熔模铸造中形成复杂内腔的工艺方法及应用

常州兰翔机械有限责任公司 （江苏 213022） 黄 凯

我公司接到某型号机用外形呈S形中空耐高压的不锈钢油管研制任务，油管零件实物如图1所示。弯管外径为22mm，内径为16.5mm，壁厚公差±0.20mm，油压试验压力≥6MPa。材质为ZG12Cr18Ni9Ti。

图1

首先，熔模精密铸造工艺可以很好地保证铸件的几何尺寸，很大程度上可以避免砂型铸造工艺中由于型芯偏心导致的壁厚不均匀，难以通过油压试验的问题；其次，熔模精密铸造工艺的红壳浇注有利于提高产品表面质量，改善产品使用性能；再次，熔模精密铸造工艺有利于减少砂型铸造工艺所产生的缺肉、皮下气孔等常见铸造缺陷。我们通过数次试验最终成功获得了具有光滑内腔且形状复杂的S形中空耐高压油管铸件，同时也为铸造具有一定几何尺寸空腔的复杂空心铸件提供了更为高效、低成本、质优的铸造新工艺。

一、试验过程与结果

1.型芯工艺

（1）陶瓷型芯工艺 陶瓷型芯是以耐火材料与矿化剂、增塑剂混合后，在专用的压力机上压制成形，并经高温焙烧而成。

制芯工艺：基体材料准备→配制陶瓷浆料（增塑剂、矿化剂）→压制型芯→型芯坯体修整→造型→焙烧→强化（强化剂）→修理型芯→检验待用。

压制好此类型芯后，去除毛刺，放在玻璃钟罩中待用。该钟罩为Ⅰ号型芯。

（2）易脱落型芯工艺 ①制芯工艺（灌倒尿素型芯）。模具型腔表面涂脱模剂→熔化尿素→浇注→取出型芯→修理型芯。②压制尿素型芯的工艺参数。尿素为无色透明结晶或白色透明结晶晶粒，无肉眼可见的机械杂质。NH2CONH2含量不少于99.5%，干燥失重不大于0.02%。

注意事项和参数如下：

将重熔尿素和新尿素搭配放入坩埚内加热，温度不超过140℃，为了使整个尿素熔化比较均匀，要不断地搅拌。

浇注温度：（130±4）℃。

模温：40～100℃。

浇注速度：12～24s。

模具表面必须涂硅油作为脱模剂。

压制好此类型芯后，去除毛刺，放在玻璃钟罩中待用。该钟罩为Ⅱ号型芯。

2.压制蜡模

（1）压制蜡模工艺参数 室温20～24℃，压射蜡温50～55℃，压射压力0.2～0.4MPa，保压时间35s，冷却水温度（25±3）℃。

（2）操作程序 ①从保温槽中取出蜡缸，装在双工位液压蜡模压铸机上，使用前应去除蜡料中空气及硬蜡。②将模具放在压铸机工作台面上定位，检查模具开合是否顺利，模具注蜡口与压铸机射蜡嘴是否对正。③打开模具，喷薄薄一层分型剂，再把准备好的型芯装入模具，然后合模。④按照技术规定调整压铸机工艺参数，包括压射压力、压射温度、保压时间、冷却时间等。切记要把Ⅰ、Ⅱ号型芯的蜡模分开放（其中含有Ⅱ号型芯的蜡模压制完成后立即放入流动的冷却水中使尿素芯融化去除尿素芯）。

3.蜡模修理

（1）修理蜡模工艺参数 室温20～24℃，修模前蜡模静置时间5～6h。

（2）操作程序 ①取已静置5～6h并对重要尺寸已进行检测合格的蜡模。②检查这些蜡模有无缺陷，有缺陷的应剔除。③去除蜡模上的残留飞边或分模线，不得损伤蜡模，对小飞边也可直接用布擦除。④蜡模凹处修复，蜡模上有大而狭长的凹处应用修补蜡修复，修后表面要平整。⑤修补蜡模上所有的气泡必须挑破，用修补蜡修复，修后形状要正确。⑥用吸有三氯乙烯的棉花轻柔地擦拭流痕处，以去除流痕，注意不要伤及蜡模本身。⑦用棉纱或吸有三氯乙烯的棉花轻柔地擦去蜡模油污及沾有的蜡屑。⑧修好的蜡模应按要求放在存放盘中送模组焊接处待用。⑨在蜡模组合连接处刻上前面型芯相对应的标记号。

4.模组组合焊接

工艺参数：室温20～24℃，焊后蜡模间距≥5mm。

操作程序如下：

（1）对所有蜡模再次进行目视检查，剔除不合格品 （其中为Ⅲ号的暂时不进行组合） 。

（2）按铸件工艺卡规定选择浇口种类。

（3）对浇道蜡模进行严格检查，剔除变形、空心和螺母未上到位者。对有气泡和裂缝尚能用的浇道蜡模用烙铁和修补蜡补好、焊严。

（4）浇口杯上挂钩盖板前，务必将盖板上的涂料浆、砂粒清除干净。上盖板后，用焊刀将盖板与浇道间缝隙焊严，并在浇口杯外侧面打上钢号。

（5）用铬铁将蜡模内浇道处加热后焊在浇道上，焊接处要牢固、整齐，不得有缝隙。注意烙铁不得触及蜡模表面，蜡液不得流到蜡模上。

（6）蜡模间要保持适当间距，一般≥9mm，以保证制壳后两蜡模壳间隙5mm。

（7）组好的模组必须用压缩空气吹掉其上的蜡屑。

5.制壳

工艺参数：将清洗后干燥静置45min以上的模组进行制壳，参数见附表。

制壳参数表

含有Ⅰ号型芯的蜡模按以上工艺进行制壳，注意区分型芯种类。

Ⅱ号型芯蜡模的制壳工艺如下：

（1）待型芯完全融化后取出晾干，蜡模干透后，在蜡模表面涂上浸湿剂370-HK-RS。

（2）把蜡模浸入370-HK-TL耐火涂料中，注意使其表面充分涂挂均匀，然后放在常温常压下进行自然晾干，时间不少于10h（温度20～24℃，相对湿度40%～60%）。

（3）重复（2）工序3次。

（4）在以上蜡模的中空部位填充专用的370-HK-TL-2耐火材料（主体为粒度0.054～0.18mm的刚玉砂）以提高型芯强度。

6.脱蜡

工艺参数：脱蜡最大压力0.75MPa，脱蜡温度170℃，达到0.56MPa压力时间≤14s，脱蜡时间10min。

7.型壳焙烧

工艺参数：第一次焙烧温度900～950℃，焙烧时间45min；待模壳出炉冷却后清洗模壳，去除模壳内残留物；检查模壳，修补模壳裂纹等缺陷。第二次焙烧温度850～900℃，焙烧时间30min。

8.浇注

工艺参数：熔化温度1700～1750℃，浇注温度1650～1680℃，浇注时间6～8s。

9.脱壳

采取机械方法振壳，采用Ⅱ号型芯的铸件可以很轻松地振出型芯。由于型腔比较复杂，采用Ⅰ号型芯的铸件的型芯很难振出，最终只能采取碱煮的化学处理方法，碱煮时间约50h。

二、分析与讨论

传统的陶瓷型芯工艺虽然通用性比较高，对于要求较高的高温合金、耐蚀合金钢等铸件均可以采用此工艺。由于清除型芯需要采取碱煮的化学处理方法，对于普通的结构钢、有色合金及表面存在部分缺陷的铸件会加剧表面化学腐蚀，不利于产品可靠性，碱煮过程甚至可能造成零件报废；另外，陶瓷型芯的制作需要专业的设备，原材料价格比也较高，制作工艺十分复杂，周期相对比较长，效率也不是很高。

相对而言，易脱落型芯工艺较传统的陶瓷型芯工艺具有操作简单，成本低廉，以及生产效率高等优点，只要空腔几何尺寸达到一定要求的铸件均可采用，应用范围广，在大多数领域可以代替传统的陶瓷型芯工艺。随后我们把此工艺又应用到公司研制的某起动机燃气涡轮导向器空心叶片（见图2）精密铸件工艺中，通过试验也获得了成功。

图2

三、结语

对于内腔形状复杂的油管，通过采用易脱落型芯的熔模精密铸造工艺，产品合格率达到95%以上，获得了较为满意的结果。为此，我们还将该工艺应用在军工领域，也获得了成功，为以后此类铸件的精密铸造工艺的研制与生产创造了条件。