高壓開關用鋁硅合金鑄件傾轉(zhuǎn)澆注方法及專用砂型模具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種高壓開關用鋁硅合金鑄件傾轉(zhuǎn)澆注方法及其專用砂型模具，傾轉(zhuǎn)澆注方法包括配制型砂、模型和芯盒制備、干燥處理、熔煉精煉處理、二次變質(zhì)處理、傾轉(zhuǎn)澆注、熱處理；專用砂型模具具有砂型模具本體，在兩個半模的分型面?zhèn)仍O置定位裝置，砂型模具本體的外側設有底板、擋板和固定板，對應砂型模具本體的澆注口側的固定板設有合金液通過口，通過口側固定設置有貯料斗，底板上設有第一支腳和鉸鏈，擋板上設有第二支腳。該方法工藝成本低，鑄件成品率高，細化鋁硅合金的微觀組織，可得到組織致密、機械性能較高的鑄件。專用砂型模具，定位精度高，實現(xiàn)了砂型模具的傾轉(zhuǎn)澆注工藝，有效保障砂型鑄件質(zhì)量的提高。
【專利說明】高壓開關用鋁硅合金鑄件傾轉(zhuǎn)澆注方法及專用砂型模具
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于合金鑄造【技術領域】，具體涉及一種高壓開關用鋁硅合金鑄件傾轉(zhuǎn)澆注方法及專用砂型模具。
【背景技術】
[0002]鑄造鋁合金的密度小、比強度高，在承受同樣載荷條件下采用鋁合金制件，可以減輕結構的重量，因而鋁合金制件的應用很廣泛。鋁合金按照加工方法的不同而分為兩大類，即鑄造鋁合金和壓力加工鋁合金。在鑄造鋁合金中又以主要加入的合金元素的不同而分為四個系列，即鑄造鋁硅合金、鑄造鋁銅合金、鑄造鋁鎂合金、鑄造鋁鋅合金。鋁硅合金的枝晶不發(fā)達，結晶溫度間隔是幾類鑄造鋁合金中最小的，因而其鑄造性能也是最好的。
[0003]鋁硅合金的鑄造工藝方法很多，有高壓鑄造、低壓鑄造、砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造、殼型鑄造等。目前，對于重量較大的鑄件(如高壓開關用重量在20kg以上的鋁硅合金鑄件)，生產(chǎn)中最常用的工藝是砂型鑄造和金屬型鑄造。在實際生產(chǎn)中，用戶陸續(xù)對鋁硅合金產(chǎn)品的開發(fā)提出了新的要求，不但要求縮短新產(chǎn)品的試制周期、降低產(chǎn)品的價格，而且還對鑄件的性能提出了更高的要求。如河南平高東芝高壓開關有限公司要求ZLlOlA砂型鑄件的抗拉強度≥310MPa、伸長率≥5%，而GB/T 1173 一 1995中規(guī)定的指標僅為:≥275MPa、≥2%。針對以上高壓開關用鋁硅合金鑄件品種多、批量小、質(zhì)量要求高且高壓開關用鋁硅合金鑄件較大，部分鑄件的重量達30Kg以上的特點，在生產(chǎn)中經(jīng)常使用的是金屬型鑄造工藝。但金屬型鑄造用模具的制作周期長，一般需3~5個月的時間，而且模具的制造費用高，每套模具的價格在6~12萬元之間不等。高壓開關用鋁硅合金鑄件的機械性能要求較高，用常規(guī)的砂型模具澆注工藝很難滿足鑄件的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為解決現(xiàn)有技術存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高壓開關用鋁硅合金鑄件傾轉(zhuǎn)澆注方法，該方法工藝成本低，模具定位精度高，鑄件成品率高，能實現(xiàn)合金液流在模具型腔中的層流充填，細化鋁硅合金的微觀組織，可得到組織致密、機械性能較高的鑄件。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供一種在上述方法中使用的專用砂型模具，定位精度高，實現(xiàn)了砂型模具的傾轉(zhuǎn)澆注工藝，有效保障砂型鑄件質(zhì)量的提高，替代了常規(guī)的金屬型鑄造模具，縮短了鑄造用模具的制作周期，還節(jié)省了大量的模具制作費用。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:該高壓開關用鋁硅合金鑄件傾轉(zhuǎn)澆注方法，其特征在于按下述步驟制備:
(1)配制型砂:采用CP5000系列鑄造用樹脂作為粘結劑制作的自硬砂型鑄造模具，在配制型砂時，CP5000系列鑄造用樹脂的使用量占型砂質(zhì)量的0.7~1.2% ;
(2)模型和芯盒制備:模型和芯盒由鋁合金金屬材料制備，或由硅膠、硬質(zhì)的木材制備，在制作模型和芯盒時，采用數(shù)控加工、直接仿型或LOM快速成形工藝加工，以縮短其制造周期；自硬樹脂砂型鑄造模具由兩半構成，在分型面處設有至少兩個定位裝置，所述定位裝置包括一側半模分型面上設有導柱，另一側半模分型面上對應設有導套，由導柱和導套的配合對模具進行合模定位；鋁硅合金的冒口重量和鑄件的冒口重量之比在120%左右；在鑄件的局部熱節(jié)處設置冷鐵，冷鐵的設置位置根據(jù)鑄件的具體結構而定；在澆注口設置過濾網(wǎng)，可以有效減少招娃合金液中夾雜物的含量；
(3)干燥處理:對于高壓開關用鋁硅合金鑄件的樹脂砂型模具采用涂刷工藝或預熱工藝進行干燥處理；其中涂刷工藝為:在其型腔表面用CTD - 8型醇基涂料涂刷三次并進行點燃干燥處理；其預熱處理方法為:用液化氣噴槍均勻烘烤砂型模具的型腔表面，烘烤時間據(jù)砂型模具的型腔大小而定，最低應持續(xù)15分鐘；
(4)鋁硅合金熔煉精練處理:在鋁硅合金ZLlOlA(GB/T 1173 一 1995)中按質(zhì)量百分比加入0.35?0.80%的稀土合金，采用生產(chǎn)現(xiàn)場一次熔煉技術，使用石墨坩堝進行熔煉，杜絕坩堝增鐵因素，采用不攪拌的熔煉、精煉技術，按質(zhì)量百分比加入1.2?2.8%的“交大一號”多功能熔劑，加入前，在120°C?150°C先對熔劑進行I?2小時的預熱保溫；爐料加入前，向石墨坩堝底均勻撒入熔劑總量的30% ;待爐料進入半熔融狀態(tài)時，再均勻撒入其余的70%;當合金液加熱到預定的澆注溫度時，靜置20?30分鐘，扒渣后即可使用，整個熔煉過程不需攪拌，最大限度地降低了合金液中氧化夾雜物的含量；
(5)鋁硅合金液的二次變質(zhì)處理:當鋁硅合金液的澆注時間超過2.5小時，必須進行二次變質(zhì)處理。鋁硅合金液二次變質(zhì)使用0.5?1.0%的Na鹽；
(6)傾轉(zhuǎn)澆注:高壓開關用鋁硅合金鑄件采用自硬砂型模具傾轉(zhuǎn)澆注時:二次變質(zhì)溫度730?740°C ；自硬砂型模具的型腔表面預熱溫度150?200°C ;澆注溫度:710?720°C ；傾轉(zhuǎn)澆注的充型時間15?40秒；
(7)熱處理=ZLlOlA高壓開關用鋁硅合金鑄件的淬火是在井式爐內(nèi)進行的，時效處理是在箱式爐內(nèi)進行，在535°C保溫8小時，出爐后在25秒內(nèi)進入25?80°C的水中淬火3分鐘，然后在175°C保溫8小時，出爐空冷至室溫。
[0007]該高壓開關用鋁硅合金鑄件傾轉(zhuǎn)澆注專用砂型模具，具有由自硬砂制成的砂型模具本體，其特征在于:所述砂型模具本體由兩個半模構成，在兩個半模的分型面?zhèn)确謩e設置有相互配合的起合模定位作用的導柱和導套，所述導柱和導套至少為兩套；所述砂型模具本體的外側設有底板、擋板和固定板，對應砂型模具本體的澆注口側的固定板設有合金液通過口，通過口側固定設置有貯料斗，底板上設有用于支撐砂型模具本體水平狀態(tài)的第一支腳和鉸鏈，所述擋板上設有在支撐砂型模具本體翻轉(zhuǎn)后與所述鉸鏈配合支撐的第二支腳，在砂型模具本體的澆注口位置設置有過濾網(wǎng)。
[0008]采用上述技術方案的有益效果:本發(fā)明澆注方法中，選用美國Ashland化學公司技術生產(chǎn)的CP5000系列鑄造用樹脂作為型砂粘結劑。CP5000系列鑄造用樹脂是鋁、鎂等有色金屬砂型鑄造專用的在室溫下固化的樹脂，有兩種組分組成，兩組分之間獨特的化學反應性能使得砂型模具在澆注溫度較低的情況下也有很好的潰散性，這也是其它鑄造用樹脂所無法比擬的。使用該技術制作的砂型模具，在室溫下10?30分鐘內(nèi)可完全硬化，脫模后
I小時即可用于澆注生產(chǎn)，整個固化過程不需加熱。再加上CP5000系列鑄造用樹脂本身幾乎無刺激性氣味，因而使勞動環(huán)境也得到了很好地改善。
[0009]在常規(guī)的鋁硅合金鑄造生產(chǎn)中，在鑄造生產(chǎn)現(xiàn)場進行的鋁硅合金熔煉只是成分合格的鋁硅合金錠的二次熔化，雖然這種工藝比較成熟、簡單，但是成本較高。本發(fā)明是采用在鑄造生產(chǎn)現(xiàn)場的一次熔煉工藝，即在鑄造生產(chǎn)現(xiàn)場直接使用純鋁錠加入需要的成分元素進行熔煉，經(jīng)過精煉、變質(zhì)處理后直接進行澆注的熔煉工藝，其實質(zhì)就是取消合金錠生產(chǎn)廠家的熔煉配制工序，在降低燒損、節(jié)省能源的同時，降低合金熔煉的總體成本。
[0010]ZLlOlA中含有0.25~0.45%的鎂，含鎂量取上限值，采用淬火和完全時效處理后，則可以得到較高的抗拉強度和屈服極限，同時保持一定的塑性。根據(jù)高壓開關用鋁硅合金鑄件高強度(?≥310MPa)、高伸長率OJ5≥5%)的具體要求，在實際的合金熔煉過程中，鎂的含量采用允許范圍內(nèi)的較大值。采用傾轉(zhuǎn)澆注技術，由于傾轉(zhuǎn)澆注時合金液流平穩(wěn)、對模具型腔的沖刷力小，避免了合金液流在澆道中或型腔內(nèi)的紊流或飛濺，能實現(xiàn)合金液流在模具型腔中的層流充填，實現(xiàn)順序排氣，因而可得到組織致密、機械性能較高的鑄件。澆注時，在澆注系統(tǒng)中設置過濾網(wǎng)，可以有效地減少鋁硅合金液中夾雜物的含量。由于去除了一部分在結晶時可以做為晶核的夾雜物，可使鋁硅合金液相在更低的溫度下才能形核，因而使鋁硅合金的相和共晶相的結晶過冷度增大，自發(fā)形核的數(shù)目增多，從而細化了鋁硅合金的微觀組織，加速了鋁硅合金的凝固過程，提高了鋁硅合金鑄件的機械性能。鑄件的熱處理，充分提高鑄件的機械性能，改善鑄件的切削加工性能；穩(wěn)定鑄件的組織和尺寸；消除由于鑄件壁厚不均勻、快速冷卻等所造成的內(nèi)應力；消除偏析和針狀組織。按照常規(guī)思路，鑄造生產(chǎn)時砂型模具的合模定位是靠砂箱上的定位裝置來實現(xiàn)的，但這對于品種多、批量小、鑄件體積差別大的高壓開關用鋁硅合金鑄件來講顯然是不合適的。由于自硬樹脂砂的強度較高，在自硬樹脂砂型鑄造模具中使用了導柱、導套定位裝置，這樣不但解決了自硬樹脂砂型鑄造模具兩半模的精確定位問題，而且由于不需要使用砂箱定位，可在砂型模具自硬后立即去掉制模時所使用的砂箱，大大節(jié)約了制作樹脂砂型模具所需的砂箱數(shù)量，不僅縮短了鑄造用模具的制作周期， 而且還節(jié)省了大量的模具制作費用。
[0011]利用Na原子的選擇性吸附特性，使硅晶體生長前端的孿晶凹谷處富集Na的原子，從而減低硅原子或硅原子四面體長上去的速度，使孿晶凹谷生長機制受到抑制。當這種機制被有效地抑制時，硅晶體的生長方向即改變?yōu)閇100]或[110]晶向，只有很少的一部分是沿著[211]晶向，這樣就使硅晶體由片狀變?yōu)閳@斷面的纖維狀；同時，孿晶凹谷生長機制的被抑制，也促進了硅晶體的分枝。這樣，用Na鹽二次變質(zhì)處理后，合金液中的共晶硅就由片狀變成高度分枝的、彎曲而具有園斷面的纖維狀，從而提高了鑄件的機械性能。
[0012]在本項目的研究過程中，每個工藝步驟都在生產(chǎn)現(xiàn)場進行了大量的試驗驗證。并進行了一個月的批量試生產(chǎn)，用自硬樹脂砂型模具的傾轉(zhuǎn)澆注新工藝生產(chǎn)了 50噸高壓開關用鋁硅合金鑄件。機加后產(chǎn)品的性能檢測表明，鑄件的組織致密，成品率在90%以上，各項性能指標都達到或超過了技術攻關設計任務書中規(guī)定的要求。
[0013]用鑄造新工藝生產(chǎn)的鑄件(材料ZL101A)的機械性能如下表所示。
【權利要求】
1.一種高壓開關用鋁硅合金鑄件傾轉(zhuǎn)澆注方法，其特征在于按下述步驟制備: (1)配制型砂:采用CP5000系列鑄造用樹脂作為粘結劑制作的自硬砂型鑄造模具，在配制型砂時，CP5000系列鑄造用樹脂的使用量占型砂質(zhì)量的0.7~1.2% ; (2)模型和芯盒制備:模型和芯盒由鋁合金金屬材料制備，或由硅膠、硬質(zhì)的木材制備，在制作模型和芯盒時，采用數(shù)控加工、直接仿型或LOM快速成形工藝加工，以縮短其制造周期；自硬樹脂砂型鑄造模具由兩半構成，在分型面處設有至少兩個定位裝置，所述定位裝置包括一側半模分型面上設有導柱，另一側半模分型面上對應設有導套，由導柱和導套的配合對模具進行合模定位；鋁硅合金的冒口重量和鑄件的冒口重量之比在120%左右；在鑄件的局部熱節(jié)處設置冷鐵，冷鐵的設置位置根據(jù)鑄件的具體結構而定；在澆注口設置過濾網(wǎng)，可以有效減少招娃合金液中夾雜物的含量； (3)干燥處理:對于高壓開關用鋁硅合金鑄件的樹脂砂型模具采用涂刷工藝或預熱工藝進行干燥處理；其中涂刷工藝為:在其型腔表面用CTD - 8型醇基涂料涂刷三次并進行點燃干燥處理；其預熱處理方法為:用液化氣噴槍均勻烘烤砂型模具的型腔表面，烘烤時間據(jù)砂型模具的型腔大小而定，最低應持續(xù)15分鐘； (4)鋁硅合金熔煉精煉處理:在鋁硅合金ZLlOlA(GB/T 1173 一 1995)中按質(zhì)量百分比加入0.35~0.80%的稀土合金，采用生產(chǎn)現(xiàn)場一次熔煉技術，使用石墨坩堝進行熔煉，杜絕坩堝增鐵因素，采用不攪拌的熔煉、精煉技術，按質(zhì)量百分比加入1.2~2.8%的“交大一號”多功能熔劑，加入前，在120°C~150°C先對熔劑進行I~2小時的預熱保溫；爐料加入前，向石墨坩堝底均勻撒入熔劑總量的30% ;待爐料進入半熔融狀態(tài)時，再均勻撒入其余的70 % ；當合金液加熱到預定的澆注溫度時，靜置20~30分鐘，扒渣后即可使用，整個熔煉過程不需攪拌，最大限度地降低了合金液中氧化夾雜物的含量； (5)鋁硅合金液的二次變質(zhì)處理:當鋁硅合金液的澆注時間超過2.5小時，必須進行二次變質(zhì)處理； 鋁硅合金液二次變質(zhì)使用0.5~1.0%的Na鹽； (6)傾轉(zhuǎn)澆注:高壓開關用鋁硅合金鑄件采用自硬砂型模具傾轉(zhuǎn)澆注時:二次變質(zhì)溫度730~740°C ；自硬砂型模具的型腔表面預熱溫度150~200°C ;澆注溫度:710~720°C ；傾轉(zhuǎn)澆注的充型時間15~40秒； (7)熱處理=ZLlOlA高壓開關用鋁硅合金鑄件的淬火是在井式爐內(nèi)進行的，時效處理是在箱式爐內(nèi)進行，在535 °C保溫8小時，出爐后在25秒內(nèi)進入25~80 °C的水中淬火3分鐘，然后在175°C保溫8小時，出爐空冷至室溫。
2.一種高壓開關用鋁硅合金鑄件傾轉(zhuǎn)澆注專用砂型模具，具有由自硬砂制成的砂型模具本體，其特征在于:所述砂型模具本體由兩個半模構成，在兩個半模的分型面?zhèn)确謩e設置有相互配合的起合模定位作用的導柱和導套，所述導柱和導套至少為兩套；所述砂型模具本體的外側設有底板、擋板和固定板，對應砂型模具本體的澆注口側的固定板設有合金液通過口，通過口側固定設置有貯料斗，底板上設有用于支撐砂型模具本體水平狀態(tài)的第一支腳和鉸鏈，所述擋板上設有在支撐砂型模具本體翻轉(zhuǎn)后與所述鉸鏈配合支撐的第二支腳，在砂型模具本體的澆注口位置設置有過濾網(wǎng)。
【文檔編號】B22C9/22GK104014741SQ201410183744
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月4日 優(yōu)先權日:2014年5月4日
【發(fā)明者】張洪峰, 姜萌, 林紅旗, 徐通生, 劉建書 申請人:南陽理工學院, 張洪峰