高壓開(kāi)關(guān)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(kāi)一種高壓開(kāi)關(guān)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(gè)半模的分型面?zhèn)仍O(shè)置定位裝置，砂型模具本體的外側(cè)設(shè)有底板、擋板和固定板，對(duì)應(yīng)砂型模具本體的澆注口側(cè)的固定板設(shè)有合金液通過(guò)口，通過(guò)口側(cè)固定設(shè)置有貯料斗，底板上設(shè)有第一支腳和鉸鏈，擋板上設(shè)有第二支腳。該方法工藝成本低，鑄件成品率高，細(xì)化鋁硅合金的微觀組織，可得到組織致密、機(jī)械性能較高的鑄件。專用砂型模具，定位精度高，實(shí)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(shuō)明】高壓開(kāi)關(guān)用鋁硅合金鑄件傾轉(zhuǎn)澆注方法及專用砂型模具
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于合金鑄造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高壓開(kāi)關(guān)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(shù)】
[0002]鑄造鋁合金的密度小、比強(qiáng)度高，在承受同樣載荷條件下采用鋁合金制件，可以減輕結(jié)構(gòu)的重量，因而鋁合金制件的應(yīng)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(gè)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(dá)，結(jié)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(duì)于重量較大的鑄件(如高壓開(kāi)關(guān)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(shí)際生產(chǎn)中，用戶陸續(xù)對(duì)鋁硅合金產(chǎn)品的開(kāi)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(jià)格，而且還對(duì)鑄件的性能提出了更高的要求。如河南平高東芝高壓開(kāi)關(guān)有限公司要求ZLlOlA砂型鑄件的抗拉強(qiáng)度≥310MPa、伸長(zhǎng)率≥5%，而GB/T 1173 一 1995中規(guī)定的指標(biāo)僅為:≥275MPa、≥2%。針對(duì)以上高壓開(kāi)關(guān)用鋁硅合金鑄件品種多、批量小、質(zhì)量要求高且高壓開(kāi)關(guān)用鋁硅合金鑄件較大，部分鑄件的重量達(dá)30Kg以上的特點(diǎn)，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(zhǎng)，一般需3~5個(gè)月的時(shí)間，而且模具的制造費(fèi)用高，每套模具的價(jià)格在6~12萬(wàn)元之間不等。高壓開(kāi)關(guān)用鋁硅合金鑄件的機(jī)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(shù)存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高壓開(kāi)關(guān)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(shí)現(xiàn)合金液流在模具型腔中的層流充填，細(xì)化鋁硅合金的微觀組織，可得到組織致密、機(jī)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(shí)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(fèi)用。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:該高壓開(kāi)關(guān)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(shù)脂作為粘結(jié)劑制作的自硬砂型鑄造模具，在配制型砂時(shí)，CP5000系列鑄造用樹(shù)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(shí)，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(shù)脂砂型鑄造模具由兩半構(gòu)成，在分型面處設(shè)有至少兩個(gè)定位裝置，所述定位裝置包括一側(cè)半模分型面上設(shè)有導(dǎo)柱，另一側(cè)半模分型面上對(duì)應(yīng)設(shè)有導(dǎo)套，由導(dǎo)柱和導(dǎo)套的配合對(duì)模具進(jìn)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(shè)置冷鐵，冷鐵的設(shè)置位置根據(jù)鑄件的具體結(jié)構(gòu)而定；在澆注口設(shè)置過(guò)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(duì)于高壓開(kāi)關(guān)用鋁硅合金鑄件的樹(shù)脂砂型模具采用涂刷工藝或預(yù)熱工藝進(jìn)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(jìn)行點(diǎn)燃干燥處理；其預(yù)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(shí)間據(jù)砂型模具的型腔大小而定，最低應(yīng)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(chǎng)一次熔煉技術(shù)，使用石墨坩堝進(jìn)行熔煉，杜絕坩堝增鐵因素，采用不攪拌的熔煉、精煉技術(shù)，按質(zhì)量百分比加入1.2?2.8%的“交大一號(hào)”多功能熔劑，加入前，在120°C?150°C先對(duì)熔劑進(jìn)行I?2小時(shí)的預(yù)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(jìn)入半熔融狀態(tài)時(shí)，再均勻撒入其余的70%;當(dāng)合金液加熱到預(yù)定的澆注溫度時(shí)，靜置20?30分鐘，扒渣后即可使用，整個(gè)熔煉過(guò)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(dāng)鋁硅合金液的澆注時(shí)間超過(guò)2.5小時(shí)，必須進(jìn)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(kāi)關(guān)用鋁硅合金鑄件采用自硬砂型模具傾轉(zhuǎn)澆注時(shí):二次變質(zhì)溫度730?740°C ；自硬砂型模具的型腔表面預(yù)熱溫度150?200°C ;澆注溫度:710?720°C ；傾轉(zhuǎn)澆注的充型時(shí)間15?40秒；
(7)熱處理=ZLlOlA高壓開(kāi)關(guān)用鋁硅合金鑄件的淬火是在井式爐內(nèi)進(jìn)行的，時(shí)效處理是在箱式爐內(nèi)進(jìn)行，在535°C保溫8小時(shí)，出爐后在25秒內(nèi)進(jìn)入25?80°C的水中淬火3分鐘，然后在175°C保溫8小時(shí)，出爐空冷至室溫。
[0007]該高壓開(kāi)關(guān)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(gè)半模構(gòu)成，在兩個(gè)半模的分型面?zhèn)确謩e設(shè)置有相互配合的起合模定位作用的導(dǎo)柱和導(dǎo)套，所述導(dǎo)柱和導(dǎo)套至少為兩套；所述砂型模具本體的外側(cè)設(shè)有底板、擋板和固定板，對(duì)應(yīng)砂型模具本體的澆注口側(cè)的固定板設(shè)有合金液通過(guò)口，通過(guò)口側(cè)固定設(shè)置有貯料斗，底板上設(shè)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(shè)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(shè)置有過(guò)濾網(wǎng)。
[0008]采用上述技術(shù)方案的有益效果:本發(fā)明澆注方法中，選用美國(guó)Ashland化學(xué)公司技術(shù)生產(chǎn)的CP5000系列鑄造用樹(shù)脂作為型砂粘結(jié)劑。CP5000系列鑄造用樹(shù)脂是鋁、鎂等有色金屬砂型鑄造專用的在室溫下固化的樹(shù)脂，有兩種組分組成，兩組分之間獨(dú)特的化學(xué)反應(yīng)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(shù)脂所無(wú)法比擬的。使用該技術(shù)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(shí)即可用于澆注生產(chǎn)，整個(gè)固化過(guò)程不需加熱。再加上CP5000系列鑄造用樹(shù)脂本身幾乎無(wú)刺激性氣味，因而使勞動(dòng)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(chǎng)進(jìn)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(jiǎn)單，但是成本較高。本發(fā)明是采用在鑄造生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的一次熔煉工藝，即在鑄造生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)直接使用純鋁錠加入需要的成分元素進(jìn)行熔煉，經(jīng)過(guò)精煉、變質(zhì)處理后直接進(jìn)行澆注的熔煉工藝，其實(shí)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(shí)，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(shí)效處理后，則可以得到較高的抗拉強(qiáng)度和屈服極限，同時(shí)保持一定的塑性。根據(jù)高壓開(kāi)關(guān)用鋁硅合金鑄件高強(qiáng)度(?≥310MPa)、高伸長(zhǎng)率OJ5≥5%)的具體要求，在實(shí)際的合金熔煉過(guò)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(shù)，由于傾轉(zhuǎn)澆注時(shí)合金液流平穩(wěn)、對(duì)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(shí)現(xiàn)合金液流在模具型腔中的層流充填，實(shí)現(xiàn)順序排氣，因而可得到組織致密、機(jī)械性能較高的鑄件。澆注時(shí)，在澆注系統(tǒng)中設(shè)置過(guò)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(jié)晶時(shí)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(jié)晶過(guò)冷度增大，自發(fā)形核的數(shù)目增多，從而細(xì)化了鋁硅合金的微觀組織，加速了鋁硅合金的凝固過(guò)程，提高了鋁硅合金鑄件的機(jī)械性能。鑄件的熱處理，充分提高鑄件的機(jī)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(yīng)力；消除偏析和針狀組織。按照常規(guī)思路，鑄造生產(chǎn)時(shí)砂型模具的合模定位是靠砂箱上的定位裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但這對(duì)于品種多、批量小、鑄件體積差別大的高壓開(kāi)關(guān)用鋁硅合金鑄件來(lái)講顯然是不合適的。由于自硬樹(shù)脂砂的強(qiáng)度較高，在自硬樹(shù)脂砂型鑄造模具中使用了導(dǎo)柱、導(dǎo)套定位裝置，這樣不但解決了自硬樹(shù)脂砂型鑄造模具兩半模的精確定位問(wèn)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(shí)所使用的砂箱，大大節(jié)約了制作樹(shù)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(fèi)用。
[0011]利用Na原子的選擇性吸附特性，使硅晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)上去的速度，使孿晶凹谷生長(zhǎng)機(jī)制受到抑制。當(dāng)這種機(jī)制被有效地抑制時(shí)，硅晶體的生長(zhǎng)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(shí)，孿晶凹谷生長(zhǎng)機(jī)制的被抑制，也促進(jìn)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(jī)械性能。
[0012]在本項(xiàng)目的研究過(guò)程中，每個(gè)工藝步驟都在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證。并進(jìn)行了一個(gè)月的批量試生產(chǎn)，用自硬樹(shù)脂砂型模具的傾轉(zhuǎn)澆注新工藝生產(chǎn)了 50噸高壓開(kāi)關(guān)用鋁硅合金鑄件。機(jī)加后產(chǎn)品的性能檢測(cè)表明，鑄件的組織致密，成品率在90%以上，各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到或超過(guò)了技術(shù)攻關(guān)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)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(jī)械性能如下表所示。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓開(kāi)關(guān)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(shù)脂作為粘結(jié)劑制作的自硬砂型鑄造模具，在配制型砂時(shí)，CP5000系列鑄造用樹(shù)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(shí)，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(shù)脂砂型鑄造模具由兩半構(gòu)成，在分型面處設(shè)有至少兩個(gè)定位裝置，所述定位裝置包括一側(cè)半模分型面上設(shè)有導(dǎo)柱，另一側(cè)半模分型面上對(duì)應(yīng)設(shè)有導(dǎo)套，由導(dǎo)柱和導(dǎo)套的配合對(duì)模具進(jìn)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(shè)置冷鐵，冷鐵的設(shè)置位置根據(jù)鑄件的具體結(jié)構(gòu)而定；在澆注口設(shè)置過(guò)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(duì)于高壓開(kāi)關(guān)用鋁硅合金鑄件的樹(shù)脂砂型模具采用涂刷工藝或預(yù)熱工藝進(jìn)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(jìn)行點(diǎn)燃干燥處理；其預(yù)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(shí)間據(jù)砂型模具的型腔大小而定，最低應(yīng)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(chǎng)一次熔煉技術(shù)，使用石墨坩堝進(jìn)行熔煉，杜絕坩堝增鐵因素，采用不攪拌的熔煉、精煉技術(shù)，按質(zhì)量百分比加入1.2~2.8%的“交大一號(hào)”多功能熔劑，加入前，在120°C~150°C先對(duì)熔劑進(jìn)行I~2小時(shí)的預(yù)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(jìn)入半熔融狀態(tài)時(shí)，再均勻撒入其余的70 % ；當(dāng)合金液加熱到預(yù)定的澆注溫度時(shí)，靜置20~30分鐘，扒渣后即可使用，整個(gè)熔煉過(guò)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(dāng)鋁硅合金液的澆注時(shí)間超過(guò)2.5小時(shí)，必須進(jìn)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(kāi)關(guān)用鋁硅合金鑄件采用自硬砂型模具傾轉(zhuǎn)澆注時(shí):二次變質(zhì)溫度730~740°C ；自硬砂型模具的型腔表面預(yù)熱溫度150~200°C ;澆注溫度:710~720°C ；傾轉(zhuǎn)澆注的充型時(shí)間15~40秒； (7)熱處理=ZLlOlA高壓開(kāi)關(guān)用鋁硅合金鑄件的淬火是在井式爐內(nèi)進(jìn)行的，時(shí)效處理是在箱式爐內(nèi)進(jìn)行，在535 °C保溫8小時(shí)，出爐后在25秒內(nèi)進(jìn)入25~80 °C的水中淬火3分鐘，然后在175°C保溫8小時(shí)，出爐空冷至室溫。
2.一種高壓開(kāi)關(guān)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(gè)半模構(gòu)成，在兩個(gè)半模的分型面?zhèn)确謩e設(shè)置有相互配合的起合模定位作用的導(dǎo)柱和導(dǎo)套，所述導(dǎo)柱和導(dǎo)套至少為兩套；所述砂型模具本體的外側(cè)設(shè)有底板、擋板和固定板，對(duì)應(yīng)砂型模具本體的澆注口側(cè)的固定板設(shè)有合金液通過(guò)口，通過(guò)口側(cè)固定設(shè)置有貯料斗，底板上設(shè)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(shè)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(shè)置有過(guò)濾網(wǎng)。
【文檔編號(hào)】B22C9/22GK104014741SQ201410183744
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)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(shū) 申請(qǐng)人:南陽(yáng)理工學(xué)院, 張洪峰