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精铸覆膜砂壳型工艺代替熔模精密铸造生产复杂铸钢件的稳定化应用
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熔模铸造工艺应用于工业化生产已经有近一个世纪的发展历史,它作为一种近净成形的制造工艺,在生产结构复杂、精度和表面要求高的精密铸件,特别是高熔炼温度、高化学活性金属的成形中起着无法替代的作用,目前利用熔模铸造工艺主要生产各种牌号精密铸钢件产品。根据产品特性要求不同,熔模精铸生产工艺一般分为两类,一类是硅溶胶制壳工艺,采用硅熔胶作为黏结剂,制壳后蒸汽脱蜡,型壳高温焙烧后浇注,主要用于生产不锈钢、耐热钢、高温合金等材质高端产品;另一类是水玻璃制壳工艺,采用水玻璃作为黏结剂,制壳时需要用氯化铝或氯化铵化学硬化,制壳后热水脱蜡,型壳高温焙烧后浇注,主要生产碳钢、低合金钢材质的汽车或机械类产品。该两种熔模精铸工艺都有一定污染物或气体排放,尤其是水玻璃制壳工艺,废水、废气、废砂、粉尘等环保指标很难达到,造成近两年以来铸造行业成为环保部门屡次检查的重点,熔模铸造工艺也面临下一步如何发展的问题。 
在此背景之下,用覆膜砂工艺生产铸钢件产品被提上了日程,历史上覆膜砂工艺因耐高温冲击性差多用来生产铸铁件产品。我国研究应用覆膜砂开始于20世纪50年代,直至80年代中期只有几家工厂采用自制的覆膜砂用于壳芯生产。自此以后,覆膜砂开始作为商品推向市场,随着原材料、制造设备和制造工艺的不断改进,覆膜砂品质也不断得到提高,生产成本下降,90年代以来,覆膜砂的应用得到了更迅速的发展,产品种类不断增多,并已形成系列化。目前,我国铸造用覆膜砂年产量已达50万t以上,共有专业生产厂家近百家。随着我国随着我国汽车工业的快速发展和机械产品外贸出口需要,以及铸件国际市场的开发,对铸件品质的要求越来越高,覆膜砂的应用将会在短期内得到迅速增长,这类覆膜砂用于生产各种铸铁产品,已经非常成熟,而且产品质量优于普通砂铸,得到了非常广泛的应用。 
本文重点是介绍精铸覆膜砂壳型工艺,来代替熔模铸造工艺生产结构复杂的铸钢件,所以普通的覆膜砂是无法达到这个要求,而是需要从覆膜砂原材料的选择、覆膜工艺来保证覆膜砂质量,同时设计合适的浇注系统、制作合适的模具、选用合适的制芯设备来保证制出紧实致密的壳型,再选择合适的浇注温度和浇注速度来浇注形成铸件,即可以达到熔模精铸件的表面质量,而且壳型配合专用涂料可以生产合金钢和不锈钢产品。 
覆膜砂原材料的选择 
覆膜砂一般是由骨料、黏结剂、固化剂、润滑剂和特殊添加剂组成。 
1.1 骨料 
骨料是构成覆膜砂的主体。对骨料的要求是:耐火度高、挥发物少、颗粒较圆整并自身强度高等。一般选用天然擦洗硅砂,这主要是由于其储量丰富,价格便宜,能满足铸造要求。而用于铸钢件精铸覆膜砂的骨料对硅砂有更高的要求,具体要求如下: 
(1)硅砂SO2含量高,要求含量≥98%; 
(2)含泥量低,要求含泥量≤0.2%; 
(3)粒形圆整,尽可能选择圆整性好的硅砂,角形因数要求≤1.2; 
(4)粒度分布宜采用3~5筛分散度; 
(5)AFS细度:应根据铸件表面粗糙度要求来选定不同的细度,一般为AFS50~65; 
(6)P H值控制范围4~7; 
(7)采购原硅砂需要特殊处理,保证达到用于精铸覆膜砂骨料对硅砂的要求。   
1.2 黏结剂 
酚醛类树脂是普遍采用的黏结剂,它有固体和液体、热固性和热塑性之分,目前制作覆膜砂通常采用的是热塑性固态酚醛树脂,对基常规性能要求如下: 
(1)聚合速度(热板法):25~27s; 
(2)软化点(环球法):90~105℃; 
(3)流动性(斜板法):60~110mm; 
(4)游离酚含量(溴化法):≤4%。 
  黏结剂的性能对覆膜砂的品质有很大的影响,应用于生产铸钢件的精铸覆膜砂必须选用专用改性酚醛树脂,具有高强度、低发气量、延迟发气时间、耐高温冲刷、易溃散等特殊性能,只有这种树脂才能满足生产铸钢件产品要求。 
1.3 固化剂、润滑剂、添加剂 
固化剂通常采用乌洛托品即六亚甲基四胺,分子式为(CH2)6N4,要求为工业一级品。润滑剂一般采用硬脂酸钙,其作用是防止覆膜砂结块,增加流动性,使型、芯表面致密及改善砂型(芯)的脱模性。添加剂的主要作用是改善覆膜砂的性能,尤其是用于铸钢件的覆膜砂,添加剂作用尤其重要,目前采用的添加剂主要有:耐高温添加剂(如含碳材料或其他惰性材料)、易贵散添加剂(如二氧化锰、重铬酸钾、高锰酸钾、已内酰胺等)、增强增韧添加剂(如超短玻璃纤维材料、有机硅烷KH-550等)以及防粘砂添加剂和抗老化添加剂等等。 
覆膜工艺 
决定覆膜砂的性能除原材料外,就是热覆膜工艺装备,我公司采用全自动智能控制覆膜砂生产线,其中德国WEBAC-30HP高速摆轮式混砂机是全套覆膜砂生产设备的重要组成部分,它的特点是:混砂速度快、覆膜均匀、操作方便、安全,该机采用快速双摆轮结构,底部中央有强力鼓风冷却系统,在覆膜过程中,通过一对主刮板、一对底刮板和双摆轮的调整旋转,使集聚在桶壁附近的砂粒和树脂产生一种向上的悬浮状态,悬浮砂团高度超过规定时,由桶壁上的压板向下换向,同时由摆轮碾向桶壁,经侧刮板刮下,再经底板向上抛起,不断重复这一过程,实现树脂混合物对砂粒的均匀覆膜,同时不会粘结成紧实的砂团,在混砂过程中,通过高压风冷却,使覆膜砂很快降温。 
  覆膜砂覆膜工艺有冷法、温法和热法三种,为保证覆膜砂性能及连续大批量生产,我公司采用热法覆膜工艺,有专用覆膜砂生产线,加料、温控实现自动控制,用于生产铸钢的覆膜砂性能远远高于普通覆膜砂。  
浇注系统的作用主要是充填金属液,并对铸件凝固时进行补缩,防止产生缩孔、缩松缺陷,一般由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇口组成,必要时配备单独冒口。对于铸钢件产品,因其凝固过程中收缩比例较大,一般在2%以上,所以浇注系统设计尤其重要。熔模精铸工艺由于制壳方式的限制,加上浇注时热壳浇注,它的浇注系统相对比较简单,主要由浇口杯、直浇道、内浇口组成,多数产品不用特意考虑排渣排气系统设计,壳型浇注系统作用和要求如下: 
(1)壳型浇注系统主要由直浇道、横浇道、内浇口、冒口、排气孔等组成,主要作用为液态金属充填、补缩、排气; 
(2)浇注系统应有一定强度,在浇注时能支撑起型壳; 
(3)浇注系统应力求简化,去除时操作方便,生产效率高(如锤击落件); 
(4)在保证铸件补缩质量前提下,尽量减小浇注系统重量,提高铸件工艺出品率;----平均出品率达70%; 
(5)铸钢件单独冒口作用稍差,一般浇道通过冒口时作用明显; 
(6)浇注系统应能控制铸件凝固时的温度分布,实现顺序凝固,减少或消除铸件缩孔、缩松、裂纹、变形等缺陷。 
精铸覆膜砂壳型工艺浇注系统作用和要求与熔模精铸工艺是相同的,但它又有着特殊要求,它属冷壳浇注,铸钢液态时流动性比铸铁相比较差,再加上覆膜砂遇到高温金属液时燃烧发气,必须考虑浇注时型腔内气体的流向,即排气系统设计,典型浇注系统如图3所示。 
模具制造技术和制芯工艺 
覆膜砂砂壳(芯)质量好坏直接由模具和制芯工艺决定的,它直接影响铸件表面质量。模具一般由型腔、排气道、射砂道、顶杆、加热管组成,模具排气系统设计决定制作砂芯的紧实度和致密程度,砂芯越致密,铸件表面质量越好,模具和制芯机优先选用双边射砂工艺,这样砂芯致密性较好。 
典型制芯机如图4所示,主要是两种,一种是上下开型、双边射砂,另一种是左右开型、上方射砂,无论是哪种制芯机,模具温度合适,合箱必须压紧,射砂压力必须足够,才能保证砂芯致密性。 
浇注铸钢的覆膜砂砂壳,尤其是浇注不锈钢,型腔表面必须喷涂专用涂料,提高砂壳表面粗糙度,保证铸件表面质量  
熔化工序重点控制原材料质量,要求废钢无锈蚀,回炉料抛丸后使用,控制原材料中杂质元素含量,防止某些元素和覆膜砂中的树脂反应,造成铸件表面密集性气孔。 
浇注工艺控制与熔模铸造差异较大,浇注温度必须严格控制,一般铸件控制1560~1580℃,根据产品结构适当调整具体温度,如图6所示。如果温度偏高,由于覆膜砂高温耐冲刷性有限,造成局部橘皮、粘砂等缺陷;如果温度偏低,则会造成冷隔、浇不足等缺陷,所以浇注温度需要严格控制。另外浇注速度直接影响气孔缺陷产生,浇注时覆膜砂中树脂燃烧产生气体,气体在浇注过程中通过排气系统要排出型腔,浇注速度要低于熔模工艺,但也不能过慢,浇注过慢,造成钢水温度偏低。典型产品如图7。  
上一个:覆膜砂铸造工艺过程要点及覆膜砂的强度和发气量的确定方法
下一个:湿型砂旧砂热法再生技术及再生砂性能简述
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