,以确定模料的分解与温度的关系,见图4。
由图4可以看到,在氩气气氛下加热升温时,S LS 模料在310148℃下几乎不烧失和挥发,只发生材料的
熔融;温度继续升高,模料开始分解,成为小分子气体物质开始逸出,材料急剧失重,当温度达到360℃模料分解基本结束,当温度达到476℃时,模料的分解完全结
束;并由此可算出S LS 模料在惰性气氛下分解残留分数为01503%,说明分解彻底。
(4)测定S LS 模料的灰分
测定S LS 模料的灰分是为了确定其对精铸件内在质量的影响,试验采用质量法。将陶瓷坩埚置于烘箱中烘干至恒定质量(1717494g ),称取试样(218662g )于坩埚中,置于马弗炉中焙烧。当马弗炉内温度升至400℃时,可见模料明显的分解(约115h ),500℃时有大量浓烟,在此温度下持续约2h,待坩埚中的模料已基本分解完毕,随后断电,炉内自然冷却至室温。取出陶瓷坩埚,称得质量为1717582g,由此可以算出模料的灰分为01307%。
模料的灰分含量=焙烧后物料的质量
焙烧前物料的质量×%=
1717582-1717494
218622
×%=01307%
3 结壳脱蜡工艺试验
为进一步验证在一定厚度型壳中被包裹模料的真实脱蜡温度,特制了一批S LS 模料试样,用硅溶胶熔模
精密铸造的生产工艺进行结壳,参照前面试验数据,设计了以下脱蜡工艺:将型壳浇口杯朝下,倒置于电炉中升温至250℃并保温1h,让模料尽量流出,然后再逐渐升温直到700℃,然后关闭电炉,自然冷却到室温,在升温过程中取样观察模料的流动及分解情况。
4
5特种铸造及有色合金 2007年第27卷第1期
当型壳于电炉中升温至180～200℃时,取出型壳进行观察,发现模料表面已开始熔融但由于粘度大不能流动,当升温至250℃并保温1h后断电,让型壳试样随炉冷却至室温,取出型壳试样进行观察,发现此时型壳内的模料已基本流出,但型壳内壁上还留有深棕色沉积物质。当升温至520℃并保温1h,取出进行观察,发现型壳内表面已被焙烧成灰白色,当升温至700℃自然冷却至室温后,取出进行观察,发现型壳内表面已被焙烧成白色,即得到了合格的型壳。
本试验说明,应进行分段升温脱蜡,先在模料的分解温度(300℃)以下保温一段时间,让大部分模料流出,而后再升温至模料的完全分解温度(由于热传导等原因,实际温度要高于理论分解温度)以上,可实现模料的完全脱除。对在250℃下恒温1h后的型壳观察,发现型壳内壁有深棕色沉积物质,这说明在此温度下模料已开始氧化,氧化将增加聚合物熔体的粘度,特别是在表面形成一层氧化层而极不利于模料的流动,再根据模料的粘度2温度曲线可知,如果降低温度,粘度将急剧升高,更不利于模料的流出。所以,实际上S LS模料的保温流出温度应控制在250～280℃范围内。
4 生产试验
上述试验结果不仅提供了恰当的脱蜡及焙烧温度,而且证明了焙烧后的S LS模料分解后的灰分含量很少,不会对精铸件的质量造成影响,在此基础上进行生产试验。在实际生产中还应考虑以下问题。
(1)浇冒口系统的设计不仅应考虑对铸件的补缩,还必须考虑到不同熔点模料的脱除方法及顺序。因为S LS技术虽然适合制造各种形状的蜡模,但其制造费用相对较高,因此当生产大型精铸件蜡模时,常用S LS技术制造蜡模形状复杂的部位,而零件形状简单的部位及浇冒口系统则用普通精铸蜡料,例如低熔点模料(如石蜡2硬酯酸、低分子聚乙烯等)或中温模料压制,然后将性质不同的两种或多种模料的各部位组焊成整体蜡模组件。由于S LS模料与普通精铸模料的熔点相差较大,实际上型壳中S LS模料的熔化粘流温度范围为250～280℃,而普通模料熔点为60～80℃,故应考虑脱蜡的次序。实际的脱蜡顺序为:先用热水、蒸气或在电炉中较低温度下脱出低温模料,然后再在电炉或油炉中250～280℃温度下烘烤脱出大部分S LS模料。此时熔模型壳的浇口杯应向下,以利于熔融的S LS模料流出。
(2)冒口的设置。虽然根据以上的模料特性分析试验和结壳脱蜡工艺试验得出基于S LS烧结的模料可以完全脱除,但实际上模型复杂程度的增加也就增加了模料流出和烧失的难度。所以应在蜡模上的局部凸台和易积渣的部位设置排渣冒口,在较大的平面上应多设置出气冒口。
首先,由于S LS模料的粘度很高,蜡模上的大平面及复杂细小部位的蜡料流出困难,粘稠的S LS模料熔体也特别容易积于型壳的角落及低凹部位,所以,对于这些部位的模料,只能在后面的焙烧过程中脱除;其次,粘稠的模料容易产生夹渣,这些夹渣在型壳的角落及低凹部位沉淀富积,增加了浇注报废的可能性;再者,S LS模料为以聚苯乙烯为主的高分子材料,聚苯乙烯为极不饱和结构[8],分子链中存大着大量的苯环,聚苯乙烯受热时分解成苯乙烯等化学结构极不饱合的单体,当单体进入气相燃烧时,由于双键、苯环燃烧的需氧量大,所以即便是在敞开的空气中也会因燃烧不完全而冒出大量黑烟。如果在燃烧过程中氧含量不足,就会形成一层致密的碳化层覆盖于模料的表面,阻碍了S LS模料的进一步分解和燃烧,使得模料脱除不完全,在其后的浇注工艺中造成铸件夹渣。这正是先前浇注的几个汽车排气管精密铸件因产生大量夹渣而报废的原因。
另外一个更典型的实例是用S LS蜡模进行水玻璃砂造型(见图5)。砂箱尺寸为300mm×300mm×150 mm;涂料涂挂采用浸涂方式,用100%的70～140目大林砂直接填砂,用质量分数为215%的水玻璃进行水玻璃砂造型;然后将下砂型倒置(浇口杯朝下)于电炉中的铝板上,并按图6工艺对砂型进行升温加热、脱蜡,但发现炉中的温度达到使支撑的铝板已开始熔化时,而水玻璃砂型型腔内的S LS蜡模还尚未脱净。用此砂型进行浇注,虽然型砂无烧结现象,整体清砂容易,圆盘轮廓清晰,但上表面有大量气孔,显然这是由于没有开设辅助脱蜡通道,焙烧不完全所致。
根据以上试验和分析,使我们认识到单纯依靠精铸型壳、砂型及S LS蜡模自身的传导传热,不能使加热环境中的热量迅速传递到S LS蜡模内部,使其较快地熔融并从型壳中脱出,特别是在不利于粘稠融体流动的蜡模部位(如大平面、盲孔、拐角等处),必须用普通蜡料作成出气冒口、排渣口及辅助浇道焊在不易脱蜡的部位(见图7、8),脱蜡时首先用一般的脱蜡方式熔失浇冒口、出气冒口和辅助浇道中的低熔点蜡料,形成许多与大气相通的孔道,尽可能使热气流与S LS蜡模有更多的接触部位,并在S LS蜡模中形成与热气流接触的通道,产生对流传热,加快外界对模型的传热,达到S LS模料快速地从型壳中脱出的目的。在随后的焙烧阶段中,炉中的热气流能迅速地从各个孔道流入型壳内部,并进一步将剩余尚未熔失的S LS模料分解燃烧,从而彻底将S LS蜡料快速从型壳中脱除。
S LS模料的分阶段脱蜡焙烧工艺,虽然可保证铸件
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S LS模料特性及熔模铸造工艺研究 杨劲松
质量,但由于耗时长,给生产中带来了一些麻烦,并增加
了第一阶段脱蜡所需的能源。为了克服此弊病,可将精铸型壳先置于刚停炉的焙烧炉中(此时炉温约400℃,关闭炉门防止挥发物逸出),利用炉中余热熔出粘流状的S LS 模料,次日再与其他型壳一起升温进行焙烧和浇注。采用以上脱蜡工艺,成功地实现了对汽车排气管、大型水泵轮等内腔形状复杂件的S LS 蜡模的完全脱蜡,并浇注出了合格的铸件,见图9、图10
。
5 结语
用选择性激光烧结制作蜡模,其模料的粘度大,不
易脱出,但只要能够掌握模料的特性,选择合适的分段脱蜡工艺,并在设计中重点注意蜡料的流出,对于蜡模上形状简单的部位、所有浇冒口系统及辅助浇注系统的连通系统均用低熔点蜡料(可用热水或蒸气脱出的蜡),增加排气冒口、脱蜡口和蜡模烧失的通气道和辅助浇道等措施,脱蜡过程中的不利因素就能得以解决;另外,在焙烧工艺中,应注意使氧气能进入到型壳中的死角部位,让这些部位的蜡料能充分气化和燃烧,不致形成致密的碳化层沉积粘附在型壳上,就可获得内在品质好、无夹渣的优质铸件。
参 考 文 献
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(编辑:张振斌)
万丰奥威首发A 股远期目标“全球领跑”
2006年11月28日,浙江万丰奥威汽轮股份有限公
司,在深圳证券交易所挂牌上市,首次上网定价公开发行
6400万股A 股,万丰奥威由此成为铝轮行业第一家国内上
市公司。
万丰奥威董事长陈爱莲表示,万丰奥威的战略目标是要成为汽车零部件的最优秀供应商,使“ZC W ”成为全球知名品牌。预计到2010年,万丰奥威将年产铝合金车轮
1200万只,实现年销售额30亿元,净利润2.5亿元,国际
市场占有率达到5%。公司未来5年的发展目标是进入全球第5,国内第一,远期目标是实现“全球领跑”。
(摘自《压铸世界》2006年第6期)
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5特种铸造及有色合金 2007年第27卷第1期
Presen t St a tus of Pl a sti c W ork i n g for W roughtM agne2 si u m A lloy and Its Future Chen W e i p i ng,Zhan M e iy2 an,Chen W ande,Zhang D a to ng,L i Yuanyuan (South2China University of Technol ogy,Guangzhou,Chi2 na)2007,27(1)040～043
Abstract The last p r ogress in app licati on and devel opment of wr ought magnesium all oy,and in p lastic def or mati on characteristics and working technol ogies has been de2 scribed.The devel op ing tendency of wr ought magnesium all oy has been revie wed.
Key W ords:W rought M agnesi u m A lloy,Pl a sti c D e2 for ma ti on,Squeez i n g Ca sti n g,Rolli n g,Forg i n g,Sev2 er Pl a sti c D efor ma ti on
Appli ca ti on of Co m puter i n D raw i n g p2Q2D i a gram Yang Yuanp e ng,W an L i(Huazhong University of Sci2 ence and Technol ogy,W uhan,China)2007,27(1)044～045
Abstract Dyna m ics and creati on of p2Q2diagra m in dieca2 sting were ex pounded based on the hydr odyna m ic theory. p2Q2diagra m design system was devel oped by means of C ++p r ogra m.The syste m can calculate available scope of p and Q t o p r ovide an evaluated reference f or design of ga2 ting syste m with a given para meters of die and p resser. Key W ords:D i e Ca sti n g,Ga ti n g Syste m,p2Q2D i a2 gram
D evelop m en t of D i e Ca sti n g Cyli n der ba sed on p2Q2 D i a gram Yan Yanxi ang(Shanghai Q iant ong Aut omobile Parts Co.,L td.,Shanghai,China)2007,27(1)046～051
Abstract It was validated that p2Q2diagra m relati onshi p bet w een the feed oil circuit and the return oil circuit of the shot end syste m of the die2casting machine is accordant based on p2Q2diagra m p rinci p le.Relati onshi p bet w een p2 Q2diagra m of die casting die and the shot end syste m was expounded,and si m ulated ways f or trial2die were de2 scribed using p2Q2diagra m,in which the evaluati on and modificati on of fl ow coefficient were considered.The p rac2 tical validati on of p2Q2diagra m has been conducted by p r o2 ducing cylinder using Buhler machine.
Key W ords:p2Q2D i a gram,Cyli n der,D i e Ca sti n gs
Eli m i n a ti on of D efects i n F3Cyli n der Cap Cu iW e i,L i J ugang,Hu J i aw ang,W ang Go ngp ing,Xi o ng Yu (Chongqing J ianshe Gr oup Company,Chongqing,China) 2007,27(1)052～053
Abstract The i m p r ove ment of casting p r ocess was conduc2 ted t o eli m inate the defects in F3cylinder cap in l ow p res2 sure casting.Sand2adhesi on was av oided by brushing fine and s ound coating on sand2core surface in exhausted chan2nel and altering set2ways of sand2core.Shrinkage por osity (hole)in thick2walled comp lex parts can be eli m inated by chilling method.Mean while,it is an effective way t o re2 s olve shrinkage por osity in thick partial l ocati on by adop2 ting directi onal s olidificati on and setting feeding channel. Key W ords:L ow Pressure Ca sti n g,Cyli n der Cap, Ga s Hole,Shr i n kage Porosity,DO E
Pa ttern2properti es of S L S and I nvest m en t Ca sti n g Yang J i n so ng1,Shen Q i w en1,Sh i Yu sheng1,M i n Ha itao2,Ke M e ihua3,Luo Sho uxin4(1.Huazhong Uni2 versity of Science and Technol ogy,W uhan,China;2. CSI C No.12Research I nstitute,W uhan,China;3. Yinyu I nvest m ent Casting Co.,L td.,W uhan,China;4. W uhan Research I nstitute of Machinery Technol ogy,W u2 han,China)2007,27(1)053～056
Abstract H ighly poly merized compound pattern2materials in S LS pattern is un2favorable f or de waxing and easily gen2 erating entrapped2slag in the invest m ent castings due t o high melting point and high viscosity.The pattern2materi2 als p r operties in S LS pattern has been investigated,inclu2 ding melt viscosity te mperature of160～180℃,100Pa s melt viscosity te mperature of230℃,initial decomposed te mperature of310148℃and fully decomposed te mpera2 ture of476℃as well as ash content of01307%.Based on the pattern2materials p r operties,the p r ocess of designed shell2making and de waxing is as foll ows:maj ority wax2ma2 terials is re moved at about250～280℃,then the residu2 als are burned off at500～700℃.The sequence of de wa2 xing should be considered in the p ractice due t o the pattern al w ays asse mbled with si m p le parts and gating syste m with l ow melting point wax and S LS wax.The l ow melting point wax pattern is firstly de waxed at a l ower te mperature,then S LS pattern is de waxed at a higher te mperature.En2 trapped2slag in the invest m ent castings can be eli m inated by setting exhausted riser and exhausted2slag riser in con2 cave and slag2collecti on positi on of pattern t o fully re move wax based on analysis of originati on of entrapped2slag in S LS pattern comp lex parts.Exhausted p i pe in the car and large stainless steel pump wheel in invest m ent casting have been successfully p r oduced by using above2menti oned technol ogy,realizing desirable effects.
Key W ords:Rap i d Prototyp i n g,S L S,I nvest m en t Ca sti n g,S L S Pa ttern,W ax Properti es
Coun ter m ea sures of Preven ti n g D ecarbor i za ti on fro m Surface of Prec isi on Steel Parts Chen L i,Zhao Yu (Changchun University of Technol ogy,Changchun,Chi2 na)2007,27(1)057～059
Abstract The p recisi on steel castings were p r oduced with nitr ogen(N2)or p r opane gas(C3H8)filling the shell
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