压力下真空密封造型铸造

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.03.005 第21卷第3期 北京科技大学学报 Vol.21 No.3 1999年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1999 压力下真空密封造型铸造 吴春京李晨曦郭太明 郭鸿志胡汉起 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要在真空密封造型工艺(V法)的基础上，提出压力下真空密封造型铸造工艺(PV法)， 并对PV法中铸型抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、硬度、薄膜烧失、浇注时型腔压力、金属液 充型流动等工艺参数进行系统的基础研究， 关键词压力：真空密封造型：铸造 分类号TG214 真空密封造型工艺，简称V法，其铸型是由 无水、无粘结剂的干砂和薄膜组成，并处于真空 泄压阀气压表 下浇注.V法有利于金属液的充型，生产的铸件 螺栓 尺寸精度高、轮廓清晰、表面光洁，适合于铸造 导线孔 薄壁铸件.假如铸型内抽成完全真空，铸型内外 气压罐 摇杆 压差为1个标准压力，环境大于1个标准压力， 抽气孔N 充气孔 那么V法铸型的强度、硬度和金属液的充型驱 砂型 动力将得到提高， 图1P-V法铸造实验设备 因此，我们提出压力下真空密封造型铸造 金属网 工艺，简称PV法，即将真空密封造型放置压力 定位块 罐内铸造.压力罐内充0至5个标准压力(0标 准压力时为V法)，假如铸型内抽成完全真空， 垫 铸型内外压力差就达到1至6个标准压力，估 交垫 计可使铸型的强度、硬度和金属液的充型驱动 底座 力均大幅度提高，本文对压力下真空密封造型 φ50 铸造工艺进行研究. 图2抗压强度试样(a)试样制备方法，(b)制备的试样，/mm 上箱 1实验方法 乳胶膜铁壳 设计PV法铸造实验设备，如图1所示.实 试样 验研究内容为：PV法铸型的强度、硬度、薄膜 乳胶膜 乳胶膜 烧失、型腔内的反压力特性，并用其铸造薄壁的 铸件.为测试PV法铸型强度，设计了强度测试 卡具，并在SQY型液压强度试验机上测试.抗 图3抗剪强度试样 图4抗拉强度试样 压强度试样如图2所示，抗剪强度试样如图3 铸型、热电偶差压传感器 所示，试样尺寸为45mm×45mm.抗拉强度试样 如图4所示，试样直径为27mm.铸型硬度用铸 型硬度计测试.薄膜烧失和砂型内压力变化实 中5 验如图5所示.用差压传感器测量浇注时型腔 电炉 八热电偶 1998-09-17收稿吴春京男，38岁，教授，硕上 图5薄膜烧失和砂型内压力变化实验

第 卷 第 期 ， 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 心 压 力下 真 空 密封 造 型 铸造 吴春京 李晨 曦 郭太 明 郭鸿志 胡汉起 北 京科技大 学材料科学与 工 程 学院 ， 北京 摘 要 在 真 空 密 封造 型 工 艺 法 的基 础 上 ， 提 出压 力下真空密封造型铸造工 艺 一 法 ， 并对 一 法 中铸 型抗压 强度 、 抗剪强度 、 抗 拉强度 、 硬度 、 薄膜烧失 、 浇注 时型腔压力 、 金属液 充 型 流 动 等 工 艺参 数进 行 系统 的基础 研 究 关键 词 压 力 真空 密 封 造 型 铸 造 分 类号 泄压 阀气压表 浇包 国 螺栓 导线孔 气压罐 抽气孔 摇杆 充气孔 砂型 图 一 法铸造实验设备 ﹁‘ ， 场﹄一 护 ﹃化口月 吧又，﹄︸、︺︸ ，、 爷一人甲 金属 网 吸厂、 ， 了 乳胶套 矿 忿 卜 ‘ 、 公 ， 人 六 心 ，令户名 分石福 几 翱 少 井名介 健 华扮罗月掀甲 二钾 鳅腿翰鱿 真 空 密 封造 型 工 艺 ， 简称 法 ， 其铸 型是 由 无水 、 无粘 结剂 的干 砂和 薄 膜 组 成 ， 并处 于 真 空 下 浇 注 法有 利 于 金 属 液 的充 型 ， 生产 的铸件 尺 寸精度 高 、 轮廓清 晰 、 表 面 光 洁 ， 适 合 于 铸造 薄壁铸件 假如铸型 内抽 成完全真空 ， 铸型 内外 压差 为 个标准压 力 ， 环 境大于 个标准压 力 ， 那 么 法铸 型 的强 度 、 硬度 和 金 属 液 的充 型 驱 动 力将 得 到 提 高 「， 因 此 ， 我们 提 出压 力下 真 空 密封 造型 铸造 工 艺 ， 简称 一 法 ， 即将真 空 密封造 型 放 置 压 力 罐 内铸造 压 力罐 内充 至 个标准压 力 标 准 压 力 时 为 法 ， 假 如铸 型 内抽成 完全真 空 ， 铸 型 内外 压 力差 就达 到 至 个标准压 力 ， 估 计 可 使铸 型 的强度 、 硬度和 金 属 液 的充型驱动 力 均 大 幅度提 高 本文 对压 力下 真空 密 封 造 型 铸造 工 艺 进行 研 究 底座 图 抗压强度试样 试样制备方法 ， 制备的试样 ， 实 验 方法 设计 一 法 铸造 实验 设 备 ， 如 图 所 示 实 验研 究 内容为 一 法 铸 型 的 强 度 、 硬 度 、 薄膜 烧 失 、 型腔 内的反 压 力特性 ， 并用 其铸造薄壁 的 铸件 为测 试 一 法 铸 型 强 度 ， 设计 了 强度测 试 卡 具 ， 并在 型 液压 强 度试验 机 上 测试 抗 压 强 度试 样 如 图 所 示 ， 抗剪 强 度 试样 如 图 所 示 ， 试样尺 寸 为 们 抗拉强 度 试样 如 图 所示 ， 试样 直径 为 铸 型 硬 度用 铸 型 硬度 计 测 试 薄 膜 烧 失 和 砂 型 内压 力 变 化 实 验如 图 所 示 用 差 压 传 感器测 量 浇注 时 型 腔 一 一 收稿 吴 春 京 男 ， 岁 ， 教授 ， 硕 士 卜箱 下箱 警 姆 铁壳 试样 乳胶膜 图 抗剪强度试样 图 抗拉强度试样 沐协讲派犷 一 尹「 续 ， 洲 呀 翻熟 口 砍 图 薄膜烧失和砂型 内压 力变化实验 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．03．005

Vol.21 No.3 吴春京等：压力下真空密封造型铸造 ◆235 压力及金属液充型流动长度 铸型抗拉强度测试结果如图8所示，其抗 拉强度随铸型内外压差的增大明显加大， 2实验结果及分析 铸型硬度如图9所示，随铸型内外压差的 铸型抗压强度实验结果如图6所示.由图6 增大，铸型硬度保持在较高的水平.回归分析 可见，铸型的抗压应力一压应变曲线与低碳钢 得： 52.21+51.46△P (0.20≤△P≤0.75) 的抗拉曲线相似，存在屈服现象.一般铸型试样 H= (3) 90.02+1.18AP (0.75<△P≤6.80) 的抗压强度定义为压碎时的压应力，而此铸型 式中，H为铸型硬度. 试样不被压碎，因此，把屈服点定义为此铸型抗 在实际铸造中，由于薄膜不可能与砂箱紧 压强度，其抗压强度随铸型内外压差的增大明 密相贴和在浇注过程薄膜烧损，使铸型漏气，造 显加大.回归分析得： 成铸型内外压差降低，这时V法铸型很难保证 T-(0.384+5.147△P)e2+(1.747+100.577△P)E 各处都有较高的硬度和强度，从而难保证铸件 (0≤e≤12) 的尺寸精度.而PV法铸型可从根本上解决这 (-23.726+353.401△P)-1.052 (1) 一问题. (e>12) 式中：G,为抗压强度(kPa):△P为铸型内外压差 高温下薄膜在一般铸型表面上迅速燃烧， 而在铸型的外压力高于内压力时，铸型表面的 kPa):e为铸型的压应变(%) 薄膜遇热软化渗入到表面砂粒之间，就像煤油 铸型抗剪强度测试结果如图7所示.测得 试样内有砂和无砂2种情况下的抗剪强度，两 灯丝缩到灯丝孔中无法点燃一样，烘烤一段时 间后，铸型表面形成4个区域：正常区、软化区、 者之差为铸型的真实抗剪强度，其抗剪强度随 碳化区和烧失区.在烘烤过程中，薄膜逐渐烧 铸型内外压差的增大明显加大.回归分析得： G=15.666+37.103△P 失，铸型逐渐漏气，型内的压力逐渐升高，薄膜 (2) 烧失和砂型内压力变化如图10所示. 式中：c为抗剪强度(kPa). 浇注时型腔压力如图11所示，型腔压力对 1000 浇注中防止金属液飞溅有利，对充型流动长度 38/28 800 400 350 0.8/ 600 0.6* 300 250 实测 6 400 0.4 200 200 0.2 150 计算 0 100 0 10 20 3040 50 50 两者之差 e1% 0 0.0 1.0 2.03.0 4.0 图6铸型抗压强度曲线（图中数字为压差/x10kPa) △P/xl0kPa 250 图8铸型抗拉强度 100 200 有砂 90 150 真实 100 2 0 50 无砂 50 40 0.0 1.02.03.04.0 △P/x102kPa 0 1234567 图7铸型抗剪强度测试结果 △P/x10kPa 图9硬度H测试结果

吴春京等 压力下真空密封造型铸造 压 力及 金 属 液充 型 流动 长度 铸型抗 拉 强度测试 结 果 如 图 所示 ， 其抗 拉 强 度 随铸 型 内外 压 差 的增 大 明显 加 大 铸 型硬度如 图 所 示 ， 随铸 型 内外压 差 的 增 大 ， 铸 型 硬 度保 持在较 高 的水 平 回 归分 析 得 △ ， △ ‘ △尸 ‘ △尸 ‘ ‘ 咬、 一 实验 结 果 及 分 析 铸 型抗压 强度 实验结 果 如 图 所示 由 图 可 见 ， 铸 型 的抗压应 力 一 压 应变 曲线 与低 碳 钢 的抗拉 曲线相 似 ， 存在屈 服现象 一般铸型试样 的抗压强度 定 义 为压碎 时 的压应 力 ， 而 此铸 型 试样不被压碎 ， 因此 ， 把屈 服 点定义 为此铸型抗 压强度 ， 其抗压强度 随铸 型 内外压 差 的增 大 明 显 加大 回归分析得 卜 ￡ △ 丙 ‘ ‘ 一 甘 脚 仓 式 中 几 为抗压 强度 妙 △尸 为铸型 内外 压差 沙 。 为铸型的压应变 铸 型抗剪强度测 试 结果 如 图 所 示 测 得 试样 内有砂和 无砂 种情况 下 的抗 剪强 度 ， 两 者之差 为铸型 的真实抗剪强度 ， 其抗剪强度 随 铸型 内外压 差 的增 大 明显 加 大 回 归分析得 炳 · △ 式中 场 为抗剪强度 妞 式中 ， 为铸 型硬度 在 实际 铸造 中 ， 由于 薄 膜 不 可 能与砂 箱紧 密相 贴和 在浇注 过程薄膜烧 损 ， 使铸 型漏 气 ， 造 成 铸型 内外压 差 降低 ， 这 时 法 铸 型很 难 保 证 各 处 都 有较 高 的硬 度和 强 度 ， 从而 难保 证 铸 件 的尺 寸精度 而 一 法铸 型 可 从 根 本上 解 决 这 一 问题 高温 下 薄 膜 在 一 般 铸 型 表 面 上 迅速燃 烧 ， 而 在铸 型 的外 压 力 高于 内压 力 时 ， 铸 型 表面 的 薄膜遇 热 软化 渗入 到 表面砂 粒 之 间 ， 就像煤 油 灯丝 缩到灯 丝 孔 中无 法 点燃 一 样 烘 烤 一 段 时 间后 ， 铸型表面形成 个 区域 正 常 区 、 软化 区 、 碳化 区 和 烧 失区 在烘 烤过程 中 ， 薄膜逐渐烧 失 ， 铸 型逐渐漏 气 ， 型 内的压 力逐渐 升 高 ， 薄 膜 烧 失和 砂 型 内压 力变化如 图 所 示 浇注 时 型 腔压 力 如 图 所 示 型 腔 压 力对 浇注 中防 止 金 属 液 飞 溅有 利 ， 对 充 型 流动 长 度 越山心 罐蜘 ︸立宕 两者之差 ￡ 图 铸型抗压 强度 曲线 图 中数字为压差 护， 厂一一一一一一一一一一一一一一 卜 己 卜 产 洲尹 七 护 洲产 尸 卜 尸 尤妙 一日 〔 二 一 习 一工 △尸 沙 图 铸型抗剪强度测试结果 △尸 图 铸型抗拉强度 引创。 ︶、︸ 芝 工 一 今一一 卜 刁 沙一，一，一嘴 ， ， 矛 △尸 图 硬度 测试结果

·236· 北京科技大学学报 1999年第3期 开始浇铸123浇铸结束 10 1000 5.0 ed 800 4.0 h 0 600 P 3.0 小44444 24680121416 400 2.0 -10F 200 1.0 t/s 图11浇注过程中型腔内压力的变化，×10kPa 0 0 (1铸型0.2，环境4.0：2铸型0.2，环境1.0：3铸型 0 100 200 300 400 t/s 0.2,环境4.0：4铸型0.2，环境4.0，单位为×10kPa, 图10薄膜烧失和砂型内压力变化 通气孔面积2.0cm) 不利，按图11曲线3那样控制型腔压力变化既 可防止金属液飞溅，又有利于充型流动长度，如 3结论 表1所示.用PV法工艺铸造出完好的、尺寸为 220mm×200mm×1.7mm的超薄壁铸铁件. PV法铸型的强度和硬度远高于一般铸型， 表1充型能力试验结果 适合于生产尺寸精度高的铸件.只要有合适工 艺设计，既可防止金属液飞溅，又有利于充型流 序号 实验条件 螺旋试样流动长度/mm 1 动.因此PV法铸造将成为生产薄壁、尺寸精度 PV法铸型 580 2PV法铸型(1cm抽气孔) 740 高铸件的一种可行的工艺方法 3P-V法铸型(2cm抽气孔) 930 参考文献 4P-V法铸型(3cm抽气孔) 1135 1郭太明.压力下真空密封造型法铸型特性的研究：[学 5P-V法铸型(4cm2抽气孔) 1350 位论文].北京：北京科技大学，1997 2李晨曦.真空密封铸型强度测试方法.特种铸造及有 色合金，1997(5)：25 Under Pressure Vacuum Sealed Molding Casting Process Wu Chunjing,Li Chenxi,Guo Taiming,Guo Hongzhi,Hu Hanqi Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT On the basis of vacuum sealed molding process(V process),the vacuum sealed molding cas- ting process(P-V process)under pressure is introduced.The molding compressive strength,shearing strength tensile strength,toasting and metal liquid flowing are comprehensively analyzed. KEY WORDS pressure;vacuum sealed molding;casting

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 开始浇铸 浇铸结束 越氏。仁 。 ‘ 。 ‘ ， “ 、 ‘ 二全 · …“ “ 二 九 。 窦 叭 一 巴一一一一一一川 。 ’ 图 薄膜烧失和砂型 内压 力变化 不 利 ， 按 图 曲线 那 样控 制 型 腔压 力变化 既 可 防 止金 属 液 飞 溅 ， 又 有利于 充 型 流动长度 ， 如 表 所 示 用 一 法 工 艺 铸造 出完 好 的 、 尺 寸为 的超 薄 壁铸 铁件 表 充型 能 力试验结果 图 浇注过程 中型腔 内压 力的变化 ， ， 铸型 坏境 铸型 环境 铸型 杯境 铸型 环境 ， 单位为 护 ， 通气孔面积 勺 奋州护 户产 ，工︶了 ︸ ︶ 油﹂ 尸灿 序号 实验条件 一 法铸型 螺旋试样流动长度 一 法铸型 ， 抽气孔 一 法铸型 ， 抽气孔 一 法铸型 ， 抽气孔 一 法铸型 ， 抽气孔 结论 一法铸型 的强度和硬度远高于 一般铸型 ， 适合于 生 产尺 寸精度高的铸件 只 要有合适工 艺设计 ， 既可 防止金属 液飞溅 ， 又有利于充型 流 动 因此 一 法铸造 将成 为生 产 薄壁 、 尺 寸精度 高铸件 的一 种可 行 的工 艺方法 参 考 文 献 郭太 明 压力下真空密封造型法铸型特性的研究 学 位 论 文 北京 北 京科技大 学 ， 李晨 曦 真 空 密封 铸型 强度测 试方 法 特种铸造 及 有 色合金 ， 肠 ， ， ， 岁’， 妇月 ， ， ， 少 ， 山 一 ， ， ，