消失模工艺生产液压件的试验研究.pdf

8 9 4 铸 造 F OU NDR Y Au g ． 2 01 2 Vo I ． 6 1 NO ． 8 消失模工艺生产液压件的试验研究 司 颐 ，于大林 ，彭 丹 ，于颖颖 ，武晓峰 1 ． 辽宁石化职业技术学院应用化学系，辽宁锦州 1 2 1 0 0 1 ；2 ． 辽宁工业大学材料科学与工程学院，辽宁锦州 1 2 1 0 0 1 摘要针对H T 3 0 0 液压件在消失模铸造条件下的凝固特点，选用铬铁矿粉、 石灰石粉及石墨粉作为耐火骨料配制适用 于生产H T 3 0 0 液压件的水基涂料。通过正交试验，确定了涂料的最佳配比；选用干宝珠砂作造型材料 ；采用高碳 、高 硅成分，全废钢增碳增硫工艺及I c a B a 合金孕育制备H T 3 0 0 液压铸件。试验和生产应用结果表明生产的H T 3 0 0 液压 件如泵体等，表面光洁、平整 、棱角清晰、无任何粘砂 、尺寸精度高 ，油道等微孔极易清理，力学性能和耐压致密性 都达到要求。 关键词 消失模铸造 ；H T 3 0 0 液压件 ；铬铁矿粉 ；增碳增硫 ；复合孕育 中图分类号 T G 2 2 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 4 9 7 7 2 0 1 2 0 8 0 8 9 4 0 4 Ex p e r i me n t a I Rq r c h o n Hy d r a u l i c Ca s t i n g Pr o d u c e d b y EPCRe s e a r c h O n Hy d r a u I C a s t i n q r o d u c e d b y F l S I Yi ， YU Da l i n 2 ， P E NG Da n 2 ， YU Yi n g - y i n g 2 ， WU Xi a o f e n g 1 ． D e p a r t me n t o f A p p l i e d C h e mi s t r y ， L i a o n i n g P e o c h e mi c a l Vo c a t i o n a l a n d T e c h n o l o g y C o l l e g e ， J i n z h o u 1 2 1 0 0 1 ， L i a o n i n g ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g in e e r i n g ， L i a o n i n g Un i v e r s i t y o f T e c hno l o gy， J i n z h o u 1 2 1 0 0 1 ， L i a o n i n g ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e s o l i d i fi c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f HT 3 0 0 h y d r a u l i c c a s t i n g u n d e r E P C． a wa t e r - b a s e c o a t i n g f o r t h e h y dra u l i c c a s t i n g wa s p r e p a r e d b y u s i n g c h r o mi t e f i n e s ， l i me s t o n e a n d g r a p h i t e p o wd e r s a s the r e fr a c t o r y ma t e ri a 1 ． T h e o p t i mu m i n gre d i e n t r a t i o o f t h e c o a t i n g wa s d e t e r mi n e d b y o r t h o g o n a l e x p e ri me n t ． Ce r a ma c or e wa s s e l e c t e d a s mo l d i ng m a t e r i a 1 ． HT3 00 h y dr a ul i c c a s t i n g s we r e pr e p a r e d b y us i ng h i g h C a nd S i ．r e c arb u r i z i n g a n d r e s u l f u r i z a t i o n 。a n d I C a c o mp o u n d i n o c u l a t i o n ．T h e e x p e ri me n t a l a n d a p p l i e d r e s u l t s s h o w t h a t HT3 0 0 c a s t i n g s s u c h a s h y dra u l i c p u mp b o d i e s h a v e s mo o th a n d c l e a r l y e x t e ri o r s u r f a c e s ， a c c u r a t e d i me n s i o n s ；s m a l l ho l e s s u c h a s oi l p a s s a g e a r e e a s y t o c l e a n；bo t h me c han i c a l p r o p e r t i e s a nd p r e s s u r e ． p r o o f c o mp a c t n e s s h a v e r e a c h e d t e c h n i c a l r e q u i r e me n t s ． K wo r d s E P C； HT 3 0 0 h y dra u l i c c a s t i n g ；c h r o mi t e fi n e s ；r e c a r b u r i z i n g a n d r e s u l f u r i z a t i o n ；c o mp o un d i no c ul a t i o n 液压件阀体等精密耐高压件 ，尺寸精度要求高 。 同时 ，由于其 内部分布有复杂的暗腔 、油道 ，铸件表 面质量标准和清洁度要求也较高。其 内腔流道必须无 粘砂 、夹砂、氧化皮等杂物【 ” 。另外 ，大部分的液压元 件工作压力为2 0 MP a ，最高达3 0 MP a 以上，故要求铸 件必须具有高的耐压致密性和强度 。目前 国内厂家普 遍采用湿型砂造型 、树脂砂制芯工艺生产液压铸件 ， 存在尺寸精度低 、表面质量差 、油道清理 困难 、生产 成本高等缺点。 消失模铸造采用干砂造型并在负压下浇注，无需 分型 、取模及合箱 ，保证了铸件获得高的尺寸精度 ； 无需砂芯 ，气化模样表面刷涂耐火涂料使铸件具有高 的表面光洁度[2 ] 。因此，采用消失模铸造工艺生产 的一 般铸铁件 ，尺寸精度和表面光洁度高 ，组织致密 。然 而由于液压铸件结构的特殊性及消失模铸造独特 的凝 固与成形特点 ，采用消失模铸造工艺生产液压铸件仍 存在以下问题 1 液压铸件属于厚壁件 ，消失模铸 造为干砂造型，使得铸件凝固十分缓慢 ，油道等细小 部位涂料 中的耐火骨料与高温铁液长期接触 ，并在负 压吸力作用下极易造成大面积化学和机械粘砂且不易 清理 ，产生废品； 2 液压铸件力学性能要求高，而 消失模铸造采用干砂造型 ，冷却速度慢 ，易造成铸件 组织粗大，不易满足力学性能的要求。针对上述液压 阀体等铸件结构的特殊性及消失模铸造独特的凝 固与 成形特点 ，本文重点研究满足消失模铸造铸铁液压件 质量要求的涂料 、造型填料 、化学成分 以及熔炼工艺 等，并考察在实际生产中的使用效果。 1 涂料的研制 1 ． 1 耐火骨料 1 ． 1 ． 1 种类的选择 消失模铸造铸铁液压件涂料耐火度应足够高且还 收稿 日 期 2 0 1 2 - - 0 3 - -0 8 收到初稿，2 0 1 2 - - 0 5 - 0 5 收到修订稿。 作者简介 司颐 1 9 7 7 - ，女 ，硕士 ，副教授 ，研究方向为铸造新材料 、新工艺。E ma i l h g d 9 0 1 1 2 6 ．c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 铸造 司颐等 消失模工艺生 产液压件的试验研究 8 9 5 要具有加快油道等微孔部位冷却速度的作用。铬铁矿 砂 粉耐火度高 ，不易被金属液润湿 ，激冷性好 ， 可阻止金属液渗入涂层 ，提高涂层的抗机械渗透粘砂 能力[ 3 ] ，因此选用铬铁矿粉作为主加耐火骨料 。另外 ， 铬铁矿砂 粉属于中性耐火材料 ，其高温化学稳定性 好 ，不与金属液及其中的氧化物发生反应 ，F e O容易在 铸件表面积累，从而具有良好的抗化学粘砂能力 。 选用石灰石粉作为辅助骨料 ，利用其在6 0 0℃左 右C a C O ， 受热分解体积缩小的特性 ，添加在消失模铸 造涂料中，会使清砂变得更容易 ，这已经在实践中得 到证明[ 5 ] 。为了降低成本 ，在涂料中还添加了一部分石 墨粉。 1 ． 1 ． 2 配 比的确定 铬铁 矿 、石灰石和石墨粉按一定的配 比配制水 基 涂料 ，将其 涂刷 于带有 q b l 5 mm 1 0 0 mm微 孔 的 1 5 0 m mx l 5 0 m mx l 5 0 ml n 方形泡沫塑料模样表面 ，考 察不同配比的涂料对试样微孔处表面质量的影响。通 过试验发现 ，耐火骨料为单一的铬铁矿粉、石灰石粉 和石墨粉时试样表面微孔处分别产生涂层不脱落 、化 学粘砂和机械粘砂现象 。当铬铁矿粉、石灰石粉和石 墨粉三种耐火骨料的加入比例分别为7 0 ％、1 0 ％和2 0 ％ 时，略为清理就可使微孔处的造型砂和涂层脱落 ，从 而获得了十分光洁的表面 ，未出现烧结 、铁包砂等化 学和机械粘砂现象 。因此涂料以铬铁矿 、石灰石和石 墨粉的这种比例配制。 1 。 2 悬浮剂等其他组分 铬铁矿粉的密度较高 ，必然会降低涂料的悬浮性。 本文选用钠基膨润土 、羧甲基纤维素钠 C MC 和黄 原胶组成复合悬浮剂，以提高铬铁矿粉涂料的悬浮性。 黄原胶是具有多侧链线性结构的高分子微生物聚合物 ， 它的羟基能与水分子相结合 ，从而形成稳定的螺旋状 网状结构 。这种网状结构与钠基膨润土、C MC 形成的 连续网状结构相互加强 ，从而使涂料的悬浮能力 、强 度大大增强 。同时这种网状结构也使涂料粘度大大增 加 ，从而提高了涂挂性网 。 采用聚醋酸乙烯乳液 白乳胶作低温粘结剂 ， 磷酸盐作高温粘结剂 ，由它们组成复合粘结剂。溶剂 为水 ，助剂采用微量表面活性剂、消泡剂等。 1 ．3 涂料最佳配方及性能 悬浮性 、涂层强度 、透气性和高温抗裂性等是 消失模涂料基本的工艺性 能。采用4 因素3 水平正交 试验即 3 4 ，4 因素为 白乳胶 、钠基 膨润土 、C MC 及黄原胶 ，各取3 水平 ，见表 1 。取耐火骨料为1 0 0 份 其中铬铁矿粉7 0 份 、石灰石粉 1 0 份、石墨粉2 0 份， 磷酸盐2 份 ，4 因素份数通过正交试验确定 。性能测 试方法见文献[ 2 ] ，试验方案及结果如表2 ，极差分析 如 表3 。 表1 正交试验 因素与水平 Ta b l e 1 F a c t o r s a n d l e v e l s o f o r t h o g o n a l t e s t 表2 正交试验方案及结果 Ta b l e 2 S c h e m e a n d r e s u l t s o f o r t h o g o n a l t e s t 表3 正交试验极差分析 Tabl e 3 Anal ys i s o f t he r ang e o f or t hog ona l t e s t 由极差值 的大小确定各因素对悬浮性 、涂层强度 、 透气性及高 温抗裂性影 响程度 的大 小次序分别 为 C D B A、D A C B、A C B D和C A B D。悬 浮性和高温抗裂性的主要影响因素是C MC，涂层强度 的主要影响因素是黄原胶 ，透气性的主要影响因素是 白乳胶。综合权衡各因素对悬浮性 、涂层强度 、透气 性 和 高 温 抗 裂 性 的 主 次 关 系 ，最 终 确 定 方 案 A 3 B 2 C 2 D 3 为最佳组合 ，即为最佳涂料配方 ，其 中 ， 白乳胶3 ． 5 ％，磷酸盐2 ． 0 ％，钠基膨润土5 ． 0 ％，C MC 0 ． 5 ％、黄原胶0 ． 3 ％及水 、消泡剂适量。 以最优方案为试验条件重新制备消失模涂料 。测 定其悬浮性为9 7 ％、涂层强度为4 9 2 g ／ mm，透气性 为 1 2 7 和高温抗裂性为 I 级。可以看出，除悬浮性略低于 正交试验 中的最优值 9 8 ％外 ，以最优方案合成出 涂料的其他性能都优于正交试验 中制备出的涂料的性 能，进一步证实正交试验得到的合成方案是最优的。 2 造型材料的选用 选用2 0 - - 4 0 目的宝珠砂作为造型材料。液压件材质 为H T 3 0 0 ，该材料的组织及力学性能受铸件冷却速度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 9 6 F OUNDR Y Au g ． 2 0 1 2 VO I ． 61 N0 ． 8 影响很大。通常消失模铸造所采用的造型材料为干硅 砂，冷却速度慢，造成铸件组织粗大 ，降低力学性能 ； 同时冷却速度慢 ，易形成缩松缺陷 ，降低气密性 。宝 珠砂是以优质铝矾土为原料 ，经重熔冶炼再喷吹成球 形的人造砂 。该砂的热导率虽然与硅砂相当，但其比 热容几乎是硅砂的两停 ，使得其蓄热系数增大，加快 铸件冷却速度。对硅砂和宝珠砂造型所浇注的H T 3 0 0 试样 的力学性能进行 了测试 ，结果如表4 所示。由表4 可以看出，无论是试样还是本体 ，宝珠砂造型所浇注 试样的抗拉强度和硬度都 比硅砂 的有所提高。 表4 砂 的种类对H T 3 0 0 铸件力学性能的影响 Ta b l e 4 E ffe c t o f s a n d t y p e s o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f HT3 0 0 c a s t i n g s 另外 ，宝珠砂为球形 ，流动性及透气性好 ，造型 时在相同的紧实条件下填充的紧实度高 ，这使得液压 件油道等细小 、形状复杂的微孔处的型砂得到充分的 紧实。可显著减少这些部位 的包砂缺陷 ，大幅度减少 清理和精整的工作量。 3 化学成分设计及熔炼工艺 采用宝珠砂能增加铸件冷却速度 ，虽然小试样力 学性能已达到要求 ，但大试样 厚壁并未达到 ，需 改变化学成分和熔炼工艺。降低碳 、硅量 ，能提高灰 铁强度 ，但亚共晶灰铁 低碳低硅收缩大 ，易产生 缩松。为了达到在高碳 、硅量条件下获得高强度灰铸 铁铸件的 目的 ，就要尽可能细化石墨，增加石墨的晶 核 ，使石墨的分布均匀。生铁 中有许多粗大的过共晶 石墨，这种粗大的石墨具有遗传性[ 8 ] ，使凝固过程 中石 墨膨胀作用削弱 ，增大收缩倾 向。同时 ，粗大的石墨 又必然降低铸铁的性能。本试验采用电炉熔炼HT 3 0 0 ， 采用全废钢加增碳剂的工艺。全废钢熔炼使铁液更加 纯净，而且由于加入增碳剂提高了铁液的石墨化能力 ， 使铁液的收缩倾 向减小。采用全废钢熔炼 ，铁液中硫 量很低，低硫铁液 中的碳原子易积聚成粗大片状石墨 ， 使凝固后期的铁液得不到有效的石墨化而产生严重收 缩。因此 ，采用全废钢加增碳剂工艺需增硫 ，防止石 墨长成粗大片状 ，硫量达N0 ． 0 8 ％～ 0 ． 1 2 ％。表5 为增碳 剂、增硫剂对HT 3 0 0 力学性能的影响。 C r 、C u 、S n 和Mo 等元素能促进珠光体的形成 ，并 能细化珠光体和石墨相 ，提高铸铁强度 ，但这将增加 成本 。本 试验 采用 孕育 处理进 一 步细 化石 墨 ，以 R E C a B a 孕育剂代替常用的7 5 硅铁。表6 为添 J t l R E C a B a 孕育 剂对 H T 3 0 0 力 学性 能 的影 响 。由表6 可见 ，用 表5 增碳剂、增硫剂对HT 3 0 0 件力学性能的影响 Ta b l e 5 Efi e c t o f c a r b u r a n t a n d r e s u l f u r i z a t i o n o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f HT3 0 0 c a s ti n g s 原材料 试样 本体 l 0 0 砌 1 X 2 o 0 m m上截取 r J MP a H B o b ／ MP a H B 表6 孕育剂对HT 3 0 0 铸件力学性能的影 响 Tabl e 6 Effe c t o f i no cu l a tio n o n th e m e c ha ni c al pr o pe r t i e s o f HT 3 0 0 c a s ti n g s R E C a B a 处理的H T 3 0 0 铸铁 ，与7 5 硅铁相比，试样和本 体的抗拉强度分别提高2 ． 2 ％和1 ． 6 ％。这是因为R E C a B a 处理后可使石墨更加细化且钝化尖角 ，使珠光体细化 ， 共晶团数量增多。 4 生产应用效果 在辽宁某消失模铸造厂进行试验 ，采用新研制的 铬铁矿复合涂料涂 O H T 3 0 0 液压泵体 、前盖 、后盖及 汽 车转 向泵 等液 压件 消失 模样 两遍 ，涂 层厚 度为 0 ． 8 ～ 1 ． 5 ram；填充干宝珠砂造型 、密封 ；用以上设计的 化学成分 和熔炼工艺在 1 0 0 0 k g 的中频炉 中熔炼铁液。 浇注具有代表性 的铸件见图1 。图中的C B ． F 1 0 0 B ． 1 1 M 液 压 泵 体 图 1 a 和 C B X F HI O 0 ． 1 2 M液 压 泵 前 盖 图1 b 表面光洁、平整 、棱角清晰、无任何粘砂 、尺 寸精度高。表面机加工后十分光滑，无任何铸造缺陷 图1 b 。泵体和前盖两圆孔底部的油道原采用石英粉 和石墨粉涂料 ，油道中涂料层难以剥离 ，产生严重的 化学和机械粘砂。刷涂新涂料后 ，油道 内的涂层呈片 状剥离脱落 ，清理非常容易。 a 液压泵体 b 液压泵前盖 图1 采用新型涂料生产的铸件 F i g ． 1 Ca s t i n g s p r o d u c e d b y EP C us i n g ne w c o a t i n g 在类似泵体及前后盖本体的 1 0 0 mmx 2 0 0 mm 试样 上截取的拉伸试样的抗拉强度和硬度分别为3 0 0 MP a 和 H B 2 0 0 ，超过标准要求。将泵体和泵盖组装后进行油压 试验。油压增至2 9 MP a 无渗漏，远超过2 0 MP a 的标准。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m