l ? 另种干燥方法即脱水——目前广泛

　　特种铸造篇 1.本课题性质： 内容:实践性和经验性很强，真正掌握须经过长时间的摸索 和实践 2 . 教材：浙江大学出版社 曾昭昭主编的《特种铸造》 3 .学习方法：不要求具体数据。只要求掌握每种特种铸造方法 的原理、特点、应用范围、优缺点等。 绪论 一、 特种铸造的概念 特种铸造是相对于一般砂型铸造而 言的。把在造型材料、液体金属充填和 凝固过程等方面与普通砂型铸造有所不 同的铸造方法称为“特种铸造方法” 二、 特种铸造方法的分类 熔模铸造 以砂为成型材料 陶瓷型铸造： 特 种 铸 金属型铸造 造 压力铸造 低压铸造 金属为成型材料 离心铸造 真空吸铸 连续铸造 挤压铸造 ………… 三. 特铸方法具有以下某些方面的优点 1．尺寸精度、表面光洁度高，减少了机械加工，以达到无削切 或少削切的目的。 2． .能铸出形状十分复杂，壁很薄铸件，有的靠其它方法无法或很 难完成。 3． 能获得特殊要求的铸件。如气密性、耐磨性，抗腐蚀性等。 4． 更适宜于高熔点、高粘滞性、易氧化的合金铸件及双金属铸件。 5． 减少浇注系统和冒口尺寸，提高金属利用率。 6． 不用或少用砂，减少车间粉尘，改善环境。 7 ．便于机械化、自动化、提高生产率。 （说明：并非每种铸造方法都具有以上所有优点，而是具有其 中的一项或是几项优点。） 章 熔模铸造（精密铸造） 节. 概述 1 熔模铸造的工艺过程 概念：熔模铸造的实质就是在蜡模表面涂覆多层 耐火材料，待硬化干燥后，加热将蜡模熔去，而获得 具有与蜡模形状相应的空腔型壳，在型壳中浇注金属 获得铸件，该方法也称精密铸造，失蜡铸造 熔模铸造的工艺过程 配制蜡料 配制涂料 制造压型 型壳脱蜡 压制蜡模 制造型壳（挂涂料 撒砂 硬化） 型壳焙烧 浇注 金属熔炼 反复5-7次 2. 熔模铸造的优缺点 2.1 优点 （1）精度高： 尺寸精度： 表面光滑度 砂型 熔模 铸件小壁厚 铸件尺寸公差 光洁度 3mm 100±1.0 0.7（0.3mm） 100±0.3 ▽1-▽3 ▽3-▽6 （2）形状无限制。适合于铸造某些结构、形状 复杂的铸件。（因无需拔模，无分型面） （3）合金不受限制(一般适用于贵金属) 2.2 缺点 （1）铸件性能不好 。 因为是铸态且为热浇（保证轮廓清晰）所以晶粒粗大，机械性 能不好，所以精铸件很少在重要环境下工作。 （2)工艺复杂成本高。 （相对铸造高，而综合成本不高，相当于10倍的砂型铸造成本） （3）批量受限制。大批量生产成本降低。 3. 熔模铸件的技术特性 3.1 技术性能；较低 对于精铸件δ（延伸度）αK（冲击韧性） бb（强度）都比较低， 因为热浇、晶粒粗大。尤其是δ（延伸度）αK（冲击韧性）值较低， 难以用在关键部位。 3.2 精度：高 每个工 的精度与工人和技术人员的技术水平，所用材料，生 产环境等有关 精密铸造的正常精度范围 100±0.3 高精度范围 100±0.1 表面光洁度Ra值 砂型 ▽1-▽3 精铸 ▽3-▽6（与壳型铸造相当） 3.3 铸件的尺寸：有限制 小：精铸件壁厚小可达0.3mm 局部可达0.2mm 小孔径可达直径0.5 小铸件重量达几克。 如柴油机喷油嘴顶杆重9克，用水玻璃石英砂型壳 大：精铸件重量G 过去大于10-20kg， (太大解决不了蜡蠕 变和收缩变形问题) 近年可铸出重600kg 直径600-1000 mm的整铸件 进步归公于两点①塑料模的使用。蜡模太大易蠕变 ②凝固过程热计算的商业化 3.4 合金的种类： 难加工类、高温、耐磨、特种合金类 精铸工艺本身对合金种类无限制。但实际应用时 很少有铸铁，有色等合金用精密铸造，原因是造价 太高，不值得。 实际上精铸只是用于两种合金： 难加工类（包括形状难加工和金属难加工）； 特种合金类（高温、耐磨等） 所以精铸车间都与一些精密的熔炼设相联系， 如线 离心叶轮 该件突出的特点是尺寸大，壁薄。直径457mm、高 228.6mm，重45kg。有高的尺寸精度要求、大部分 件需经过x射线和荧光检查。材质为沉淀硬化马氏体 不锈钢17－4PH（美国牌号） 图2 热交换器 铝合金的热交换器,轮廓尺寸为 190.5mm×139 .7mm×55.9mm ， 壁厚为 1.5mm，上面分布着1200 多个小针，以提供的散热面 积。件重0.184kg。 图3 壳体 该壳体铸件结构复杂，该图是用两 个切面解剖后的照片，可见其外形和内 腔均很复杂，它的熔模是用13个不同的 蜡模组装而成的。为铝合金熔模铸件， 其尺寸为214.9mm×200mm ×145mm， 重2.36kg。 1 重型柴油机叶轮、壁很薄，机械加工等无法达到, 用精铸法制造, 制壳时要涂挂4-6次 2 （铸造手册 P12 图） 气轮机静叶片、喷嘴形状复杂，以前用昂贵的机械加工。用普通 方法铸造也困难。材料为1Cr13、2Cr13这种钢不好铸。现在硅酸 乙酯—刚玉型壳精密铸造后抛光即可使用。 3 一个喷气发动机的涡轮喷嘴有半人高，形状特别复杂，任何方 法不能造出，只能精铸。 由此可见，在难加工，和一些高温、耐磨，特种合金的零件制造 中，熔模铸造显示了其优越性。 第二节.熔模的制造 熔模铸造生产的个工序就是制作熔模（蜡模），熔模就是用来形 成耐火型壳中型腔的模型，所以要想获得尺寸精度和表面光洁度高的铸件， 首先熔模本身就应该具有高的尺寸精度和表面光洁度。此外，熔模本身的性 能还应尽可能使随后的制型壳等工序简单易行。为获得上述高质量的熔模， 除了应有好的压型-压制熔模的模具外，还必须选择合适的制模材料（简称 模料）和合理的制模工艺。本节将对后两个问题进行叙述。 对蜡模的基本要求 获得高质量蜡模的条件 高的尺寸精度 表面光洁度 使后续（制壳）工序简单易行 好的压型（压制熔模的模具） 选择合适的制模材料（简称模料） 合理的制模工艺 1 模料 1.1 对模料性能的要求 制模材料的性能不单应保证方便的制得尺寸和表面 光洁度高、强度好、重量轻的熔模，它还应为型壳的制 造和获得良好的铸件创造条件，所以模料的性能应能满 足以下要求: ① 熔点要适中，通常希望60-100℃，以便于配制 模料、制模、脱模。 ② 要求模料有良好的流动性和成型性，在压制熔 模时，半凝固状态的模料应能很好的充填满压型型腔， 清晰的复制出型腔的表面，表面光洁，而且熔失熔模时 易从型壳中流出。 ③一定的强度，表面硬度和韧性，防止变形损失。 ④ 高的软化点——模料开始发生软化变形的温度称 为软化点。一般要求模料的软化点比工作场地室温 高10-15℃ ，即35-40℃，南方要大于40℃。 ⑤ 小而稳定的膨胀系数，保证制得的熔模尺寸。 ⑥ 与耐火涂料有较好的润湿性，即使涂料有良好的 涂挂性，而且与模料和耐火涂料不应该起化学作用。 ⑦ 其它：焊接强度高，比重小，灰份少，复用性好， 价格便宜，来源丰实，对人体无害。 1.2 模料的种类、组成和性能 ① 蜡基模料 蜡基模料是以矿物蜡或动植物蜡为主要成分的模料，它在 国内外熔模铸造生产中一直是一种使用普遍的模料，典型 的例子是石蜡—硬脂酸模料。 典型: 石蜡 50% + 硬脂酸 50% 蜡基模料特点: 强度高、刚性好、熔点适中，但流动性、润湿性、膨胀系 数大。 石蜡——是饱和族的固体碳氢化合物，是一个含有20个以上 碳原子的烷烃，是炼制石油的副产品，外观为半透明枝状结 晶。石蜡的熔点是随着其中碳原子的数量的增加而提高，一 般作模料原材料的石蜡熔点为58-60℃，其热稳定性低，温 度30℃时就可软化变形。石蜡熔化后，再凝固时易形成表面 收缩，所以不能单独作模料使用。在模料中加入石蜡后，可 提高强度，使模料不易产生裂纹，它不溶解于硅酸乙酯水解 液中，但稍溶于无水酒精。 硬脂酸——硬脂酸为固体的脂肪酸混合物，可由石油 副产品石蜡经高温催化而制得。硬脂酸外观为纯白色或 黄色的片状或针状的固体结晶。熔点58-60℃。在石蜡 中加入硬脂酸可提高模料的热稳定性及流动性。此外， 硬脂酸中含有极性基分子，可以改善模料与涂料的润湿 性。硬脂酸能很好的溶解于乙基纤维素中，易和硅酸乙 酯水解液相互起酯化作用，遇碱起皂化反应，其价格较 贵。 ② 松香基模料 以松香为主要成分，属中高熔点模料。主要用来生产要求 高的熔模铸件，如涡轮发动机叶片等。 其举例： 松香 60% + 川蜡 30% + 地蜡 5% + 聚乙烯 5% 松香 75% + 川蜡 15% — + 地蜡 5% + 聚乙烯 5% 松香——松香是切开松树皮后分泌出来的松脂，经蒸馏提出松 节油而剩余物质，主要成分为松香酸。它能与石蜡很好互溶。 软化点高、收缩率低，但黏度大，流动性差。 地蜡——地蜡是饱和族的高分子固体碳氢化合 物，为石油工业产品。其外观为白色或黄色的 均匀物质，无气味。地蜡的牌号由它的熔点来 确定。地蜡比石蜡具有较高的软化温度，所以 保存时不易变形。地蜡不与水解的硅酸乙酯溶 液相互起作用。其缺点是强度、硬度及塑性较 低，收缩率很大。加入地蜡除了可细化川蜡的 结晶组织和改善熔模的表面粗糙外，还可作为 助溶剂，使聚乙烯与松香、川蜡复合基体均匀 混合，提高聚乙烯的强化作用。 川蜡——又称为白蜡、中国蜡、虫蜡，四川出产很多， 是白蜡虫分泌于所寄生的树上的蜡，是我国的特产。不溶于 水、乙醇和，易溶于苯。其优点是强度高、熔点高及流 动性好，但脆性及收缩率较大，它能与松香互溶，形成松香 与川蜡复合基体的模料，使之具有良好的综合性能。 聚乙烯——由乙烯聚合而成的高分子化合物，低分子量 为液体，高分子量的纯物质是乳白色蜡状固体粉末，经加入 稳定剂后，加工成粒状，具热塑性。模料中加入聚乙烯能显 著提高强度，热稳定性和韧性。 ③ 其它模料 上述几种模料都有些缺点，影响使用，有的工试用新的 模料，如聚苯乙烯（泡沫塑料），尿素模料、充填模料等。如 聚苯乙烯（机车实型铸造的实体模） 聚苯乙烯模料: 是由苯乙烯在加热条件下聚合而成，是一种热塑性材料， 外观为无色或淡红色非晶型颗粒。由于聚苯乙烯具有较高的强 度，热稳定性好，收缩小及灰尘少等优点，因此宜作为制模材 料。它熔点高，对温度变化不敏感。在60℃才开始变形，在 82℃的临界温度下迅速膨胀，约在93℃软化，在204℃由于自发 重量开始流动，在316℃流动相当舒畅，在℃完全烧净。 聚苯乙烯制模工艺复杂，不宜制作薄壁及形状复杂的熔模，且 熔模的表面光洁度差。 1.3 模料的配制 通常模料是由两种或两种以上原材料组成的，配制 模料时是按照规定的成分及配比，将各种原材料先熔 融成液态，然后经搅拌混合均匀，滤去杂质，浇成锭 块或调制成糊状模料待用，有时也可用液体模料直接 浇制。 1.3.1 模料配制需要遵守的原则 A 应根据各组分的互溶性来确定加料顺序。 模料中分子结构相似，分子极性相同的物质互溶 性好。反之，互溶性差或不互溶。如石蜡(线性分子 结构)和松香(体形)不互溶，若将地蜡或微晶蜡(枝型) 加入其中或加入一些其它多聚物然后再加松香，则三 者很快溶合在一起。 石蜡 加热溶解 +地蜡或微晶 熔化混合 +松香 B 严格控制温度上限和高温停留时间及合适的熔化装置。 因为模料都是各种碳氢化合物的混合物，过热会发生氧化 裂解，影响模料性能。 1.3.2 模料的配制方式 A 蜡基模料 蜡基模料熔点都低于 100℃ ，为防止模料的分 解，对它的加热采用蒸汽 加热或热水槽加热。对熔 化后的模料要搅拌均匀， ， 在冷却过程中将蜡料制成 糊状。 图1-4熔化蜡基模料的加热槽 具体办法有两种： a 旋转浆叶搅拌法 1/3熔融蜡料 +2/3固体蜡料 （充分粉碎） b 活塞搅拌法 借助活塞往复运动，迫 使模料从活塞上小孔窜来窜 去，模料被搅成糊状，根据 放入模料的量，可以控制混 入模料中的空气的量，使模 料中的空气以细小的形式存 在，这样可减少制模时的收 缩率。 图1-5 旋转浆叶 搅拌蜡基模料 图1-6 活塞搅拌 蜡基模料 B 松香基模料 由于松香基模料熔化温度较高，其加热采用电阻炉或工频炉 感应加热方式。 如：松香、 地蜡、聚乙烯模料。先熔化地蜡，待升温至140℃ 时，在搅拌的情况下逐渐加入聚乙烯，在升温至220℃加入松香， 全熔后在210℃时静置20-30分以排除气体，后滤去杂质，在降 温的情况下对模料进行搅拌，使成糊（60-80℃），如模料混合 不好，它的黏度就会增大，晶粒粗大，使熔模质量降低，加热时 防止温度过高，模料变质燃烧。 140℃ +聚乙烯 220℃ 地蜡 加热 搅拌 加热 210℃ 排除气体 滤去杂质 静置20-30分 +松香 搅拌至全熔 搅成糊状（60-80℃） 1.4 模料的回收 使用松香基模料时，回收的模料用来制作浇冒口熔模 使用蜡基模料，脱模后所获模料可回收，再用来制造新的 熔模 1.4.1 蜡基旧模料的性能变化 在循环使用时，模料的性能会变坏：脆性增大，灰尘增多， 流动性下降，收缩率增大，颜色由白变褐，这些主要与模料中 硬脂酸变质有关，也有其它原因。 1.4.2 蜡基模料变质的原因 （1） 蜡基模料中硬脂酸变质(发生皂化反应) l 硬脂酸呈酸性，它能和化学活性比氢强的金属反应，如熔制熔 模时，与一些铝、铁工具接触便发生以下置换反应： 2Fe +6C17H35COOH = 2Fe（C17H35COO）3 + 3H2 ↑ 2Al +6C17H35COOH = 2Al（C17H35COO）3 + 3H2 ↑ l 用水玻璃作型壳黏结剂时，硬脂酸会与NaOH发生如下反应： NaOH + C17H35COOH = C17H35COONa + H2O l 在熔失熔模时，硬脂酸会和硬水中的Ca、Mg盐类起复分解反 应： Ca（HCO3）2 + 2 C17H35COOH = Ca（C17H35COO）2 + CO2 ↑ + 2H2O 以上反应统称为皂化反应，所产生的硬脂酸盐称为皂盐或皂化物， 大都不溶于水，但却能与模料均匀混合使模料性能变坏。 （2） 砂和涂料的污染 熔模制好后，上面要涂挂涂料、撒砂以制出型壳，在制造 熔模、制壳以及与蜡的熔失过程中，有时会受到砂和涂料 等异物的污染。所以，制模车间一定要注意工作场地的卫 生。防止模料污染（一般要白大衣、拖鞋、瓷地面、工作 台洁净） （3） 熔失熔模时过热，石蜡烧坏、氧化变质 1.4.3 回收蜡基模料的处理方法 （1） 盐酸（硫酸）处理法 具体方法为将水和旧模料放在不生锈的容器中（水占模料的2535%）加热至80-90℃，然后加入模料重3-5%的工业盐酸（或2-3% 的浓硫酸）继续加热，使酸与模料充分反应，经30-40分钟后，静置 使水与模料分离，然后过滤，浇成锭，由于硬脂酸铁与盐酸反应是 可逆的且很快达到平衡，因此模料中的硬脂酸铁难以去除干净。 盐酸和硫酸都可使除硬脂酸铁以外的硬脂酸盐还原为硬脂酸： Me（C17H35COO）+ HCl = C17H35COOH + MeCl 80-90℃ 模料 + 25-35%水（占模料比重） 加3-5%盐酸（或2-5%硫酸） 加热 搅后 保温 静置，使模料充分反应 30-40分 （2） 活性白土处理法 活性白土是有一种经酸处理后的黏土，它的晶格由硅氧四面体 和铝氧八面体交叉成层构成，各层间有大量的孔隙。好的白土， 其孔隙率可达60-70%，有很大的比表面积。因而具有较高的吸附 能力，能吸附模料中硬脂酸盐。此外，活性白土中的阳离子（特 别是三价铝离子）还能和模料中的带负电荷的的胶状杂质结集成 中性质点，变成凝胶下沉。所以可用活性白土去除模料中的硬脂 酸盐。 生产中一般用此法作为盐酸处理的补充工序，即每隔一段时间 将用盐酸处理过的模料加热到120℃ 左右，向模料中加入烘干的 活性白土（为模料重的10-15%）进行搅拌，半小时后，在120℃ 下保温静置4-5小时，待活性白土与液态模料充分分离后即可处理 好模料。 模料 120℃ +白土（10-15%） 搅拌半小时 盐酸处理过 加热 烘干 120℃下静置4-5h （3） 电解法 电解处理方法可去除模料中的硬脂酸铁。电解液浓度为2.8-3.5%， 温度为80-85℃的盐酸溶液，处理时向电解槽中加入经酸处理的熔融 模料，通电后当电压超过盐酸的电解电压（1.36v）时，在阳极碳棒 上析出活性极强的初生态氯，它有很强的氧化能力，能从硬脂酸铁 中夺取Fe+3，形成FeCl3反应如下： 4Fe（C17H35COO）3 + 12（Cl）+ 6 H2O = 12 C17H35COOH + 4FeCl3 + 3O2↑ 而在阴极（铅板）上则析出还原能力极强的初生态氢，将Fe+3 还原成Fe+2 其反应如下： [H ] 2FeCl3 2 FeCl2 + Cl2 ↑ FeCl2 在水中溶解度很大，能从模料进入盐酸中。因此，硬脂 酸铁不断被还原为硬脂酸，使模料净化。 实际生产中，常用盐酸（硫酸）处理法，也用活性白土处理法，用 电解处理法因工艺复杂故很少采用。 判断一个铸造的 水平，可根据3项指 示： ① 石蜡的颜色：蜡越 黄质量越差、越白、质量 越好 ② 空调条件：空调条件 好，蜡不易变形，精度高 ③ 车间内洁净程度：洁 净、无污染、蜡的质量好 2 制模（制造熔模——制造蜡模） 模料重熔后，通过压蜡机以一定温度和压力注入模具中冷凝 成型后，即为熔模（蜡模）。使模料成型为蜡模的模具成为压 型。 2.1 模料的成型方式 2.1.1自由浇注法： 自由浇注法使用液态模料。该法制得的熔模质量差，轮廓 不清晰，收缩大，尺寸精度差，故一般多用以制浇注系统。 2.1.2压注法： 使用的模料可以是液态、半液态（糊状）、半固态，甚至 固态模料，成型温度低，凝固快，收缩小，熔模轮廓清晰，生 产率高。 2.2 压注熔模的工艺参数： 影响熔模质量的因素很多，如模料的压射温度、压力、压型 温度、保压时间等。 2.2.1 压注温度和压型温度 在保证良好的充填情况下，应尽量降低模料的压注温度和压 型温度。 压注温度过高: 在较厚部分容易产生缩陷，收缩过大。 压注温度过低: 模料黏度大，流动性差，熔模易产生皱纹或压不 满，或者模料本身卷入气体产生气泡。 一般 石蜡—硬脂酸低熔点模料压注温度为45-48℃， 以松香为基的模料压注温度为70-85℃ 压型（模具）温度主要影响熔模表面光洁度，变形和裂纹。 ? 提高模具温度能提高熔模表面光洁度。但是温度过高会增 大蜡模的收缩变形。 ? 模具（压型）温度太低会影响模料的充填性和复印性能。表 面易产生流痕。 试验证明 压制蜡模合适的模具温度应控制在30-35℃范围内， 压制松香基模料其合适的模具温度为30-40℃。 2.2.2 压射压力： ?压力大，压射速度大，若过大，模料易产生气泡，表面不光洁等 ?过小易产生冷隔，浇不足等缺陷，尤其对薄壁的熔模。 一般 重量在100g以下的熔模，压力小于2个大气压， 超过100g的熔模压力大于2个大气压。 2.2.3 保压时间 保压时间长可以减少模料的收缩变形，提高尺寸精度和表面 光洁度。时间过长，熔模取出困难，易产生皱纹，降低生产率。 一般保压时间45-60s。 2.2.4 分型剂 压制熔模时，在压型上涂分型剂，对提高熔模的表面光洁度 有重要作用，能防止熔模黏附压型，但用量过多，熔模表面形成 线痕、皱纹。 低温模料：松节油50% + 酒精50% 中温模料：蓖麻油50% + 酒精50% 复杂、深孔零件:硅油 2.3 制模设 熔模质量的好坏除了采用合理 的工艺方法外，制模设也很重要。 通常按施加压力不同，常用的有三 种压蜡器。 2.3.1 柱塞式压蜡器 压制时，将模料装于蜡桶内， 把压蜡器的注蜡筒对准注蜡口，用 手施力于柱塞上，模料便被压入型 腔内，保压待凝固后，打开压型， 取出熔模。此法简便，但所加压力 较小，生产率低，适合小批单件生 产条件下，用蜡基模料生产小型熔 模。 2.3.2 气压式压蜡器 模料放入密闭的保温缸4中，向缸内通入压缩空气，将模料 经导管压向压蜡器。制熔模时，只需将压蜡器的压蜡嘴对准压型 的注蜡口上，注蜡器内通道打开，模料便进入压型。此法只适于 压蜡基模料，因其操作容易，故国内不少压注机都采用此种压模 法。 2.3.3液压——活塞式压蜡器 通过压力机液压缸向活塞1加 压，模料被压入型内。因压 力较大，可用于压制松香基 模料。 3 组合模组 3.1 组合模组时的要求： 1）熔模应的进行表面检验，熔模不应该有外露缺陷， 如“缩陷、气泡”等，同时不应该有模料滴或其它赃物黏附在 熔模上。 2）模组上熔模的数量应适当，不宜过多，避免重量过大而不 便于操作。 3）模组上熔模沿直浇道的轴线应有一定的倾斜度（一般为 60-80度），以使熔失熔模时模料便于流出。 4）模组上熔模互相间的位置应排列整齐，熔模间应有一定 的距离，使涂覆涂料、切割等便于进行。 5）模组的焊接部分不得有尖角（一般呈R3-5mm的圆角）及 毛刺，焊接处应平滑且具有足够的强度 3.2 组合方式 熔模的组装是把形成铸件的熔模和形成浇冒口系统的熔模组合 在一起，主要有两种方法 3.2.1焊接法 目前生产中广泛采用电热刀法在铸件与浇冒口系统的熔模连接 处局部加热焊接。这种方法使用灵活、方便，适应性强，但效率低， 劳动强度大。 3.2.2机械组装法 在大量生产中小型熔模铸件时，国外已广泛采用机械组装法组合 模组。 既先做好如图1-9a所示的花瓣状小模组，形成熔模辐射状布置 在形成直浇道熔模的周围，将小模组如图1-9b所示套在浇口棒7上， 套满后，将浇口棒向下压，管子8将浇口棒中间的弹簧3压缩，带有 销子2的杆4向上伸出，在杆上套一外覆模料金属帽1。 金属帽底部有一外形与销 子相似的长方形孔，将金 属帽旋转90度，放松弹簧， 借弹簧之力通过杆4上的销 2，使金属帽紧紧的压在小 模组的直浇口上，这样浇 口棒便把形成浇口杯的熔 模和小模组连在一起。在 涂挂型壳后，脱模之前， 只需将浇口棒中的杆4再轻 轻往上一压，将模组转动 90度，即可将浇口棒连同 销子自模组中取出。 图1-9 机械组装模组 a)花瓣状小模组 b)机械组装模组 1一金属碗 2—销子 国外已将此种模组的尺寸 系列化。采用此种模组， 可使模组组合效率大大提 高，工作条件也得到了改 善。 3一弹簧 4－秆 5一花瓣状小模组 6一浇口杯熔模 7一浇口棒 8一管子 第三节 型壳的制造 1 型壳的制造工艺——涂挂法 1.1 熔模铸造型壳： 多层型壳：涂挂法制壳—（浸涂）常用 喷涂法 刷涂法 1. 2 对型壳的性能要求： 1.2.1 型壳的高温强度和高温软化点 型壳的高温强度是型壳主要的基本性能，在制壳、 脱蜡、焙烧和浇注工艺过程中，型壳要承受各种应力的 作用，没有足够的强度就不可能达到铸造的目的。室温 强度固然重要，但高温强度更加重要。从浇注开始型壳 就开始承受高温液体金属的热冲击、机械冲击，金属又 要通过型壳散热而冷却凝固，从而型壳又将受到很大收 缩应力和热应力。 型壳的软化点是指型壳强度随温度升高而开始下降 的温度。不同型壳软化点不同。软化点高，高温强度下 降速度小，有利于提高铸件的尺寸精度。 1.2.2型壳的热膨胀性 型壳的热膨胀性是与铸件精度密切相关的重要性能。高温 金属液通过型壳放热、冷却、凝固中，温度的急剧变化，型壳的 线量也发生变化。 ① 为获得尺寸的铸件型壳的膨胀率必须小而均匀。 ②型壳小而均匀的热膨胀性是减少应力，使型壳具有良好 抵抗温度急剧变化能力的决定因素。（型壳温度变化，必然产生 内应力，当该内应力超过该温度下的强度时，型壳就会产生裂纹、 破损）。 1.2.3 型壳的表面质量及化学稳定性 型壳内表面层与高温液体金属直接接触，要想 获得表面光洁、轮廓清晰的铸件，型壳内表面层必 须光洁、致密、轮廓清晰。除此之外还应具有好的 化学稳定性，即浇注后，型壳内表层不与高温液体 金属及其氧化物相互发生化学作用。 上述条件将是实现高精度铸造的基本要求， 此外，还要有好的透气性、好的退让性、好的脱壳 清理性。但一种材料很难完全满足各种要求，因此 在选用制壳原材料时，应抓住无余量铸件表面光洁 度、尺寸精度要求高这个主要矛盾。 型壳的制造工艺：涂覆涂料→撒砂→干燥硬化 重复5-7次 涂料的组成：耐火材料粉 + 黏结剂 + 溶剂（水） 2 制壳用耐火材料：石英、刚玉、铅钒土、镐英粉 2.1 石英： 优点：价廉 缺点：①当加热到573℃时，由β 转变为α 膨胀大 ②呈酸性 应用：适用于碳钢、低合金钢、铜合金；不适于铝、钛、锰、铬 合金钢 2.2 熔融石英： 优点：纯度高，线膨胀小，热稳定性好 缺点：价格贵 应用：易被氢氟酸或碱侵蚀便于除芯，常用于作陶瓷型芯的基本 材料 2. 3 刚玉（Al2O3） 优点：熔点高，结构致密，导热好，热膨胀小而均匀，化 学性能稳定，型壳尺寸稳定 缺点：价格贵 应用：高合金钢、耐热合金及镁合金 2. 4 锆英粉（硅酸锆）： 优点：导热蓄热性好；热膨胀小而均匀 缺点：价格贵，微量辐射性 应用：浇注温度低于1500℃的合金铸件 3 制壳用黏结剂 3. 1 对黏结剂性能的基本要求： ① 与模料润湿，又不与模料互溶或起化学反应 ② 在室温焙烧及浇注温度下，与耐火材料有牢固黏结力 ③ 在高温及室温下形成的氧化物或与耐火材料形成的化合物， 具有高温化学稳定性，不与所浇注的合金发生化学作用 ④ 黏度适当，使之具有良好的涂挂、渗透性 ⑤ 储存性好，来源广，价格廉 3 .2 硅酸胶体黏结剂的基本性质 目前熔模铸造及陶瓷型铸造使用的黏结剂包括 ①水玻璃 ②硅溶胶 ③硅胶乙酯 从本质上来讲都是硅酸胶体，只不过其类型不同罢了，从终 形成的氧化物性质看都是二氧化硅，故都属酸性黏结剂。 3.2.3 胶凝过程 溶胶 胶凝 冻胶 凝胶 溶剂挥发 加热 细微的二氧化硅结晶 900-1000度 3.3 几种常用的黏结剂 3.3.1 硅酸乙酯水解液 （1）硅酸乙酯的物理性质 a 硅酸乙酯又称正硅酸乙酯。一般硅酸乙酯呈油性，为 无色、透明或棕黄色液体（有杂质） b 闪点为53℃，易燃，所以应注意防火 c 有醚味，对眼睛、呼吸道有刺激作用，应密封保存 （2）硅酸乙酯的水解过程（硬化原理） 硅酸乙酯本身并不能作黏结剂，它必须经水解后成为水解液 才具有黏结力。因此，人们通常所说的硅酸乙酯黏结剂实际上是硅 酸乙酯水解液。 硅酸乙酯[(C2H5)4Si]是由四氯化硅和乙醇作用而成： SiCl4 + 4 C2H5OH = (C2H5)4Si + 4HCl 生产中由于工业乙醇中含有水，且乙醇又极易吸水，且盐酸和乙醇 作用也生成水（HCl + C2H5OH = C2H5Cl + H2O），所以硅酸乙酯中 总有水。水能使正硅酸乙酯水解而 形成不同聚合度的聚合物。 其反应如下： C2H5O ┃ C2H5O ┃ C2H5O━ Si ━O C2H5 + HO—H = C2H5O━ Si ━OH + C2H5OH ┃ ┃ 硅羟基 C2H5O C2H5O (乙氧基硅醇) 由于Si━OH间脱水聚合倾向很强，故乙氧基硅醇极不稳定易发生 如下缩聚反应： C2H5O ┃ C2H5O ┃ C2H5O ┃ C2H5O ┃ C2H5O━ Si ━ OH + H O━ Si ━O C2H5 = C2H5O━ Si ━O━ Si ━O C2H5 + H2O ┃ ┃ ┃ ┃ C2H5O C2H5O C2H5O C2H5O 在熔模铸造过程中硅酸乙酯的水解是分两个阶段进行的。 阶段：硅酸乙酯→硅酸乙酯水解液 这时，我们需要的是具有一定聚合度的线型或枝型的聚合 物，即具有一定黏度和黏结力的黏结剂。故加水量应严格控制。 使硅酸乙酯的水解反应进行到一定程度为止。 第二阶段：干燥硬化 硅酸乙酯水解液配制成涂料, 制壳后，涂料层继续发生水解 反应，直至形成硅凝胶。制壳后，涂料层置于空气中，空气中 的水分可使硅酸乙酯继续进行水解—缩合反应，在线型或枝型 乙氧基硅酸结构间相互交联，后形成网状结构。在网状结构 间还含有一定的乙氧基，称为有机硅聚合物，其分子结构可表 示为： C2H5O C2H5O ┃ ┃ C2H5O C2H5O ┃ ┃ C2H5O━ Si ━O━ Si ━O━……O━ Si ━O━ Si ━O C2H5 ┃ ┃ ┃ ┃ O O ┃ ┃ O O ┃ ┃ C2H5O━ Si ━O━ Si ━O━……O━ Si ━O━ Si ━O C2H5 ┃ ┃ ┃ ┃ C2H5O C2H5O C2H5O C2H5O 随着胶凝过程进一步进行，乙氧基不断被羟基取代，水解作用 趋于完全。网状的有机硅聚合物逐渐变为无机硅聚合物，其分子结 构式为： ┃ ┃ ┃ ┃ O O ┃ ┃ O O ┃ ┃ HO━ Si ━O━ Si ━O━……O━ Si ━O━ Si ━O H ┃ ┃ ┃ ┃ O O ┃ ┃ O O ┃ ┃ HO━ Si ━O━ Si ━O━……O━ Si ━O━ Si ━O H ┃ ┃ ┃ ┃ HO O ┃ O OH ┃ 经脱水后形成以硅醚链为联系的网状结构的硅凝胶，其分子结构为： ┃ ┃ ┃ ┃ O O ┃ ┃ O O ┃ ┃ ━O━ Si ━O━ Si ━O━ Si ━O━ Si ━O━…… ┃ ┃ ┃ ┃ O O O O ┃ ┃ ┃ ┃ ━O━ Si ━O━ Si ━O━ Si ━O━ Si ━O━…… ┃ ┃ ┃ ┃ O O O O ┃ ┃ ┃ ┃ 这时型壳中的黏结剂薄膜由强度高，高温稳定性好的硅凝胶 组成。 特点：强度高，高温稳定性好，价格贵 （3）酸乙酯水解时配料计算 因水和硅酸乙酯不能互溶，如单独把它们放在一起，水解反 应很难在整个体系内均匀进行，在硅酸乙酯不能和水充分接触的 地方，会形成不完全水解产物—有机硅聚合物。 水解时常用酒精或丙酮作媒介, 水解时加少量HCl或醋酸作催化剂（同时为加快反应速度）. 例如:获得此种硅酸的正硅酸乙酯的水解反应式为： 4(C2H5)4Si + 9 H2O = H2O.4SiO2 + 16 C2H5OH 832 832 162 1 B‵ B‵= 0.1943 B‵即水解1kg（正）硅酸乙酯成为H2O.4SiO2(乙氧基硅醇) 所需水量，此B‵可在各种书、手册中查到。 溶剂(乙醇或丙酮)及催化剂(HCl或醋酸)均可计算_略 （4） 硅酸乙酯的水解工艺 一次水解法：先将水、溶剂和催化剂混匀，而后逐 渐加入硅酸乙酯并强烈搅拌。加完硅酸乙酯后，继续搅 拌30分钟，而后水解液存放16小时以上再使用。在使用 前需先测水解液中二氧化硅和HCl的含量及黏度。配料 时，只需向水解液中加入粉状耐火材料并充分搅拌 注意：水解时温度不得超过40-50度 （水+溶剂+催化剂） +硅酸乙酯 搅 混匀 30分 硅酸乙酯水解液 （静置16小时） 配制涂料 综合水解法：这种方法实质是使水解过程与耐火材料的混制同 时进行。具体工艺过程是先将硅酸乙酯与溶剂放在一起，搅拌2-3 分，再加粉状耐火材料搅拌5-10分。使硅酸乙酯溶液能很好润湿粉 粒表面。然后逐步加入酸化的水。在搅拌过程中，使水解反应在粉 粒表面进行。 所得涂料分散度高，均匀性好。型壳强度高，且节省硅酸 乙酯。但很难对涂料黏度进行调节。 硅酸乙酯+溶剂（酒精或丙酮） 混匀 搅拌2-3分 混匀 混匀 + 酸化水 搅拌5-10分 +粉状耐火材料 （5） 硅酸乙酯水解液黏结剂特点 硅酸乙酯是优质黏结剂，所以型壳性能好： ① 涂挂性好（醇基） ② 涂料粉液比高（黏度小）涂层致密，铸件光洁 ③ 型壳室温，高温强度高，抗变形能力强，尺寸稳定 ④ 烘干（氨催化）生产周期短 3.3.2 硅溶胶 （1） 硅溶胶的物理特性： 硅溶胶即胶体二氧化硅，是一类无定性二氧化硅粒子在水介质 中的分散体系。 硅溶胶是将水玻璃经过离子交换后去掉其中的钠离子和其它 杂质，再经浓缩制得的。它是硅酸的多分子聚合物，为较纯净的 硅酸水溶液，也称硅酸溶胶。为乳白色或青白色溶液。分子式为n H2O.mSiO2。 熔模铸造用硅溶胶要求： Na2O小于等于0.5%， SiO2 为24-30%， PH为8-10（为9.5） 黏度值为2-6厘泊 （2） 硅溶胶的处理工艺 硅溶胶是一种水基黏结剂。用它配制耐火涂料涂挂性差，为 降低其表面张力，并使之具有适当的黏度，则在使用前需要进行 适当处理。 所谓处理就是在硅溶胶中加入一定量乙醇。这样配制成的 硅溶胶乙醇溶液就是硅溶胶黏结剂。 通常乙醇加入量为20-25%，比较合适，超过30%硅溶胶不 稳定。 硅溶胶中加入乙醇，降低了表面张力，增大了黏度，改善 了涂料的润湿性，加速了胶凝。从而加快了干燥速度，缩短了生 产周期。 （3） 硅溶胶的硬化 硅溶胶的胶凝过程是粒子首先连接成枝链，枝链再连接成三维 的网络，后随着水分的不断蒸发，形成凝胶。粒子之间有牢固的 Si ━O━ Si化学键连接着。所以它具有高的结构强度和硬度，并能 承受高温作用。 硅溶胶的胶凝过程可通过两种方法来完成： l 一种是在硅溶胶中加入电解质，调节其PH值，使粒子表面所 带电荷减少，粒子碰撞机会增多，使其发生胶凝。 这种方法胶凝速度快，但凝胶强度低，且因混入电解质，降低 型壳的耐火度和高温强度。 l ? 另一种干燥方法即脱水——目前广泛采用的方法 随着干燥脱水进行，不断发生硅醇基的脱水缩聚反应 ━ Si ━OH + HO━ Si ━ → ━ Si ━O━ Si ━ + H2O, 形成硅醚键同时析出水，干燥的结果使溶胶 → 冻胶→ 凝胶。 此时在硅醚键的结构间还含有一定量的物理水及以SiOH形式存在的 结构水，需在高温下才能去除。 （4）硅溶胶粘结剂及其所制型壳特点： 优点：（1）配制简单 （2）稳定性好 （3）不需氨干，有利于环保 （4）型壳高温强度比硅酸乙酯更高 缺点：（1）润湿性、涂挂性差，故铸件光洁度差些 （2）干燥速度慢，生产周期长。 （3）湿强度低 3.3 .3水玻璃粘结剂 （1） 熔模铸造中水玻璃粘结剂的硬化机理 水玻璃在砂型铸造中的常用粘结剂。其基本组成是硅酸 钠和水（聚硅酸钠水溶液）。 硅酸钠是强碱弱酸盐，在水中极易水解： Na2O·mSiO2 + nH2O ≒ 2Na+ +2OH- + mSiO （n-1）H O 2 2 - Q 加入酸性物质，有利于聚硅酸钠水解，使水解反应向右 进行。在熔模铸造中常用酸性盐作硬化剂，如：NH Cl、结晶 4 AlCl3、聚合AlCl3和结晶MgCl2 。 当用NH4Cl水溶液作硬化剂，与水玻璃型壳相遇时，将发生如 下化学反应： ? Na2O·mSiO2 + nH2O + 2NH4Cl 2NaCl + mSiO2（n-1）H2O + NH4OH -------NH3+H2O 水解的结果使水玻璃溶液中硅酸浓度增高，硅酸分子中硅羟 基不断脱水聚合成聚硅酸大分子，继而成为硅酸溶胶，后凝聚 成为不可逆的硅酸凝胶，使型壳具有常温强度。 ≡Si—O H +HO—Si≡ ? ≡Si—O—Si≡ + H2O 水解同时产生有NaCl和NH3产生。其中NaCl当用热水脱模后并 经800℃以上高温培烧去除。NH3则污染空气，恶化环境，这是 NH4Cl水溶液作硬化剂存在的主要问题。 （2） 熔模铸造用水玻璃粘结剂的性能指标 配制熔模铸造涂料所用的水玻璃其 模数 M=3.0-3.6, 密度ρ =1.29-1.31g/cm3 ( 砂型铸 造所用 的水玻 璃其模 数M=2.3-2.8, 密度 ρ =1.32-1.6g/cm3) 对熔模铸造而言，市售水玻璃需要进行提高模数、 降低密度的处理（提高模数加入NH4Cl、HCl。降低 密度加入水。） （3）水玻璃粘结剂的处理工艺 先将称好的水玻璃放在搅拌器中，将 NH4Cl或HCl和水配成溶 液逐渐加入水玻璃中并不断搅拌。此时会析出白色凝胶物，它 是硅酸胶体和氯化钠的混合物。酸性溶液全部加完后，继续搅 拌半小时左右，白色胶状物迅速溶解。处理后的水玻璃静置一 段时间即可配置涂料。为提高水玻璃涂料的涂挂性，可向涂料 中加入0.05%非离子型或阳离子型表面活性剂,如农乳130# 水玻璃 + NH Cl(或HCl)水溶液 → 搅拌(析出白色胶状物)→ 4 水溶液加完后继续搅拌30分左右→至白色胶状物消失→静置→ 配制涂料. （4） 水玻璃作为型壳粘结剂的特点: 总而言之,比硅酸乙酯、硅溶胶所制型壳性能差。 优点：（1）来源广，价格廉。 缺点：（1）与蜡模润湿性差 （2）黏度大 （3）含Na2O →型壳高温强度低 →抗变形能力低→铸件精度低 涂料粉液比低 涂层致密性降低 铸件表面不光 Na O + SiO 2 2 （高温） Na2O·2SiO2（共晶物 熔点793℃） Na2O·2SiO2共晶物 在熔点793℃时出现液相，并使型壳软化变 形，因此，水玻璃作粘结剂的型壳所浇铸件尺寸精度、表面光洁 度都较差，用于一些要求不高的碳素钢件和有色金属铸件，对减 少机械加工和节约金属材料有利。 3.3.4 新型快干硅溶胶 概况 水基硅溶胶是一种绿色环保的粘结剂，在越来越重视环保 的今天，应大力加以推广。但普通硅溶胶型壳湿强度低，制壳周期 长已成为其推广使用中的主要问题。开发增强快干硅溶胶一直是各 国研究的课题。20世纪90年代研制成功的快干硅溶胶Ludox＠SK系 列，制型壳时每制一层其干燥时间，即层间干燥时间仅1h，性能与 硅酸乙酯水解液粘结剂相当，于1997年已用于Rolls Royce大 量生产中。又如Remasol ADBOND系列，2001年推出的AD－BOND＠ 3301制壳时每制一层，层间干燥时间也可达到1～2h，也已用于生 产。 国内在20世纪90年代中期清华大学和宇达化工合作开 发FS－Ⅰ快干硅溶胶，通过部级鉴定并用于生产。近年来又研制出 FS－Ⅱ型和FS－ Ⅲ两种快干硅溶胶，通过省级鉴定，FS－Ⅲ在性 能上已接近Ludox＠SK系列快干硅溶胶。 4．制壳工艺 型壳的质量与铸件的质量密切相关，因此制壳工艺也是熔模铸造 的关键一环。 制壳工艺包括： 除油和脱脂→在模组上涂挂涂料→撒砂→型壳的干燥和硬化 5-7次 →熔失熔模→培烧 4．1 模组的除油和脱脂 在采用蜡基模料和以水为溶 剂的粘结剂时，为提高涂料润湿模 组表面的能力，需要将模组表面的 油污去除掉。即在涂挂涂料之前， 先将模浸泡在中性肥皂片或表面活 性剂的水溶液中。 表面活性剂一端的亲水活性基 团易与涂料吸附，另一端的疏水 （亲油）基团易吸附在模组上. 4．2 涂挂涂料和撒砂 （1）涂挂涂料:先将涂料搅拌均匀，调整好涂料的黏度、比重。 若型壳上有小孔、槽，则内层涂料黏度、比重应小些，以使涂料能 很好地充填这些小孔、槽。 涂挂涂料时模组在涂料中上下左右晃动，使涂料能很好地润湿 模组，并均匀覆盖在模表面。不应有涂料局部堆积和缺料现象。且 不包裹气泡。 （2）撒砂 ? 撤砂的目的 1)迅速增厚型壳。 2）分散型壳在以后的干燥硬化中可能产生的应力 3）使外层表面粗糙，使下一层涂料与前一层很好的结合。 ?撒砂注意事项: 1)撒砂种类:应与该层涂料用耐火粉料一致，有相同的热膨 胀系数，以加强撒砂与涂层结合力。做一般钢件，如不锈钢、碳 钢件，面层用锆砂，背层用高岭石熟料。 2)不论用哪种砂子，都要严格控制其中的含水量，一般质 量分数均应小于0.3％。因为砂子湿度大极易产生浮砂堆积而导 致型壳分层。 3)砂子粒度也要合理选择，通常从面层到背层粒度逐渐加租。 面层撒砂不能过粗，否则会穿透涂层造成铸件表面凹凸不平，但 撒砂过细又不利于形成较粗糙的背层，不利于同下层牢固结合， 容易造成型壳分层。如用锆砂时面层撒砂应为100／120目。撒砂 逐渐变粗，过渡层撒30／60目、背层撒16／30目的高岭石熟料。 4）每次撒砂的粒度分布都不宜过于集中，这样才能使砂粒相 互镶嵌，提高型壳的致密度。 5)要严格限制砂中的粉尘含量，其质量分数应小于0.3％。 因为粉尘覆盖在涂料上就不易挂上砂粒。 ?撒砂方法: 1) 雨淋式:砂如雨点式撒在挂有涂料的模组上,模组不断旋转. 2) 流态式:砂存放于沸腾床中,底部送入压缩空气,将沸腾床上部 砂层均匀吹起,撒砂时只需将涂有涂料的模组往流态化的砂层中浸 一下,耐火材料就能均匀地粘在涂料表面。 图1-14 雨淋式撒砂机 4.3 型壳的干燥和硬化 每涂覆一层型壳之后，就要让它干燥、硬化，使涂料中的粘结 剂溶胶向冻胶、凝胶转变，把耐火材料连接在一起，根据所用的粘 结剂的不同，所用干燥、硬化方法也不同。 4.3.1 硅酸乙酯型壳的干燥和硬化 硅酸乙酯在干燥硬化时主要发生以下物理化学变化： （1） 涂料中溶剂（酒精或丙酮）的挥发： 挥发速度与溶剂分压有关，与湿度无关。 （2） 水解液的凝胶 型壳在干燥硬化时，硅酸乙酯水解液残留的不完全水解物会吸 收型壳中的水分继续水解，同时硅酸溶胶会在氨气的作用下进行凝 胶。因此 ，工业上使型壳在潮湿的氨气中硬化。 ?每制一层型壳需要五道工序： 上涂料 →撒砂 → 自干（或空气干燥）→ 氨干 → 去味 （强制通风柜中抽风除氨 ） 注意事项： 1）硬化时溶剂的挥发应比粘结剂的胶凝快，这时溶剂挥发产生 胶体收缩时，胶体尚处于弹、塑性状态，胶膜不易开裂。如果次序 相反，粘结剂固化后溶剂继续挥发，会出现脆性胶体的收缩，胶膜 易于开裂，型壳强度下降。为防止这一现象产生，通常将溶剂挥发 与胶体胶凝两个过程分开。 2）每层型壳硬化后须将氨气散发干净，再挂下一层。 3）有时为提高强度可在涂挂全部结束后，将带型壳的模组浸泡 在含SiO2较多的水解液中超过5分钟，使水解液渗入型壳中，而后在 风干、氨干过程中使粘结不好的耐火材料颗粒得到补充粘结。 4.3.2 硅溶胶型壳的干燥和硬化 硅溶胶中的溶剂是水和酒精，故硅溶胶的硬化过程主要是脱 水和酒精的挥发干燥过程。与此同时胶体进行凝聚。 将型壳放在温度较高的（25-35℃）的干燥空气中进行干燥 每层型壳的干燥时间约为2h，后一层涂料挂完后，型壳要自然 干燥一昼夜才能脱模。 （庆堂每层型壳的干燥时间约为8h，后一层涂料挂完后，型 壳要自然干燥一昼夜） 硅溶胶型壳的干燥和硬化 = 干燥的空气（25-35℃）中干燥硬化 4.3.3 水玻璃型壳的干燥和硬化 水玻璃型壳的干燥和硬化也是溶剂（水）的挥发和胶体的凝 聚过程。但水玻璃的脱水过程非常缓慢，而其硬化则由于电解质 的作用进行得很快。目前用的较多的硬化剂是NH4Cl、聚合AlCl3 结晶AlCl 。 3 硬化过程： （1）将型壳先放在空气中干燥一段时间（数分钟至一小时）。 其作用是去除模组表面和涂料层之间的水分、提高涂层中水玻璃 的浓度，减少型壳裂纹，改善型壳内表面质量。 （2）浸在浓度为25%左右的NH4Cl溶液中，此时发生反应 Na2O·mSiO2 + nH2O + 2NH4Cl≒ 2NaCl + mSiO2（n-1）H2O + → NH3↑+H2 析出的硅胶很快凝聚，使型壳硬化。 水玻璃型壳的干燥和硬化： 空气中干燥 浸在NH4Cl水溶液（ 25%左右）中干燥硬化 注 意： 当型壳一浸入NH4Cl溶液中，在涂料层外表面上很快形成坚 硬的胶膜，影响NH4Cl溶液向型壳内层渗透。为加速NH4Cl溶液 向内层渗透，可在NH4Cl溶液中加入非离子型表面活性剂，可 使型壳的硬化时间由原来的15-20分缩短至2-3分钟。 图1-20 脉动式制壳机 4.4 脱模 型壳完全硬化后，需将型壳中的蜡模熔去，因模常为 蜡基模料制成，所以此工序称为脱蜡。根据加热方法不同， 有很多脱蜡方法，用的较多的方法有热水法和蒸汽法。 4.4.1 热水法 此方法适合于蜡基模料和水玻璃型壳。 用80-90℃的热水脱模。脱模时浇口杯朝上，使密度 小于水的蜡料易于上浮。 水 玻 璃 粘 结 壳 脱 蜡 时 热 水 中 通 常 加 入 少 量 NH4Cl 或 H3BO4，使型壳得到进一步硬化，且可除去型壳中残留的 Na2O和NaCl，提高型壳质量。（整个脱蜡过程在20-30分 钟内完成） 4）空气干燥及氨气硬化配合适当才能获得较高强度的型壳 并缩短制壳周期。 未经空气干燥而直接氨气固化的型壳，由于随后溶剂的挥 发使得涂层开裂，而强度较低。 如仅采用空气干燥固化，如每层干燥8～10h以上，型壳强 度，但生产效率低。 而将空气干燥与氨气硬化相结合就能获得较高强度的型壳， 其制壳周期也大为缩短。 硅酸硅酸乙酯型壳干燥硬化 空气中干燥硬化 潮湿的氨气中干燥硬化 特点 （1）简单易行，蜡料回收率高。 （2）若模组各部分厚薄不匀，或浇口杯厚大时，会 使先期熔化的模料难于排除，使型壳膨胀或破裂。 4.4.2 蒸汽法 用松香基模料制成的模组及采用硅酸乙酯水解液或硅溶 胶作粘结剂制壳时普遍采用蒸汽脱模。 将模组浇口杯朝下放在高压釜中，通入2-5个大气压的高 压蒸汽。模料受热熔失。 特点： （1）效率高（整个脱蜡过程在6-10分钟内完成），可提 高型壳强度。 （2）浇口杯直接受高压蒸汽作用，浇口处熔化快，型壳 膨胀可能性小 4.4.3 其它脱蜡方法 目前国外已经研究成功微波脱蜡、高温闪燃法脱蜡和预 熔法脱蜡。 4.5 型壳的培烧 脱模后，型壳在空气中经一段时间的自然干燥，在浇注 液体金属之前需将型壳经高温培烧。 目的： （1）去除型壳中的水分、残留模料、NH4Cl及盐分。避免 浇注时产生气孔、浇不足或恶化铸件表面等缺陷。 （2）进一步提高型壳强度 （3）提高金属的成型性。 普通型壳-装箱填砂培烧 高强型壳-直接装炉培烧。 硅酸乙酯、硅溶胶型壳-950℃，1-2h 水玻璃型壳-800-850℃，1-2h 型壳培烧后即可出炉浇注 5 熔模铸造型芯 一般情况下熔模铸造的内 腔是与外形一道通过涂挂涂料、 撤砂等工序形成的，不用专制 型芯。但当铸件内腔过于窄小 或形状复杂，常规的涂挂涂料、 撒砂等工序根本无法实施，或 内腔型壳无法干燥硬化时，就 必须使用预制的型芯来形成铸 件内腔。这些型芯要等铸件铸 成后再设法去除。 例如航空发动机空心涡轮 叶片，叶片的冷却通道迂回曲 折，形若迷宫，就必须采用陶 瓷型芯。图5－1是一些典型的 陶瓷型芯。 5.1 陶瓷型芯 陶瓷型芯是用粉状耐火材料(石英法粉或刚玉粉)和作为增剂 的蜡料(石蜡或蜂蜡等)以及一些其它其它附加物混成浆料物质, 在金属型中压制成型,后经高温烧结而成的陶瓷质型芯。 制熔模时，把陶瓷 型芯放在相应的位 置上，使陶瓷型芯 组成熔模上的小孔 洞，留在熔模中， 并露出型芯的芯头 部分。制壳时，陶 瓷型芯便借助芯头 与型壳组成一体， 成为型壳的一部分， 用它来形成铸件的 复杂内腔。 例如：铸件上的细长孔 直径在0.5-1mm 长30-60mm的 孔常可用石英玻璃管代替陶瓷型芯. 采用陶瓷型芯在熔模铸件上可铸出非常复杂的内腔,虽 然工艺复杂,但在一些重要零件的生产中,如航空发动机空 心涡轮叶片方面起了重要作用.( 叶片的冷却通道迂回曲折, 形若迷宫,必须采用陶瓷型芯铸造) 5.2 易溶型芯 若熔模的内腔是弯曲不平的,无法由压型压出,(无法 拔模)，而是采用易溶型芯预先安放在压型内，压制时与蜡 模压成一体，取出蜡模后放于冷水中溶去，使熔模上形成 弯曲的内腔（然后内腔挂砂）常用材料为尿素（熔点130133℃）例如耐酸泵叶轮用此工艺。 5.3 其它型芯 （1）水玻璃型芯 （2）树脂型芯 （3）树脂砂替换拈结剂型芯 这是近年来国外提出来的一种低成本型芯。它是将传统的 树脂砂芯渗人一种“替换粘结剂”，干后就作为熔模铸造型芯 使用。这种型芯与陶瓷型芯相比，成本低，工艺简便，浇注后 型壳溃散性好，脱芯容易。很适合用于汽车行业和商业机械等 行业的价位不高的熔模铸件。图5－14替换粘结剂应用的一些 实例。 第四节 熔模铸造的浇注与清理 1.熔模铸造的浇注 1．1 热型重力浇注 这是目前使用广泛的一种浇注形式，即型壳从培烧炉中 取出后，立即在高温进行自由浇注。 优 点：流动性好，轮廓清晰，尺寸精度高。 缺 点：（1）晶粒粗大，机械性能低 （2）铸件表面脱碳、氧化 热型浇注碳钢时，冷却较慢，铸件表面易脱碳、氧化，从 而降低了铸件表面的硬度、光洁度、和尺寸精度。 改善措施： （1）细化晶粒 ※ 表面孕育的方法 如生产镍基、铁基合金时，较普遍的使 用混有表面孕育剂的涂料作为面层涂料制造型壳，浇入型壳中的金 属液在凝固时与型壳面层中的表面孕育剂（铝酸钴）作用，使铸件 晶粒变细。 ※ 加速冷却也可在一定程度上细化晶粒。 （2）控制浇注气氛为还原性 盖罩法:简单的方法是将刚浇注完的型壳用罩盖住，并向罩内 滴煤油。煤油在高温下分解为活性炭和氢，使罩内气氛呈还原性， 防止铸件表面脱碳、氧化 加还原物质:造型浇注时，可在填砂中加一些碳质物质，如： 石墨、无烟煤、沥青等，可使铸件在还原气氛中凝固。防止脱炭、 氧化。 1.2 真空吸铸 将型壳（如图所示）放在真空浇 注箱中，浇口向下，下降吸铸室， 使直浇口浸在液体金属中，同时抽 真空，利用型壳本身具有一定透气 性的特点，通过型壳中微小的孔隙 吸走型腔中的气体，并将金属吸入 型腔，完成充型过程。 精铸中工艺复杂、机械性能低、 成本高三大缺点中后两点可以在此 得到缓解。因为用真空吸铸代替了 热浇，另外计算好凝固时间，件凝 但浇注系统未凝时停止负压，使浇 注系统中的液体金属流回到熔池中， 提高了金属的收得率，降低了成本。 图1-21 真空吸气浇注装置 示意图 抽 真 空 真空吸铸过程示意图 线）在一定真空度下充型和凝固，改善充填条件，可复制 复杂薄壁铸件。 （2）充型平稳，可避免卷入气体和熔渣。 （3）可以降低浇注温度，节省能源。晶粒细、组织致密、 性能提高。 （4）直浇口向下，未凝金属回流，提高金属利用率，降低 成本。 线）要求型壳有更高的强度和透气性。 （2）加压停压时间难以控制。 （3）对耐火材料要求高（型壳吸铸口处长时间被熔融金属 浸泡） 1.3定向凝固 一些溶模铸件，如涡轮机叶片、 磁钢片等，如果结晶组织是按一定 方向排列的柱状晶，它们的工作性 能将有很大提高（蠕变和抗疲劳性 能明显提高，工作温度和寿命都得 到提高）。 如图，浇注前，先将型壳放在感应 加热的石墨套筒中的水冷底版上，， 先加热型壳，使其温度高于合金的 熔点，然后向型壳内浇入金属，通 过铜底版内的循环水，带走结晶时 放出的热量，晶体依温度梯度，按 垂直于铜板的方向向上生长。与此 同时，自下向上依次切断感应线圈 电源，使结晶前沿保持一定的温度 梯度，保证柱状晶顺利发展。 图⒈22 定向结晶示意图 l一石墨套 2一感应圈 3一型壳 4—水冷铜底版 1.4 压力下结晶 压力下结晶是将形壳放在压力罐内，当浇注完毕后，即封闭压 力罐，并向其中通入高压气体（惰性气体），使铸件在压力下凝 固，提高铸件的致密性。目前国外所用压力达15.2Mpa 1.5 细晶铸造 细晶铸造技术的实质就是控制铸件凝固时形核和晶粒长大的条 件，使铸件获得相当或接近于锻件的细小晶粒（0.1～0.5mm）组 织，从而提高铸件的抗疲劳性能，特别是低于760℃温度下低周 疲劳性能。并减小力学性能的分散性，使铸件的可靠性提高。普 通铸造和细晶铸造IN713C合金整铸涡轮晶粒度的对比如图7－25 所示，疲劳寿命及疲劳试验结果重现性（标准差）的对比见表7 －5。 1，细晶铸造常用的方法: 熔模铸件中需要采用细晶铸造 的并不只是整体铸造涡轮，还有其它许多场合，例如某些导向 和涡轮叶片等，所以细晶铸造也有多种方法。 熔模铸造高温合金细晶铸造常用的方法有化学法（含表面 孕育法和整体孕育法）、热控制法、动力学法（含代动力 学 法 Grainex 法 —— 机 械 搅 动 法 和 第 二 代 动 力 学 法 —— Microcast法，简称Mx法）。这些方法的基本原理及应用见表7 －6。 1.6 定向凝固加细晶铸造（DS／GX法） 1一合金液 2一铸型 3一型腔 4一水冷铜结晶器 5一冷却水管 ‘一隔热挡板 7一加热器 8一结晶起始块 p一振动器 20世纪90年代以 来，在美国宇航 工业技术发展计 划安排下，由 NASA（美国国家 航空航天局）发 起开展用于小型 航空发动机的更 先进的整铸涡轮 的研究。目标是 在保证轮毂部分 保持较好的低周 疲劳性能的前提 下，使叶片具有 更高的抗蠕变断 裂性能。 美国Howmet和英国Rol1s Royce Allison合作，论证了一种 能同时满足上述二方面性能要求的新的铸造工艺方法，称之 为DS／GX法，即所得铸件的叶片是定向柱晶，而轮缘和轮毂 是细等轴晶，铸后再辅以热等静压和其它热处理，使涡轮整 体综合性能显著改善。 为了获得这种在同一个铸件上具有双重组织和性能的整铸 涡轮，曾经进行过许多尝试和努力，但大多收效甚微。其原 因主要是实际生产中控制从叶片部位定向柱晶适时地转变为 等轴细晶十分困难。过程的再现性很差。 后采用将计算机模拟技术和铸造实际试验相结合的方 法大大缩短了DS／GX新工艺开发的时间并节省了费用。 1.试验装置（图7－26） 操作时先将隔热挡板6打开，启 动加热器7，将铸型2加热到预定温度，然后将合金液1浇 人铸型型腔3。与水冷铜结晶器4接触的合金液首先凝固， 形成许多任意取向的细小等轴晶粒。随后，合金的结晶进 人受控阶段。此时，先令隔热挡板6缓慢闭合，并将加热 器7外围的加热元件断电，同时调节结晶器4内的冷却水 流，使之与轮盘之间形成有效的径向温度梯度。铸造合全 凝固时产生的热量不断通过结晶器冷却水管5中的水流导 出，晶体便通过结晶起始块8向轮盘中心定向生长，从而 得到定向柱晶叶片。当凝固前沿到达轮毂部分时，关闭加 热器电源，将隔热挡板完全打开，并开动振动器9，使轮 盘部分快速结晶，形成细小的等轴晶组织。于是铸成叶片 部分为定向柱晶，而轮毂部分为细小等轴晶的整体涡轮。 从铸件相应部位切取试棒测定力学性能，试验项目包括 高温拉伸、应力断裂、低周疲劳、疲劳裂纹扩展速率等。 结果表明叶片部分高温断裂性能比单纯细晶铸造（GX法） 有较大改善， 从总体看达到了预期研究目标。 2 熔摸铸件的清理 清理的内容包括：（1）从铸件上清除型壳， （2）从铸件上切除浇冒口 （3）去除铸件上所粘附的型壳耐火材料。 （4）铸件热处理后的清理。如去氧化皮等。 在熔模铸造中，第2、4项外，其余都有自己的特点。 2．1从铸件上清除型壳 （1）锤击法：少量生产时，用锤击 浇冒口系统，产生震动，使型壳脱落。 （2） 震击式脱壳机脱壳：产量较大 时，用震击式脱壳机脱壳。 优点：效率高。 缺点：噪音灰尘大，清理后，铸件仍残 留一些耐火材料。 图⒈23 震击式脱壳机 1一气缸 2一弹簧 3一导柱 4一风锤 5一铸件组 （3）电液压清理：它利用水中电极与铸件间的高压放电而 产生的冲击波和冲击压力进行清理。 优点： 铸件清理干净、工作 时无灰尘 缺点： 噪音大，还能放出有 害气体（NO、 NO2）和 有害辐射。 图1-24 电液压清理装置示意图 2．2铸件表面清理 残留在铸件表面上，尤其是内腔、深槽及盲孔等部位的耐火 材料，需要进一步清除干净。 清理方法包括： （1） 机械清理：滚筒、喷丸或喷砂（铸件表面被硬化） （2） 化学清理： 1）碱煮清理：将带有残留石英砂的铸件放在苛性钠（浓度 20-30%）或苛性钾（浓度40-50%）的溶液中，加热煮沸，发生如 下化学反应： 2NaOH + SiO2= Na2SiO3 +H2O 2KOH + SiO2= K2SiO3 +H2O 生成的硅酸钠和硅酸钾是一种粘稠状液体，可以用热水冲洗 干净（此方法不能用于铝合金铸件，以免腐蚀）。还可将铸件置 于滚筒一起浸入碱液中，边转动边清洗。 2）碱爆清理：清除深孔、槽中的残砂效果好。 A． 碱煮：浓度为90-95%的苛性钠加热至500-520℃的熔融 状态，将装着铸件的吊筐浸入其中，加热25-60min B．水爆：将加热的铸件移至水槽中进行水爆，然后置于70- 90℃的热水中清洗。 3）电化学清理： 将铸件放在处理溶液中，通以直流电，通过化学反应和电解还 原将粘砂层清理干净。 处理溶液：NaOH（85-90%）+NaCl（10-15%）（-500℃）。 粘砂层与NaOH反应生成Na2SiO3。通入3-6V直流电，粘砂层接 阴极，钠离子在其上面得到电子而还原为金属钠，它有很强的还 原性，能把铸件表面和内腔的氧化物还原干净。
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