影响铸件表面质量的关键因素


现 在砂型铸件的尺寸精度已经可以接近精密铸件的尺寸精度。3-D打印技术极大提高了模具和型、芯的尺寸精度,但是却无法与传统
砂型铸件的表面光洁度相比,更不用说精密铸件了。

熔模铸造工艺生产的零部件表面非常光滑,具有出色的表面光洁度和尺寸精度。如果3-D打印的砂型和砂芯可以同时满足零部件尺寸和表面光洁度的要求,那么相比熔模铸造工艺其性价比更高。

虽然在铸造材料方面已经有了很多的变化和改进,但砂子是不变的材料。在采选和洗涤后,如果需要,铸造用砂分为单独或双网格包装并储存。它们被归入正常的物流配送中,以便运送给铸造客户。虽然有许多不同的矿井分布,但类似的AFS细度的砂子以相似的分布供应。

表面清理是铸件质量规范的组成部分。如果清理后铸件的内表面粗糙,可能会导致流体和高速气体的效率损失。涡轮增压器和进气歧管就是这种情况。北爱荷华大学一直在研究影响铸件表面粗糙度的造型材料的特性。该研究是在铝铸件上进行的,但黑色金属同样适用和相关,不会存在渗透或粘砂等缺陷。研究包括造型材料的特性,如砂的细度,材料类型和耐火涂层的选择。该项目的目标是使砂型铸件表面达到熔模铸造水平。

渗透性和表面积
AFS渗透率定义为已知体积的空气通过10厘米水柱头的标准样品所花费的时间。 简而言之,AFS渗透率代表允许空气通过的材料颗粒之间的开放空间量。材料的GFN显著地改变渗透率,直到80GFN,这个趋势似乎已经趋于平稳。
数据显示,不同粒度下的任何颗粒形状都可以获得相同的表面粗糙度。与角形和次棱角形的砂粒相比,球形和圆形的颗粒材料以更快的速度提升铸件表面的光洁度。

液体镓接触角测量结果
通过液体镓测试方法来测量出接触角,是为了测量结合造型材料的相对润湿性。陶粒砂具有最高的接触角,而锆石和橄榄石具有相似的较低的接触角。 镓在所有的砂粒表面都表现出疏水性。 所有样品都使用了类似的AFS-GFN。结果表明,各类型砂的接触角主要取决于次生轴上所示的材料颗粒形状,而不是基体材料。 陶粒砂具有最光滑的形状,橄榄石砂呈现出高角度的形状。 虽然材料基体的表面润湿性可能对铸件表面光洁度起作用,但系列测试中,接触角测量范围从属于颗粒形状。

铸件表面粗糙度测试结果
表面粗糙度的结果用接触表面光度仪进行测量。从三筛44 GFN硅砂到四筛67 GFN砂硅,表面光滑度有显著改善。尽管分布宽度有所变化,但超过67 GFN之后的变化并未显示出对表面粗糙度的影响。观察到阈值是185 RMS。

材料在101到106 GFN之间可以观察到光洁度有大幅改善。在粒度分布中,106 GFN砂200目以上粒度含量超过17%。双筛115和118 GFN砂导致光洁度降低。143 GFN硅砂得到与106 GFN锆石砂类似的读数。阈值是200 RMS。
尽管粒度分布变窄,但从四筛49 GFN铬铁矿砂到三筛73 GFN铬铁矿砂,表面光滑度稳定提高。与49 GFN相比,73 GFN铬铁矿砂增加19%140目砂。尽管它们有着相似的细度数量,从三筛73 GFN到四筛77 GFN铬铁矿砂的铸造平滑度显著增加。在77 GFN和99 GFN铬铁矿材料之间没有观察到光滑度的变化。有趣的是,这两个砂子在200目的筛网上保留了非常相似的结果。阈值是250 RMS。

尽管分布较窄,但从78 GFN橄榄石砂到84 GFN橄榄石砂的铸件表面光洁度有显著改善。在84 GFN橄榄石砂中,增加15%140目筛。84和85 GFN橄榄石砂之间有很大的变化。85 GFN橄榄石将光滑度提高了50倍。85 GFN橄榄石是一种三筛砂子,在200目筛网中保留几乎10%,而84 GFN橄榄石只是一种双筛材料。从85 GFN橄榄石到98 GFN橄榄石可以观察到光滑度的稳定提高。筛目分布显示在200目的筛子中有5%的增加。从98 GFN到114 GFN橄榄石没有发现变化,尽管200目的保留率增加了近7%。可以观察到244RMS的阈值。

使用陶粒砂制芯改善铸件表面粗糙度的结果,在32 GFN 到41 GFN之间有轻微改善。在41GFN砂中,70目筛保留率提高了34%。陶粒砂在41GFN到54GFN之间显著改善铸件光洁度。与41GFN材料相比,54GFN材料在100目筛网中的保留量增加了19%以上。尽管54GFN材料的分布有所缩小,但仍然有所改善。在54GFN到68GFN之间,对陶粒砂结果的影响最大。68 GFN砂在140目的筛中保留了15%,扩大了分布。尽管在140目筛网上保留了超过40%的保留率,但是在68GFN至92GFN材料之间没有观察到什么改进。阈值是236 RMS。

3D打印用砂产生的表面比使用相同的骨料夯实的砂子表面粗糙得多。在XY方向上打印的样品提供了最光滑的测试铸件表面,而在XZ和YZ方向上打印的样品具有最粗糙的表面。

冲压未涂覆的83 GFN硅砂的粗糙度值为185 RMS。虽然铸件看起来比较光滑,但耐火涂层增加了由表面光度测量仪测得的表面粗糙度。醇基氧化铝涂层表现出最好的性能,而醇基锆石涂层表现出最高的粗糙度。83GFN 3D打印样品显示出相反的效果。当未涂层的样品以最有利的XY方向打印时,未涂层的样品表现出的铸件粗糙度为943RMS。涂层使铸件表面的光洁度大大提升,从未涂覆的的339RMS的最低值提高到高达488RMS。看起来涂覆的砂子的表面光洁度与基底砂的粗糙度关系不大,而很大程度上取决于耐火涂层的配方。3D打印的砂子虽然最初的表面光洁度粗糙,但可以通过使用耐火涂料得到显著改善。

结论
目前可用的造型材料具有实现小于200RMS微英寸的表面粗糙度的能力。这些数值略低于精密铸件相关的数值。对于所测试的材料,随着聚集的AFS晶粒细度的增加,每种材料均表现出使铸件表面粗糙度降低。在所有材料达到阈值的情况下都是如此,此时随着AFS-GFN的增加,没有看到铸件表面粗糙度的进一步降低。之前进行的研究支持了这一结果。

在所有材料实验中,AFS-GFN的效果对于计算的表面积和总渗透率都是次要的。 虽然渗透率可以被认为是描述压实砂的开放区域,但是表面区域更好地描述了砂的筛分布和相应的细颗粒量。渗透性和表面积均与铸件表面光滑度直接相关。应该指出的是,对于形状组中的造型材料来说也是适用的。尽管角形和次棱角形的颗粒材料具有较大的表面积,但它们的渗透性很高并且表现出开放的表面。球形和圆形的颗粒材料表现出平滑的表面,以及低渗透性和大表面积。

最初,液态金属和粘结材料之间的接触角测量的表面润湿性被认为是所得铸件表面光洁度的关键因素。结果表明,相似AFS-GFN的各种材料上的接触角与铸件表面粗糙度不成正比,颗粒形状已证实是主要因素。接触角和铸件表面粗糙度之间没有关系可以用颗粒形状被认为是表面粗糙度的主要影响来解释。与材料本身的润湿性相比,各种材料的接触角受颗粒形状和铸件表面光滑度的影响更大。

与所有测量仪器一样,测试方法的人工环境可能会在一定程度上影响结果。尽管经过耐火涂料涂层后铸件表面在视觉上看起来较平滑,但是铸件粗糙度的增加可能是由于涂层产生的高峰和低谷造成的。根据定义和测量,耐火涂层仅增加未涂覆样品的表面粗糙度。所有的耐火涂层在改善3-D打印砂的表面粗糙度方面非常成功。涂覆样品的测试铸件的表面光洁度似乎与基底砂关系不大。涂层对表面光洁度有重要影响,但需要进一步改变涂层材料来改善铸件光洁度。

本文基于2017年美国铸造大会上的的17-094号论文。