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熔模铸造用冷铁技术开发与工业化应用

发表时间：2021/5/6 来源：《中国科技信息》2021年6月作者：李俭英

[导读] 随着制造业的飞速发展，我国的熔模铸造技术也逐渐丰富和成熟。熔模铸造用冷铁主要应用于热节、不易补缩部位，以消除缩孔，改善铸件内部冶金质量，同时减少浇冒口数量、减少工艺补贴、提升工艺出品率。

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摘要：随着制造业的飞速发展，我国的熔模铸造技术也逐渐丰富和成熟。熔模铸造用冷铁主要应用于热节、不易补缩部位，以消除缩孔，改善铸件内部冶金质量，同时减少浇冒口数量、减少工艺补贴、提升工艺出品率。传统的熔模铸造往往要经过熔模制备与组合、型壳制备、熔炼与浇注和后处理等工序，冷铁与型壳的组合由于受定位、材料收缩率、冷铁高温氧化等因素限制很难应用于熔模铸造工艺中，尤其是大批量的铸造生产中。复合金属涂层冷铁在焙烧和浇注过程中发气现象和耐高温氧化能力最强，实物浇注不发气，效益显著，适用于熔模铸造工艺，并可以实现工业化应用。
关键词：熔模铸造；冷铁；工业化应用
        引言
        熔模铸造又称"失蜡铸造"，广泛采用蜡质材料制成模样，在模样表面包覆若干层耐火材料制成型壳，再将模样熔化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后即可填砂浇注的铸造方方法，具有尺寸精度高、适用合金广、批量灵活等优点。随着航空航天事业的告诉发展，熔模铸件结构越来越复杂，壁厚突变和孤立热节造成熔模铸造浇注系统设计越来越困难，如果冷铁能在熔模铸造中进行广泛应用，将大大改善熔模铸件的冶金质量，提升工艺出品率。
        1.冷铁的应用
        冷铁在熔模铸造过程中应用方式主要有两种，一种是将冷铁直接粘附在相应熔模表面，在冷铁上制作定位端，防止型壳制备后冷铁在型壳中脱落，然后将模组与冷铁一同进行型壳制备、焙烧、浇注，这种方式可操作性强，应用的较广泛。另一种是在型壳焙烧后插入冷铁。以一汽精密铸造厂为代表[1]，嵊州市靖信铸件有限公司及福建腾达精铸有限公司也有类似应用及实践[2-3]，主要过程是在蜡模上制作冷铁芯头模型，制壳后在芯头端面钻孔，焙烧后型壳冷却至常温，将冷铁从芯头位置插入型壳，或者直接在型壳上钻孔再插入冷铁芯头用耐火泥封住，预热至300℃后浇注。此方式避免了冷铁高温焙烧氧化而产生气孔的缺陷，冷壳浇注冷铁的激冷效果好，但是需要焙烧后在型壳上钻孔下冷铁，过程复杂，流程长，型壳破损率高，只能进行小批量应用，无法实现批量生产。
        2冷铁材料的选择
        （1）普通碳钢冷铁。常用的普通碳钢冷铁材料为Q235，铁在500℃以上便与空气反应生产Fe3O4，按熔模铸造工艺，普通碳钢冷铁会在型壳焙烧过程中氧化严重，而且会与钢液反应生成大量气体，所以普通碳钢冷铁很少用在黑色金属熔模铸造工艺中。
        （2）石墨冷铁。石墨冷铁具有密度小，导热能力强，蓄热能力强等特点，在砂型铸造中应用的较广发，但在熔模铸造工艺中应用的相当少，因为石墨冷铁在高温焙烧和浇注过程中容易出现烧损，浇注后石墨冷铁周围容易产生较大气孔。
        （3）不锈钢作冷铁。例如：1Cr25Ni20、Cr17等，具有耐高温氧化性能，发气量小等优点，但是由于不锈钢冷铁硬度高，机械加工困难，材料成本高，行业内应用较少。
        （4）复合涂层冷铁。南车株洲电力机车有限公司2011年研发了一种熔模铸造冷铁技术，即在普通冷铁表面涂覆一层水基耐热涂料，采用浸涂的方法，涂层数为1～2层，涂层厚度为0.3～0.8mm，涂料干燥后下入蜡模中进行制壳及后续操作，此技术将钢液与冷铁隔离开，防止冷铁与钢液直接接触而产生气孔。所以浇注过程中该冷铁不与钢液反应，本体未被氧化且不与钢液接触，浇注后铸件无气孔，适用于熔模铸造。
        适应工业化生产的熔模铸造冷铁必须具备以下条件：冷铁生产过程简单，冷铁质量稳定，冷铁与型壳装配简单，最好在蜡模制作过程中将冷铁与蜡模装配，随后冷铁与蜡模模组一起制壳、焙烧、浇注，可操作性强；耐酸腐蚀（脱蜡过程），耐高温焙烧，脱蜡焙烧过程中不产生发气物质（主要是铁的氧化物），浇注过程中不产生气体，铸件冷却后无气孔产生；冷铁硬度低，与铸件材质硬度差异小，易切削加工；冷铁制造、应用成本低，激冷效果好，能有效消除缩孔，收益性高。
        3冷铁应用实例
        冷铁主要起到激冷金属液的目的，减少了局部厚大部位的热节，使金属液在凝固过程中实现顺序凝固，从而消除铸件疏松缺陷。基于熔模铸造冷铁在极端件工艺改善中应用广泛，效果显著。
        如图3-1所示，产品重1.5 kg的铸钢件，结构中存在“U”型筋连接4个圆柱凸台，其中底部2凸台为螺纹孔，凸台为光孔。铸件结构虽简单，但是工艺难度很大，主要是因为“U”型筋壁厚较小，所连接的4个凸台形成孤立热节，若要消除缩孔，必须增加工艺补贴。对于这种小件，又不可能用4个内浇道补缩，这样的产品就需要用熔模铸造冷铁。用冷铁后工艺方案变得很简单：两螺纹孔凸台采用2内浇道补缩，2光孔凸台采用冷铁消除缩孔，这样工艺增重为零，出品率＞70%，铸件组型方案简单，X光检测无缩孔缺陷，铸件工艺出品率高，冶金质量较高。

图3-1 冷铁工艺方案

结语
熔模铸造中冷铁的应用可以改善局部厚大热节，实现对局部厚大位置的激冷作用，改善铸件的冶金质量，提高铸件的工艺出品率。复合涂层耐高温冷铁在熔模铸造领域已经实现了工业化应用，该种冷铁具有耐腐蚀、抗高温氧化、不发气、激冷效果好、易切削和低成本的优点。其作用可概括为：简化浇注系统，降低精铸件的工艺设计难度；减小工艺补贴增重，提高工艺出品率，降低型壳重量，减少制壳辅料消耗量。
参考文献
[1]王荣，田巍然，吴宇微.内冷铁在熔模铸造上的应用[J].特种铸造及有色合金，1991（5）：43-47.
[2]李永谊.内冷铁在熔模精密铸造中的运用[J].铸造技术，2011（01）：130-131.
[3]邓元华.冷铁在熔模精密铸造中的应用[J].特种铸造及有色合金，2013（5）：439-440.
[4]郭建祥，鲁蔚，姚春臣.冷铁工艺在熔模精密铸造中的应用研究[J].金属加工，2011（11）：71-74.
[5]洪慎章.实用冷挤压模设计与制造[M].北京：机械工业出版社，2010：1-15.