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离心铸造_而其余部分用砂套 或金属套代替



  6.1.1 定义:陶瓷型铸造是以硅酸乙酯为 粘结剂,与耐火材料、催化剂和一些附 加物混合搅拌成浆料,然后将浆料灌注 成铸砂,在催化剂的作用下,液态的浆 料逐渐发生胶凝、固化,再经过焙烧 终形成陶瓷型的铸型(芯)的一种精密 铸造成形方法。

  用陶瓷浆料制成铸型生产铸件的铸造方法, 陶瓷型铸造是在砂型熔模铸造的基础上发展起来

  性较高的耐火材料作造型材料;用硅酸乙酯水解 液作粘结剂,在催化剂的作用下,经灌浆、结胶、 起模、焙烧等工序而制成的。由于使用的耐火材 料成分及其外观都与陶瓷相似,故称为陶瓷型。

  • 陶瓷型的制造方法可分为两大类:一类是全部采用 陶瓷浆料制造铸型法;另一类就是采用底套(相当 于砂型的背砂层)表面再灌陶瓷浆料以制陶瓷型的 方法。底套又分砂套和金属底套两种; • 小型陶瓷型铸件,常采用全部以陶瓷浆料制造 的陶瓷型,其造型过程如下所示。 1、首先将模型固定于模板上 2、再套上砂箱 3、然后将预先调好的陶瓷浆料倒入砂箱 4、将上表面刮平,等待结胶硬化 5、待浆料一旦出现弹性即可进行起模

  •另一类就是带底套的陶瓷型。生产中常采用 带底套的复会铸型,即与液体金属直接接触 的面层,灌注陶瓷浆料,而其余部分用砂套 或金属套代替。

  • 目前生产上应用广泛的是CO2水玻 璃砂底套陶瓷型。CO2水玻璃套有强 度高,透气性好制作简便道优点。其 特殊之处,在于事先要准两个模型, 一个用于灌陶瓷浆料的铸件模(A模), 另一个用于制造底套(B模)其尺寸较 (A 模)大.

  • 陶瓷型铸件表面粗糙度可达Ra10~1.25微 米,尺寸精度高达3~5级,能达到少无切削加 工的目的。陶瓷型铸造生产周期短,金属 利用率高。铸件可达十几吨,陶瓷型 铸造模具的使用寿命可与用机械加工方法 制成的模具相媲美,而制造成本则比用机 械加工方法制成的模具低。

  1. 铸件的表面质量好:表面光洁度高; 尺寸精度高。 2. 可以铸造大型铸件。 3. 投资少,投产快,生产准周期短。 4. 原材料价格昂贵。 5. 小批量生产,难于实现机械化自动化。

  • • 陶瓷型所用的造型材料包括耐火材料、粘结剂、 催化剂、脱模剂、透气剂等。 1.耐火材料,陶瓷型所用的耐火材料要求杂 质少,熔点高和高温热膨胀系数小。可作陶瓷型的 耐火材料有刚玉粉、铝矾土、碳化硅及锆砂粉等。 2.粘结剂,陶瓷型常用的粘结剂是硅酸乙酯 水解液。 3.催化剂,陶瓷浆料所用的催化剂有氢氧化 钙、氧化镁、氢氧化钠以及氧化钙等。

  4.脱膜剂,常用的脱模剂有上光腊,变 压器油,机油、有机硅油及凡士林等。 5.透气剂,在陶瓷浆料中加入透气剂以 改善陶瓷型的透气性。常用的透气剂是双氧水, 其加入量为耐火粉料重量的0.2~0.3%。

  决定陶瓷型使用性能的主要因素是耐火 材料。因此,合理选用耐火材料是关系到陶瓷 型工艺的关键问题。选用耐火材料时需要考虑 三方面的问题;物理性能、化学成分和粒度以 及粒度的分布。表9-1列出了陶瓷型铸造常用 的耐火材料的物理性能与化学成分。

  • 陶瓷型常用的粘结剂是硅酸乙酯, 硅酸乙酯经过水解才具有粘结能力。水解 时要加水、盐酸及乙醇等化学物质。水解 后产生硅溶胶,再在催化剂的作用下,转 变成凝胶,将耐火材料牢固粘结在一起, 形成铸型。水解硅酸乙酯粘结剂,由于不 含Na2O等杂质,表面张力大和粘度小,故 粘结性能好。

  硅酸乙酯只有经过水解反应后,才能变为 硅酸胶体溶液。所谓的水解反应就是硅酸乙酯和 水及溶剂酒精,通过酸的催化作用而发生的反应, 其实质是硅酸乙酯中的乙氧基C2H5O被水中的羟 基(OH)所取代,同时发生聚缩反应。水解反应 方程式如下: (C2H5O)4Si2H2O→SiO24C2H5OH

  • (a)硅酸乙酯40 硅酸乙酯是由四氯化硅和无水 乙 醇经化学反应而制得,即

  陶瓷型铸造通常用硅酸乙酯-32(30 %~34%SiO2)和硅酸乙酯-40(38%~ 42%SiO2)。其主要物理性能见表9-2。实 验证明,在采用相同的SiO2含量条件下, 硅酸乙酯-40比硅酸乙酯-32的强度高.硅酸 乙酯的杂质含量低,耐火度高,因而实践 中硅酸乙酯-40。

  • (b)乙醇 由于硅酸乙酯与水不相溶解,但是, 两者都溶解于乙醇,所以硅酸乙酯-40的水解是在 乙醇—水的溶液中进行的。硅酸乙酯水解时要严 格控制水的加入量,计算时要考虑乙醇中的含水 量。 • (c)盐酸 为了加速硅酸乙酯水解反应过程和将 水解液的酸碱度控制在稳定性的范围内,一 般要加入盐酸,它能够与硅酸乙酯发生化学反应, 生成易水解的氯化正硅酸乙酯中间产物。 • (d)水 陶瓷型制作时一般用工业蒸馏水,由于 自来水中含有氯离子等杂质,它会使硅酸乙酯水 解液产生白色絮状物析出,而影响表层的强度。 • (e)其他附加物 为了提高陶瓷型的强度、韧性 和防止出现裂纹,水解反应中加入少量的硫酸、 醋酸、硼酸或甘油等。

  • (3)硅酸乙酯水解液的配料计算 • 为使硅酸乙酯水解液具有稳定性好、成壳 强度高和合适的硬化速度等特性,水解液需有合 适的成分含量,其中主要的是加水量的计算。加 水量应使水解后硅酸乙酯中的H2O和SiO2的有适 当的摩尔比,一般控制在0.25~0.75之间。溶剂 的加入量直接影响到水解液中的SiO2含量,水解 液中SiO2的含量应控制在18~22%,当SiO2的含 量在20%时,型壳的强度。水解液的pH值一 般在1~2,相应的盐酸含量约为0.036%~0.36%, 一般取0.2%。 • 根据以上原则,可计算出水解100g硅酸乙 酯所需加水量、溶剂及盐酸的用量。水解液的具 体如表9-3。

  • (4)陶瓷浆料催化剂 • 水解硅酸乙酯即硅酸胶体,其自身的胶凝 时间很长,而作为陶瓷型的粘结剂时必须缩短其 胶凝时间。因此应加入催化剂来加速和控制其凝 固时间。催化剂的种类很多,国外常用有机胺类, 国内常用Ca(OH)2或MgO等。 • 目前国内陶瓷型浆料常用的催化剂为分析 纯的粉末状氢氧化钙,应保存在密封的玻璃容器 中,以防止吸潮而失去作用。在生产大件时,由 于浆料过多,为了使催化剂搅拌均匀便于灌浆, 结胶时间控制在8~l0min左右,而一般的小件结胶 时间为3~5min。

  在灌浆的过程中,由于液体陶瓷浆料极容 易黏附在母模的表面,造成分型困难,破坏陶瓷 型的完整性和表面质量,所以在母模表面要涂一

  • • 1.耐火材料的选择 在铸造尺寸和光洁度要求高的合金钢锻模、 压铸型、玻璃器皿模具时,应采用耐高温的、 热稳定性好的刚玉粉、钻砂粉或碳化硅作为陶 瓷型浆料的耐火材料。对于铸铁件或铝铸件可 采用价格较便宜的铝矾土或石英粉作为耐火材 料,并正确选择耐火材料的粒度组成。

  2.浆料的配制与灌浆 耐火材料与硅酸乙醇水解液的配比要适 当,不同耐火材料所需水解液的比例也不同。 开始结胶的时间与灌浆的时间对陶瓷型质量 有很大的影响。催化剂含量和室温对结胶时 间也有影响。灌浆过迟过早都不好。开始结 胶的时间可通过预配小样测定。

  灌浆时,浆料倒入速度不应过快,以防 卷入空气,边灌浆边振动,以排除浆料 中的气体。

  • 灌浆后的陶瓷型经结胶,固化等阶段。但 在结胶开始后尚不能立即起模,一般在结胶 后5~15min,待陶瓷层消有弹性时,起模效 果。起模时先将浇注系统、通气棒取出, 然后垂直取出母模(不可敲动),起模后应 立即进行点火喷烧,否则易产生裂纹。

  • 起模后应立刻点火并吹压缩空气进行喷 烧,而使陶瓷型的表面有一定的强度和硬度。

  • 焙烧的目的是使陶瓷型内残存的乙醇、 水分和少量的有机物烧去,并使陶瓷层的 强度增加。

  全部由陶瓷浆料灌制的陶瓷型,焙烧 温度可高达800℃,焙烧时间2~3h,出炉温 度应在250℃以下,以防止产生裂纹。

  • 陶瓷型浇注时一定要注意挡渣。浇注 温度与浇注速度可比同类型的砂型铸件稍 高。陶瓷型铸件待冷却至室温时再打 箱,这样可防止铸件裂纹与变形。

  • (1)陶瓷型浆料的配制 • 陶瓷型浆料是由耐火材料、粘结剂 和催化剂等组成的。对耐火材料的要求是: 耐火度高、线胀系数小、热化学稳定性好, 资源丰富和价廉无毒等。目前能用的耐火 材料品种繁多,选用时可根据合金的种类、 铸件的大小和要求选择。对于尺寸精度高 的合金钢热锻模和玻璃模,可选用耐火度 高、而稳定性好的刚玉、锆砂粉或碳化硅 作为耐火材料.对于铸铁件和铸铝件,可采 用廉价的铝矾土或硅石粉作为耐火材料。

  耐火材料粒度分布中的细粉数量,直接决 定了陶瓷铸型和铸件的表面质量。为了获得光洁 的铸件表面,必须使用一定量的细粉。但是细粉 的数量如果用得太多就会影响浆料的流动性。特 别是细粉量占到60%时陶瓷型的透气性接近为零, 而且铸型还容易产生裂纹。在具体的应用中小件 和表面质量要求高的铸件一般细粉多一些,但是 也不能超过60%;较大的铸件,粗料可以相对多 一些。 • 陶瓷浆料中硅酸乙酯水解液的加入量,主 要取决于所用耐火材料的种类和水解液的黏度。 一般的原则是:在保证浆料足够流动性的前提下, 粘结剂的加入量越少越好。

  • (2)陶瓷型的灌浆 • 正确地控制浆料的流动性和准确地 把握结胶时间,是成功完成灌浆工序、制 得陶瓷型的关键。浇灌太早,容易冲走母 模表面的分型剂,引起粘膜;同时浆料中 耐火材料易沉淀,使铸型产生裂纹;浇灌 太迟,浆料流动性差,铸型内腔轮廓不清 晰。 • 主要的工艺过程是:按比例将耐火 材料逐步加入水解液中混合均匀,然后根 据浆料的流动性或者说是搅拌过程中的阻 力情况加入催化剂。

  根据铸件的大小和经验及时地进行灌浆,在 准浆料和灌浆时要注意如下几点:

  • (a) 在保证浆料具有一定的流动性和充型能力的 前提下,尽量增加浆料中固体的含量,以增加浆料 的稠度;

  • (c) 严格遵守加料次序,即耐火材料往水解液中 边加边搅动,直至混合均匀后加入催化剂:由于催 化剂的加入量少,更应该注意它在浆料中的均匀性。

  国内现在还没有连续测定浆料粘度和 正确决定灌浆时间的检测法,一般是凭经 验确定灌浆时间,即当耐火材料已经没有 沉淀现象,浆料粘度突然发生变化,这时 就该立刻浇灌。浆料的结胶时间(或称灌 浆时间)应根据零件的大小来决定。在严 格控制其他条件的前提下,结胶时间可通 过调整催化剂的加入量来实现,小件一般 控制在4~6mim中、大件可控制在8~15min。

  • (3)陶瓷型的起模 • 陶瓷浆料从灌浆到起模这段时间,一般称 作硬化时间,这段时间陶瓷浆料将经过五种状态: 液态,黏稠态、稠塑性态、弹塑性态和弹性状态 等。这五种状态可分为两个阶段:陶瓷结构形成 阶段(浆料从催化剂加入到稠塑性状态)和强度 增长阶段(即从稠塑性状态到弹性状态)。如果 起模太早,陶瓷型会出现大量的裂纹而报废。一 般认为,起模时间在它刚处于弹性状态,陶 瓷浆料开始脱液收缩之前。起模时间太迟,浆料 开始脱液收缩,铸型的精度会受影响。因此,一 般认为,为了防止铸型产生裂纹,起模时间可延 长一些,处于弹性状态的后期。陶瓷型需要 的起模力较大,用手工很困难,故在生产中常用 机械起模。

  起模后铸型暴露在空气中,由于乙醇 快速挥发,铸型的表面会产生大量的龟裂。过

  • 在生产实践中,一般采用两种方法: 慢速的水浴法和快速的喷烧法。慢速的水 浴法可使溶剂均匀的从铸型的各个表面缓 慢地除去,制得的陶瓷型尺寸精度高,收 缩小,适用于小件的整体陶瓷型。由于排 除溶剂较慢,还需要缓慢烘干,再排除水 分,所以此法的应用并不广泛。

  快速喷烧是在起模后立即喷烧,可 使浆料中大量的有机溶剂来不及挥发就被 快速烧掉,从而把陶瓷型的尺寸固定。随 着溶剂的烧掉和热的综合利用,迅速提高 了铸型表面的强度,使整个铸型的收缩减 小,铸型的尺寸精度高。在喷烧过程中, 对于形状复杂,空气难以进入的型腔部分, 为了避免燃烧不充分而产生收缩裂纹,应 吹入压缩空气助燃。

  经过喷烧后,有机溶剂的80%~90% 可以去掉,残留部分经过焙烧可以完全挥发掉。

  所以,喷烧过的陶瓷型一定要经过焙烧。但是, 焙烧会使铸型的尺寸膨胀,温度越高膨胀就越 大。陶瓷型放入高温炉里焙烧时,型腔的工作 面要向上平放,切忌型腔面侧立或向下倒放。 同时,砂底套也应该放在一块平板上,以防止 变形影响铸型的尺寸。

  • (5) 浇注与清理 浇注一定要挡渣。浇注温度和浇注速度略 高于砂型铸造。 冷却至室温再开箱,以防止铸件裂纹与变 形。

  • 如前所述如将整个铸型做为陶瓷型 称为整体陶瓷型,实际应用中很不经济, 且因陶瓷型的透气性小,型壁太厚喷烧时 容易变形,故生产中广泛使用复合陶瓷型。 复合陶瓷型工艺,即仅在型腔表面灌注一 层陶瓷浆料,背面则用其它砂型如水玻璃 砂型或金属型套等。各种复合陶瓷型铸造 工艺过程如图9-2、图9-3所示。

  按常规,硅酸乙酯水解需要加入乙醇,水解液存放 12h以后,才能进行制浆。无醇陶瓷型工艺,是指在硅酸 乙酯的水解过程中不需要加入乙醇,直接将耐火材料与硅 酸乙酯,水盐酸和促凝剂混合在一起,充分搅拌。在搅拌 过程中硅酸乙酯与耐火材料相互接触产生机械摩擦,并且 在盐酸的催化作用下,进行缓慢水解。部分水解的硅酸胶 体在促凝剂的作用下,将进行逐步胶凝,即经过一段时间 的搅拌,把机械式水解和陶瓷灌浆结合在一体,完成水解 灌浆工艺。它的优点是:陶瓷型强度较高;简化了水解工 艺;避免了水解液的配制误差而造成的浪费,适合于单件 生产。它的缺点是:搅拌时间较长;由于盐酸较多(5 %~7%)有较强烈的气味,劳动条件较差,对复杂的铸 件成形性较差、透气性差。

  • 陶瓷铸造已成为铸造大型厚壁、精 密铸件的主要方法。如铸造冲模、 锻模、玻璃器皿模、压锻模和板模 等,可以大大节约加工工时,也可 用于生产中型精密铸钢件。
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