新造型材料消除脉纹缺陷


3D打印的砂芯和铸型对粘合剂系统要求严格,尽管呋喃树脂在此生产工艺的应用中是可靠的材料,但是也存在一些小缺点。目前为止,仍难以避免在使用呋喃树脂与砂粘结的高温、复杂几何形状的铸件表面和内部轮廓上产生脉纹缺陷。经过不断的研发,位于德国格斯特霍芬的ExOne公司通过使用添加剂成功地消除了呋喃树脂产生的脉纹。

脉纹的存在令人烦恼,不仅因为在铸件表面或铸件的内部轮廓上进行再加工总是需要复杂的后处理工艺,而且增加了生产成本。对很多铸造企业来说,在砂芯生产和随后的铸造工作完成之后,在打开铸型时看到铸件出现缺陷的时候会让人很失望。
ExOne公司的客户应用团队(CAT)始终致力于将呋喃与传统的硅砂和多种添加剂结合起来使用。

通过使用呋喃树脂与砂子和矿物添加剂的组合,已经显示出特别令人信服的结果。所有的试验表明,由于添加了添加剂,硅砂与呋喃粘合剂组合获得了更高的弹性。在浇注金属液时,完全避免了在高温应力位置(例如铸件的内轮廓)的砂芯表面出现断裂。以泵行业的典型叶轮为工业测试对象,结果表明,铸件没有任何脉纹缺陷。因此,首先,呋喃树脂的质量达到更高的水平,已证明其在形状复杂的工业叶轮中的应用。

通过添加剂提高质量
一般而言,在铸钢生产中,导致砂芯表面膨胀有几个因素。硅砂的膨胀导致所谓的石英转化。高温铸造导致快速的石英转化,从而导致造型部件中的应力增加。但是,硅砂的粒度尺寸和粒度分布也对铸件表面有影响,因为更高的均匀度产生更高的应力,因为所有的硅砂同时达到相变点。因此,典型砂型铸造的所有基本部件都具有低延展性,并且当浇注金属液时,砂型表面上存在高压。浇注后环绕砂芯的液态热金属导致铸型表面和砂芯中心产生温度梯度,这一现象可以用铸型基础材料的结构特征来解释。例如,硅砂温度直线上升至约400℃,然后呈现出可逆β-相变的温度范围急剧升高,从而增加应力。

由于材料柔韧性不能补偿压力,砂子粘合剂混合物的刚性特性导致表面出现裂缝。砂子和呋喃树脂粘合剂的混合物,组成的有机粘合造型材料,发生退让并形成表面裂缝。液态金属流入这些非常细小的表面裂缝中。二氧化硅在型腔中膨胀产生的间隙中流入金属液。

恰好此时,随着将铸件从砂型中取出,铸件表面上先前产生的裂缝痕迹出现,形成从光滑表面突出的肋状脉纹。

在技术上,人们说的薄而不规则的金属突起,主要产生在铸型的内轮廓上或铸件的凸起、拐角和边缘。

3D打印提升铸件质量
ExOne公司宣布进行的一系列测试的目的是避免产生这些不规则的金属突起。研发部门对ExOne认证的砂子以及呋喃树脂粘合剂和各种添加剂的所有可能组合进行了精心测试。“基准测试目的”是消除脉纹。

与FS001砂相比,更细的FS003砂具有更低的堆积密度、因此张力更小,能够将脉纹减少50%。实际上,将来使用FS003砂进行改进是最简单的做法。

当将呋喃树脂与人造砂混合时,在测试系列中没有检测到脉纹。添加2%的添加剂时,会产生通常情况下的10%的脉纹。如果添加剂的量从2%增加到4%,即增加到2倍,那么生产出的最终产品将可以实现没有脉纹,如呋喃树脂-砂混合物中。所有现有设备都可以对添加剂配料单元进行改进,并且这应该是铸钢、铸铁企业关心的问题。

做好准备,赢得未来
然而,在试验准备阶段,必须为产生这一显著的结果创造条件,在评估和复制其他工业用铸件时必须考虑到这一点。叶轮的金属铸件采用ExOne公司的3D打印砂芯和3D打印铸型生产。铸件材质,研发部门使用SS316不锈钢合成材料,浇注温度为1622℃。 ■