延性铁失去泡沫铸件 | 定制铸造铸造厂

1. 介绍

延性铁失去泡沫铸件 (di-lfc) 是一种创新的制造技术，结合了球墨铸铁的卓越机械性能和消失模图案的几何自由度.

在此过程中, 该组件的泡沫复制品——通常由发泡聚苯乙烯制成 (EPS) 或发泡聚丙烯 (EPP)- 被覆盖并埋在未粘合的沙子中.

当球墨铸铁熔化时 (1,400–1,450°C) 被倒, 泡沫蒸发, 允许金属填充型腔并复制复杂的形状，而无需型芯或分型线.

最初是在 20 世纪 50 年代为铝合金开发的, 消失模铸造随着泡沫模型技术的进步而发展, 耐火涂料, 和过程控制以适应球墨铸铁.

今天, 延性铁失去泡沫铸件 在汽车领域越来越受欢迎, 重型设备, 和能源领域——轻量化, 错综复杂, 耐用铸件的需求不断增长.

2. 什么是球墨铸铁消失模铸造?

延性铁 丢失的泡沫铸件 (di-lfc) 是一种近净成形制造技术，将消失模模​​型的设计自由度与球墨铸铁的卓越机械性能结合起来.

在球墨铸铁消失模铸造中, 牺牲泡沫复制品——通常由发泡聚苯乙烯制成 (EPS) 或发泡聚丙烯 (EPP)—涂有耐火浆料并嵌入无粘结砂中.

什么时候 熔融球墨铸铁 (约 1,400–1,450 °C) 被倒入模具, 泡沫立即蒸发, 让金属流入留下的精确空腔.

与传统砂型铸造的主要区别包括:

• 一次性“消失”模式: 不需要分型线或型芯; 泡沫模型在铸造过程中被消耗.
• 设计复杂性: 底切, 薄部分 (<2 毫米), 内部频道, 无需二次加工即可实现集成功能.
• 表面质量 & 公差: 实现 Ra 6–12 µm 的铸态表面光洁度和 ±0.5 左右的尺寸公差 %.

通过利用 延性铁—与镁或稀土元素合金化以球化石墨—该工艺提供:

• 增强流动性: 比灰铸铁更好的模具填充, 减少运行不良和冷关.
• 高延展性 (2–18 % 伸长): 吸收残余热应力并最大限度地减少裂纹.
• 机械鲁棒性: 拉伸强度为 400–700 MPa，冲击韧性为 40–60 J.

一起, 这些属性使球墨铸铁消失模铸造厂能够生产复杂的部件 20–30 % 降低模具和后处理成本 与传统砂型铸造相比, 同时满足汽车领域严格的性能要求, 重型设备, 和能源应用.

3. 球墨铸铁消失模铸造工艺

这 丢失的泡沫铸件 (LFC) 球墨铸铁工艺通过一系列精确控制的步骤将一次性泡沫模型转变为高完整性金属部件. 下面是对每个阶段的深入了解:

3.1 泡沫图案创建

• 材料: 发泡聚苯乙烯 (EPS) 密度为 16–32 kg/m3 或发泡聚丙烯 (EPP) 对于较大的，为 50–80 kg/m3, 可重复使用的模式.
• 模型制作: CNC 热线切割常见于 2D 型材; 附加方法 (泡沫3D打印) 实现原型运行的复杂几何形状和快速迭代.
• 维度的准确性: 大多数功能为 ±0.5 毫米; 关键表面可以在成型前进行机加工或涂层以达到更严格的公差.

3.2 涂层和模型组装

• 耐火涂料: 水基陶瓷浆料 (例如。, 胶体二氧化硅与细氧化铝) 以 200–400 µm 的层数涂覆到泡沫上.
• 烘干: 每层涂层均在 80–100 °C 下闪干，形成均匀的外壳，控制透气性 (目标Ks ≈ 1 × 10⁻⁹ 平方米) 并抵抗风沙侵蚀.
• 图案组件: 多个泡沫元件, 门控系统, 冒口被焊接或粘合成一个簇，以优化浇口并最大限度地减少浇注通道.

3.3 沙子嵌入和压实

• 砂规格: 无粘结硅砂 15–30 % 罚款, 平均晶粒尺寸 200–400 µm, 确保支撑性和渗透性的平衡.
• 嵌入: 将涂覆的图案簇放置在烧瓶中, 并倒入沙子, 轻轻振动 (<0.5 重力加速度) 达到 30-40 % 孔隙率.
• 渗透性: 高空隙率允许泡沫蒸气逸出而不会滞留气体, 对于无缺陷填充至关重要.

3.4 浇注熔融球墨铸铁

• 熔体参数: 球墨铸铁在感应炉或冲天炉中在 1,400–1,450 °C 的温度下熔化; 化学组成 (c: 3.4 %, 和: 2.5 %, 毫克: 0.04 %) 倾倒前已验证.
• 对于技术: 底部浇注浇注系统或多个内浇口确保层流 (0.5–1.0 米/秒) 并防止夹渣.
• 泡沫汽化: 接触, 泡沫模型在约 200 °C 时蒸发; 耐火涂层暂时含有气体, 让金属干净地填充型腔.

3.5 金属凝固

• 方向固化: 散热器 (发冷) 和冒口促进受控凝固, 减少收缩孔隙率.
• 冷却速率: 薄片中约 2–5 °C/s 产生混合铁素体-珠光体基体; 较厚部分的较慢速率有利于石墨球的形成.

3.6 摇晃, 打扫, 和训练

• 摇晃: 冷却 30–60 分钟后, 沙子被振动走, 揭示铸造毛坯.
• 打扫: 喷丸或化学清洗可去除残留涂层和泡沫炭.
• 润滑脂: 大门, 立管, 通过锯切或研磨去除毛边; 关键表面可进行精加工以达到 Ra 1.6 µm.

4. 冶金视角

充分了解冶金学对于充分发挥其潜力至关重要 延性铁失去泡沫铸件 (di-lfc).

合金成分和设计原理

球墨铸铁的性能对其化学成分高度敏感. 消失模铸造中使用的典型成分经过精心设计，可促进结节形成, 控制矩阵结构, 并避免铸造缺陷:

结核形成和基质控制

泡沫热解释放碳, 将铁的碳含量增加 0.05–0.1%. 这需要更严格的镁控制以确保 >90% 球形石墨 (vs. 85% 在沙子铸造中).

矩阵通常是 50/50 铁素体/珠光体, 平衡力量 (450–600 MPA) 和延性 (10–15% 伸长率).

消失模铸造过程中微观结构的演变

DI-LFC 的热凝固环境与砂型铸造显着不同:

• 汽化动力学: 泡沫在 ~600°C 时蒸发, 产生局部气压，稳定熔融金属前沿并减缓热量提取.
• 受控凝固: 泡沫模具充当绝缘体, 促进定向凝固并减少热点.
• 所得微观结构:

• • 细肤区: 近表面更细的结节和更多的铁素体
  • 核心区: 富含珠光体, 高强度区
  • 接口清洁度: 不与砂接触可减少表面夹杂物

冷却速率范围为 1–5 °C/s，具体取决于截面厚度和模具配置, 影响结节计数和基质.

机械性能

通过消失模铸造铸造的球墨铸铁展现出具有竞争力的机械性能:

5. 球墨铸铁消失模铸造的设计

设计组件用于 丢失的泡沫铸件 延性铁 需要一种战略方法，利用该流程的独特优势，同时解决其技术限制.

与传统砂型铸造不同, 这种方法消除了分型线, 内核, 和拔模角度, 为工程师提供非凡的几何自由度.

然而, 成功的应用需要仔细关注模式行为, 热动力学, 以及整个设计阶段的材料特性.

几何自由度: 实现复杂的功能设计

消失模铸造最具变革性的优势之一是它能够实现复杂的几何形状，而使用传统铸造或锻造技术这是不切实际甚至不可能的.

主要优势包括:

• 底切和内部空腔: 消失模铸造无需使用可拆卸型芯即可支撑高度复杂的内部结构.
  例如, 汽车应用中的差速器壳通常包括用于车轴的底切，仅具有 5 毫米间隙, 无需二次加工.
  底切设计高达 20% 的零件深度是可以实现的.
• 薄壁结构: 球墨铸铁优异的流动性允许铸造薄至 3 毫米.
  这对于需要轻量化的应用特别有利.
  在农业装备方面, 括号里有 3 毫米的非承重区域的墙截面，最多 15 与传统砂铸部件相比，高应力区域的重量减轻了 15-20%.
• 集成功能特性: 传统上通过焊接制造的组件（例如 5 件式液压歧管）可以合并为单个铸件.
  这种集成减少了 40-60% 的元件数量并消除了焊接接头, 负责最多 30% 某些压力应用中的故障事件.

模式整合和门控策略

消失模铸造中的泡沫图案不仅仅是一个占位符; 它定义了整个选角结果.

设计工程师必须将图案视为产品开发过程的一个组成部分.

• 泡沫图案均匀性: 泡沫密度的变化可能导致浇注过程中蒸发速率不一致.
  例如, 一个 30 集成多个子部件的工业阀体可能需要分级泡沫密度——更高的密度 (0.03 g/cm³) 在较厚的区域减缓汽化, 和较低的密度 (0.015 g/cm³) 在较薄的区域，以防止气体滞留.
• 集成浇注设计: 浇口内置于泡沫模型中，而不是添加到模具中, 与传统砂型铸造一样. 有效的浇注系统:

• • 以 5–15 厘米/秒的速度输送熔融金属，以最大限度地减少湍流.
  • 定位以避免直接流入薄壁区域, 减少局部过热和表面缺陷.
  • 可以对多个小部件采用“树”配置, 每个浇注系统有 3-5 个组件，可实现金属的平衡分布.

尺寸公差和收缩余量

与砂型铸造相比，球墨铸铁消失模铸造可提高尺寸精度, 但设计师必须考虑凝固收缩和泡沫行为.

• 尺寸能力:

• • 线性公差: 对于以下零件，±0.5 毫米 500 毫米; ±0.1 毫米每米的组件 6 米长.
  • 平坦: 通常在 ±0.3 mm/m 范围内——对于阀门或泵体等密封表面至关重要.
  • 孔定位: 精确度在±0.2毫米以内, 通常无需在液压应用中进行二次扩孔.

• 收缩补偿: 球墨铸铁在消失模铸造凝固过程中收缩 1.0–1.2%，由于冷却速度较快，略高于砂型铸造. 泡沫图案必须相应加大.
• 例如, 一个 100 mm 最终功能需要 101.2 毫米泡沫尺寸.
  具有铸造专用算法的现代 CAD 软件可以自动执行这些计算，并将尺寸偏差误差减少多达 70%.

表面光洁度和涂层效果

消失模铸造的表面光洁度由泡沫图案纹理和施加到其表面的耐火涂层决定.

• 泡沫图案质量:

• • 平滑的 EPS 图案 (RA 6.3 µm) 通常生产出表面光洁度约为 Ra 12.5–25 µm 的铸件.
  • 用于精密表面, 泡沫模型经过后加工以达到 Ra 3.2 µm, 使最终铸造表面达到 Ra 6.3–12.5 µm 范围.

• 耐火涂料的选择:

• • 二氧化硅基涂料 (0.5–1 毫米厚) 适用于一般结构应用, 达到 Ra 12.5–25 µm.
  • 氧化锆基涂层 (1–2 毫米厚, 粒径为 5–10 µm) 用于高密封应用，例如液压外壳, 表面光滑度至关重要且泄漏率必须低于 0.1 CC/min.

• 涂层渗透率: 最佳渗透率在 10-20 达西范围内. 涂层孔隙过多会导致粘砂或与气体相关的缺陷, 增加表面粗糙度高达 50%.

6. 球墨铸铁消失模铸造的制造注意事项

使用消失模铸造生产球墨铸铁部件 (LFC) 工艺要求对材料进行精确控制, 设备参数, 和工艺条件.

从泡沫模型生产到熔融金属浇注的每个阶段都直接影响铸造完整性, 尺寸精度, 和整体成本效率.

泡沫图案材料选择

发泡聚苯乙烯 (EPS) 是消失模模型的标准材料, 但某些应用可能会受益于发泡聚丙烯等替代泡沫 (EPP).

涂料配方及应用

球墨铸铁消失模铸造, 泡沫模型涂有耐火浆料，在模型和熔融金属之间形成保护屏障.

涂层通常由耐火材料组成 (例如。, 氧化铝或锆石), 粘合剂 (例如硅酸钠或酚醛树脂), 以及改善流动性和附着力的添加剂.

涂层通过浸涂或喷涂的方式涂覆，然后在 60–80°C 下干燥以达到均匀的厚度 (0.5–2毫米).

该层可防止沙子渗透, 调节泡沫汽化过程中的气体逸出, 并影响铸件的最终表面光洁度.

适当的渗透性 (12–18 达西) 和粘合强度 (>2 MPA) 对于防止孔隙或金属渗透等缺陷至关重要.

沙子嵌入和压实

在球墨铸铁消失模铸造中, 无粘结硅砂用于在浇注过程中包围和支撑泡沫模型.

嵌入过程包括将涂覆的泡沫模型放入烧瓶中并填充干燥的泡沫。, 细粒硅砂 (通常为 90–150 目) 确保均匀的支撑和渗透性.

通过受控振动实现压实 (50–60赫兹), 使沙子能够流动并紧密地堆积在图案周围, 堆积密度达到 65–70%.

真空辅助 (-0.05 到 -0.08 MPA) 通常在压实和浇注过程中使用，以稳定模具并增强气体排出.

适当的压实确保尺寸精度, 最大限度地减少图案失真, 并支持无缺陷铸造.

球墨铸铁的熔炉和浇注参数

用于消失模铸造的球墨铸铁通常在中频感应炉中熔化, 提供精确的温度控制和低气体吸收.

理想的浇注温度范围为 1,350°C 至 1,400°C, 高于传统砂型铸造，以确保泡沫模型完全汽化.

必须严格控制化学成分:

• 碳: 3.5–3.8% 以获得良好的流动性
• 硅: 2.0–2.8%促进球状石墨
• 镁: 0.04–0.06% 以确保球化率
• 硫: <0.03% 防止石墨变性

浇注应平稳, 的比率为 0.5–2 公斤/秒, 保持金属正面光滑 (5–15 厘米/秒) 以避免湍流, 错误, 和气体滞留.

7. 质量控制和缺陷缓解

• 常见缺陷: 孔隙率 (1–3 % 按体积), 包含, 错误, 脉纹
• 过程监控: 模具中的热电偶, 涂料粘度检查
• NDT: 超声波检测 (UT) 检测内部孔隙率≥1mm; 关键部位的射线照相
• 金理图 & 机械测试: 根据 ASTM A897 对于球墨铸铁: 拉伸, 硬度, 和夏比 V 型缺口试验

8. 延性铁损失泡沫铸造的优势

卓越的几何复杂性

• 无分型线或拔模角: 能够创建复杂的形状，例如底切, 内部空腔, 和晶格结构.
• 薄壁能力: 壁厚低至 3 毫米 是可以实现的, 与传统砂型铸造中的 6-8 毫米相比.

模式集成和装配减少

• 设计整合: 多个组件可以铸造成一个整体, 减少零件数量 30–60％.
• 减少焊接/组装: 消除连接操作, 在高压应用中通常容易出现故障.

过程重复性和自动化

• 坚固耐用，适合大批量生产: 通过适当的过程控制, 消失模铸造非常适合自动化生产环境 (例如。, 汽车).
• 沙子可重复使用性: 到 95% 的未粘合砂是可回收的, 最大限度地减少环境影响和原材料成本.

卓越的表面光洁度和公差

• 表面饰面: 达到 Ra 值 12.5–25微米, 优于潮模砂铸件 (Ra 50-100μm).
• 维度的准确性: 线性公差 ±0.5 mm 对于以下零件 500 mm 减少或消除机械加工.

材料效率和成本节约

• 减少物质浪费: 近净形铸造减少了多余的材料和加工余量.
• 降低模具和生产成本: 一次性泡沫模型无需昂贵的, 复杂的芯盒.

球墨铸铁的机械完整性

• 高强度和延展性: 拉伸力量 700 MPA 和伸长率高达 18%, 优于灰铸铁和某些钢材.
• 疲劳性抗性: 球墨铸铁中的石墨球可提高抗裂性和长期耐用性.

9. 延性铁损失泡沫铸造的应用

球墨铸铁消失模铸造广泛应用于多个行业，以生产高性能, 几何形状复杂的部件. 主要应用领域包括:

汽车行业

• 悬架控制臂
• 排气歧管
• 发动机安装座
• 差分外壳
• 支架和横梁

重型机械和农业设备

• 液压阀体
• 泵和电机外壳
• 变速箱和变速箱
• 发动机床身和支撑架

电力能源行业

• 涡轮机壳
• 压缩机外壳
• 泵叶轮
• 管道连接器和管件

工业设备和基础设施

• 轴承外壳
• 机床基库
• 结构支架
• 井盖和排水组件

新兴和高级应用

• 航空航天组件原型
• 电动汽车电机外壳
• 3基于 D 打印图案的铸件
• 定制小批量工业零件

10. 与其他铸造工艺的比较

11. 挑战和未来方向

• 高容量一致性: 泡沫密度和砂压实的变化限制了规模扩大; 自动化 (机器人浇注, 人工智能驱动的监控) 正在解决这个问题.
• 数字整合: 3D扫描与模拟 (例如。, 岩浆) 减少图案设计时间 50%.
• 合金开发: 铌微合金化 (0.05–0.1%) 增加拉伸强度 700 MPa，同时保持延展性.
• 高级涂料: 纳米复合涂料 (氧化铝 + 碳纳米管) 提高渗透性 30%.

12. 结论

球墨铸铁消失模铸造融合了 球墨铸铁的卓越机械性能 与 泡沫图案的设计自由度, 实现复杂的高效生产, 高性能组成部分.

图案技术的持续进步, 涂料, 和工艺模拟有望进一步增强 DI-LFC 在汽车领域的竞争力, 重型设备, 和能源市场.

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常见问题解答

为什么消失模铸造工艺选择球墨铸铁?

球墨铸铁提供了出色的强度组合, 延性, 和可铸性. 其高流动性支持复杂泡沫图案的精确再现,

而其机械性能——例如伸长率 (2–18％) 和拉伸强度 (400–700 MPA)—适合要求严格的行业的结构应用.

消失模铸造球墨铸铁有哪些局限性?

限制包括对泡沫质量和图案处理的敏感性, 样板生产的交货时间更长,

以及需要仔细控制涂层渗透性和浇注温度. 适用于非常大或小体积的零件, 工具成本也可能是一个因素.

该工艺如何影响表面光洁度?

表面粗糙度取决于图案和耐火涂层.

典型的表面光洁度范围为 Ra 12.5 到 25 μm. 采用高品质泡沫和氧化锆基涂层, Ra 值低至 6.3 可以达到μm.

球墨铸铁消失模铸造环保吗?

是的, 它具有多种环境优势. 泡沫残留极少且无毒, 沙子 90–95% 可回收,

该工艺无需传统铸造中的粘合剂和芯砂, 减少废物和排放.

这种方法可以用于大批量生产吗?

绝对地. 拥有自动化泡沫成型线和优化的浇注系统, 该工艺支持大批量生产——尤其是汽车和工业零部件.

然而, 为了经济可行性，模型工具和设置必须按较大数量进行摊销.