熔模鑄造綜述

1 熔模鑄造熔模鑄造綜述綜述 摘要摘要 熔模鑄造是在可熔模樣的表面涂覆多層耐火材料，待其硬化干燥后，加熱將其中模樣熔去，而獲得具有與模樣形狀相應(yīng)空腔的型殼，再經(jīng)過焙燒，然后在型殼溫度很高的情況下進(jìn)行澆注，從而獲得鑄件的一種方法。 它是一種近凈成形工藝，其鑄件精密、復(fù)雜，接近零件最后形狀，可不經(jīng)加工直接使用或經(jīng)很少加工后使用。 關(guān)鍵字 熔模鑄造 失蠟法 1 1、引言：引言： 熔模鑄造又稱失蠟鑄造，通常是在蠟?zāi)１砻嫱可蠑?shù)層耐火材料，待其硬化干燥后，將其中的蠟?zāi)Ｈ廴ザ瞥尚蜌?，再?jīng)過焙燒，然后進(jìn)行澆注，而獲得鑄件的一種方法，由于獲得的鑄件具有較高的尺寸精度和表面光潔度，故又稱熔模精密鑄造 熔模鑄造的工藝過程見圖 1?？捎萌勰ｈT造法生產(chǎn)的合金種類有碳素鋼、合金鋼、耐熱合金、不銹鋼、精密合金、永磁合金、軸承合金、銅合金、鋁合金、鈦合金和球墨鑄鐵等。 熔模鑄件的形狀一般都比較復(fù)雜，鑄件上可鑄出孔的最小直徑可達(dá)0.5mm，鑄件的最小壁厚為 0.3mm。在生產(chǎn)中可將一些原來由幾個(gè)零件組合而成的部件，通過改變零件的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)成為整體零件而直接由熔模鑄造鑄出，以節(jié)省加工工時(shí)和金屬材料的消耗，使零件結(jié)構(gòu)更為合理。 熔模鑄件的重量大多為零點(diǎn)幾十牛（即幾十克到幾公斤），太重的鑄件用熔模鑄造法生產(chǎn)較為麻煩，但目前生產(chǎn)大的熔模鑄件的重量已達(dá) 800 牛左右。 熔模鑄造工藝過程較復(fù)雜，且不易控制，使用和消耗的材料較貴，故它適用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜、精度要求高、或很難進(jìn)行其它加工的小型零件，如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片等。 2 圖 1 是熔模鑄件的照片。熔模鑄造的工藝過程見圖 3。 圖 1 熔模鑄件照片 圖 2 熔模鑄件產(chǎn)品 下圖為熔模鑄造的工藝流程圖。 3 圖 3 熔模鑄造工藝過程 4 圖 4 熔模鑄造的流程圖 2 2 熔模的制造熔模的制造 熔模鑄造生產(chǎn)的第一個(gè)工序就是制造熔模，熔模是用來形成耐火型殼中型腔的模型，所以要獲得尺寸精度和表面光潔度高的鑄件，首先熔模本身就應(yīng)該具有高的尺寸精度和表面光潔度。 此外熔模本身的性能還應(yīng)盡可能使隨后的制型殼等工序簡(jiǎn)單易行。為得到上述高質(zhì)量要求的熔模，除了應(yīng)有好的壓型（壓制熔模的模具）外，還必須選擇合適的制模材料（簡(jiǎn)稱模料）和合理的制模工藝。 2.1 2.1 模料模料 制模材料的性能不單應(yīng)保證方便地制得尺寸精確和表面光潔度高，強(qiáng)度好，重量輕的熔模，它還應(yīng)為型殼的制造和獲得良好鑄件創(chuàng)造條件。模料一般用蠟料、天然樹脂和塑料（合成樹脂）配制。凡主要用蠟料配制的模料稱為蠟基模料，它們的熔點(diǎn)較低，為 60700C；凡主要用天然樹脂配制的模料稱為樹脂基模料，熔點(diǎn)稍高，約 701200C。 經(jīng)常用來配制模料的原材料的性能見表 1。 5 表 1. 常用模料原材料的性能 名稱 熔點(diǎn) (oC) 灰分 (重量) 重度 25 oC 時(shí) (牛/米2) 抗拉強(qiáng)度 (牛/米2) 延伸率 (%) 線收縮率 (%) 軟化點(diǎn) (o C) 石蠟 58-66 0.11 (8.5-8.7)X103 2.21-2.94)X105 2-2.5 0.5-0.7 約 30 硬脂酸 70-71 0.02 8.4-8.7)X103 1.72-1.96)X105 2.0-3.0 0.6-0.69 約 35 松香 89-93 0.03 8.8-10.7)X103 0.07-0.09 52-66 川蠟 80-85 0.036-0.051 9.0-9.3)X103 11.3-12.7)X105 1.6-2.2 0.8-1.2 地蠟 67-80 0.03 9.8X104 71.74X105 2.0 約 40 褐煤蠟 82-87 0.1-0.5 8.6-10.1)X103 聚乙烯 115-130 0.04-0.08 8.8-9.1)X103 118-137)X105 1-1.5 約 80 2.22.2 模料的配制及回收模料的配制及回收 1）模料的配制 配制模料的目的是將組成模料的各種原材料混合成均勻的一體，并使模料的狀態(tài)符合壓制熔模的要求。 配制時(shí)主要用加熱的方法使各種原材料熔化混合成一體，而后在冷卻情 6 況下，將模料劇烈攪拌，使模料成為糊膏狀態(tài)供壓制熔模用。有時(shí)也有將模料熔化為液體直接澆注熔模的情況。 2）模料的回收。 使用樹脂基模料時(shí)，由于對(duì)熔模的質(zhì)量要求高，大多用新材料配制模料壓制鑄件的熔模。而脫模后回收的模料，在重熔過濾后用來制作澆冒口系統(tǒng)的熔模。 使用蠟基模料時(shí)，脫模后所得的模料可以回收，再用來制造新的熔模?？墒窃谘h(huán)使用時(shí)，模料的性能會(huì)變壞，脆性增大，灰分增多，流動(dòng)性下降，收縮率增加，顏色由白變褐，這些主要與模料中硬脂酸的變質(zhì)有關(guān)。因此，為了盡可能地恢復(fù)舊模料的原有性能， 就要從舊模料中除去皂鹽， 常用的方法有鹽酸 （硫酸）處理法，活性白土處理法和電解回收法。 2.32.3 熔模和模組的制造熔模和模組的制造 1）熔模的制造 生產(chǎn)中大多采用壓力把糊狀模料壓入壓型的方法制造熔模。 壓制熔之前，需先在壓型表面涂薄層分型劑，以便從壓型中取出熔模。壓制蠟基模料時(shí)，分型劑可為機(jī)油、松節(jié)油等；壓制樹脂基模料時(shí)，常用 麻油和酒精的混合液或硅油作分型劑。分型劑層越薄越好，使熔模能更好地復(fù)制壓型的表面，提高熔模的表面光潔度。壓制熔模的方法有三種，柱塞加壓法、氣壓法和活塞加壓法。 2）熔模的組裝 熔模的組裝是把形成鑄件的熔模和形成澆冒口系統(tǒng)的熔模組合在一起，主要有兩種方法： 1.焊接法 用薄片狀的烙鐵，將熔模的連接部位熔化，使熔模焊在一起。此法較普遍。 2.機(jī)械組裝法 在大量生產(chǎn)小型熔模鑄件時(shí)， 國外已廣泛采有機(jī)械組裝法組合模組， 采用此種模組可使模組組合和效率大大提高， 工作條件也得到了改善。 3 3 型殼的制造型殼的制造 熔模鑄造的鑄型可分為實(shí)體型和多層型殼兩種，目前普遍采用的是多型殼。 7 將模組浸涂耐火涂料后，撒上料狀耐火材料，再經(jīng)干燥、硬化，如此反復(fù)多次，使耐火涂掛層達(dá)到需要的厚度為止，這樣便在模組上形成了多層型殼，通常將近其停放一段時(shí)間，使其充分硬化，然后熔失模組，便得到多層型殼。 多層殼有的需要裝箱填砂；有的則不需要，經(jīng)過焙燒后就可直接進(jìn)行澆注。 在熔失熔模時(shí)，型殼會(huì)受到體積正在增大的熔融模料的壓力；在焙燒和注時(shí)，型殼各部分會(huì)產(chǎn)生相互牽制而又不均的膨脹的收縮，因此，金屬還可能與型殼材料發(fā)生高溫化學(xué)反應(yīng)。所以對(duì)型殼便有一定的性能要求，如小的膨脹率和收縮率；高的機(jī)械強(qiáng)度、抗熱震性、而火度和高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性；型殼還應(yīng)有一定的透氣性，以便澆注時(shí)型殼內(nèi)的氣體能順利外逸。這些都與制造型殼時(shí)所采用的耐火材料、粘結(jié)劑以及工藝有關(guān)。 3.13.1 制造型殼用的材料制造型殼用的材料 制造型殼用的材料可分為兩種類型，一種是用來直接形成型殼的，如耐火材料、粘結(jié)劑等；另一類是為了獲得優(yōu)質(zhì)的型殼，簡(jiǎn)化操作、改善工藝用的材料，如熔劑、硬化劑、表面活性劑等。 1）耐火材料 目前熔模鑄造中所用的耐火材料主要為石英和剛玉，以及硅酸鋁耐火材料，如耐火粘土、鋁釩土、焦寶石等。有時(shí)也用鋯英石、鎂砂（MgO）等。 2）粘結(jié)劑 在熔模鑄造中用得最普遍的粘結(jié)劑是硅酸膠體溶液（簡(jiǎn)稱硅酸溶膠），如硅酸乙酯水解液、水玻璃和硅溶膠等。組成它們的物質(zhì)主要為硅酸（H2SiO3）和溶劑，有時(shí)也有穩(wěn)定劑，如硅溶膠中的 NaOH。 硅酸乙酯水解液是硅酸乙酯經(jīng)水解后所得的硅酸溶膠模鑄造中用得最早、最普遍的粘結(jié)劑；水玻璃殼型易變形、開裂，用它澆注的鑄件尺寸精度和表面光潔度都較差。但在我國，當(dāng)生產(chǎn)精度要求較的碳素鋼鑄件和熔點(diǎn)較低的有色合金鑄件時(shí)，水玻璃仍被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)；硅溶膠的穩(wěn)定性好，可長(zhǎng)期存放，制型殼時(shí)不需專門的硬化劑，但硅溶膠對(duì)熔模的潤濕稍差，型殼硬化過程是一個(gè)干燥過程，需時(shí)較長(zhǎng)。 8 3.2 3.2 制殼工藝制殼工藝 圖 5 制殼的工藝過程 制殼過程中的主要工序和工藝為： 1）模組的除油和脫脂 在采用蠟基模料制熔模時(shí)，為了提高涂料潤濕模組表面的能力，需將模組表面的油污去除掉。 2）在模組上涂掛涂料和撒砂 涂掛涂料以前,應(yīng)先把涂料攪拌均勻,盡可能減少涂料桶中耐火材料的沉淀,調(diào)整好涂料的粘度或比重，以使涂料能很好地充填和潤濕熔模，掛涂料時(shí),把模組浸泡在涂料中,左右上下晃動(dòng),使涂料能很好潤濕熔模，均勻覆蓋模組表面。涂料涂好后，即可進(jìn)行撒吵。 3）型殼干燥和硬化 9 每涂復(fù)好一層型殼以后，就要對(duì)它進(jìn)行干燥和硬化，使涂料中的粘結(jié)劑由溶膠向凍膠、凝膠轉(zhuǎn)變，把耐火材料連在一起。 4）自型殼中熔失熔模 型殼完全硬化后，需從型殼中熔去模組，因模組常用蠟基模料制成，所以也把此工序稱為脫蠟。根據(jù)加熱方法的不同，有很多，脫蠟方法，用得較多的是熱水法和同壓蒸汽法。 5）焙燒型殼 如需造型（填砂）澆注，在焙燒之前，先將脫模后的型殼埋箱內(nèi)的砂粒之中，再裝爐焙燒。如型殼高溫強(qiáng)度大，不需造型澆注，則可把脫模后的型殼直接送入爐內(nèi)焙燒。焙燒時(shí)逐步增加爐溫，將型殼加熱至 8000-10000C，保溫一段時(shí)間，即可進(jìn)行澆注。 4 4 熔模鑄件的澆注和清理熔模鑄件的澆注和清理 4.14.1 熔模鑄件的澆注熔模鑄件的澆注 熔模鑄造時(shí)常用的澆注方法有： 1）熱型重力澆注方法有以下幾種。 這是用得最廣泛的一種澆注形式，即型殼從焙燒爐中取出后，在高溫下進(jìn)行由澆注。此時(shí)金屬在型殼中冷卻較慢，能在流動(dòng)性較高的情況下充填鑄型，故鑄件能很好復(fù)制型腔的形狀，提高了鑄件的精度。但鑄件在熱型中的緩慢冷卻會(huì)使晶粒粗大，這就降低了鑄件的機(jī)械性能。在澆注碳鋼鑄件時(shí)，冷卻較慢的鑄件表面還易氧化和脫碳，從而降低了鑄件的表面硬度、光潔度和尺寸精度。 10 圖 6 熔模鑄造的澆注系統(tǒng) 2）真空吸氣澆注 將型殼如圖 3 所示放在真空澆注箱中，通過型殼中的微小孔隙吸走型腔中的氣體，使液態(tài)金屬能更好地充填型腔，復(fù)制型腔的形狀，提高鑄件精度，防止氣孔、澆不足的缺陷。該法已在國外應(yīng)用。 圖 7 真空吸氣澆注裝置示意圖 3）壓力下結(jié)晶 將型殼放在壓力罐內(nèi)進(jìn)行澆注，結(jié)束后，立即封閉壓力罐，向罐內(nèi)通入 11 高壓空氣或惰性氣體，使鑄件在壓力下凝固，以增大鑄件的致密度。在國外最大壓力已達(dá) 150atm。 4）定向結(jié)晶（定向凝固） 一些熔模鑄件如渦輪機(jī)葉片、磁鋼等，如果它們的結(jié)晶組織是按一定方向排列的柱狀晶，它們的工作性能便可提高很多，所以熔模鑄造定向結(jié)晶技術(shù)正迅速地得到發(fā)展。 4.24.2 熔模鑄件的清理熔模鑄件的清理 熔模鑄件清理的內(nèi)容主要為：（1）從鑄件上清除型殼；（2）自澆冒系統(tǒng)上取下鑄件；（3）去除鑄件上所粘附的型殼耐火材料；（4）鑄件熱處理后的清理，如除氧化皮、盡邊和切割澆口殘余等。 5 5 熔模鑄造工藝設(shè)計(jì)熔模鑄造工藝設(shè)計(jì) 如同一般鑄造工藝設(shè)計(jì)，熔模鑄造工藝設(shè)計(jì)的任務(wù)為： （1）分析鑄件結(jié)構(gòu)的工藝性； （2）選擇合理的工藝方案，確定有關(guān)的鑄造工藝參數(shù)，在上述基礎(chǔ)上繪制鑄件圖； （3）設(shè)計(jì)澆冒系統(tǒng)，確定模組結(jié)構(gòu)。 在考慮上述三方面的問題時(shí)， 主要的依據(jù)仍是一般鑄造過程的基本原則，尤其在確定工藝方案、工藝參數(shù)時(shí)（如鑄造圓角，撥模斜度、加工余量、工藝筋等），除了具體數(shù)據(jù)由于熔模鑄造的工藝特點(diǎn)稍有不同之外，而設(shè)計(jì)原則與砂型鑄造完全相同。 6 6 中國熔模鑄造的未來中國熔模鑄造的未來 我國熔模鑄造業(yè)建于 50 年代, 因歷史原因存在兩種工藝水平的企業(yè):一是采用硅溶膠或硅酸乙酯型殼工藝,二是水玻璃型殼工藝。前類工廠的熔模鑄件達(dá)國際水平, 后類工廠鑄件還達(dá)不到國際水平,但后類工廠占總廠家數(shù)的大多數(shù)。 第一類工廠主要是原航空航天部的骨干精鑄廠及 90 年代新建的合資企業(yè)。十年來該類工廠發(fā)展迅速, 1988 年僅占全國熔模鑄造廠數(shù)的 6%、 產(chǎn)值的 10%左右, 1993 年上升為廠數(shù)的 10%、 產(chǎn)值的 25%, 1997 年更增為廠數(shù)的 13%、 產(chǎn)值近 12 50%。現(xiàn)我國熔模鑄造廠點(diǎn)數(shù)約為 1 500 家、 年產(chǎn) 17 萬 t 精鑄件, 產(chǎn)值約 2. 8億美元。 第一類熔模鑄造廠隨國內(nèi)經(jīng)濟(jì)和航空航天業(yè)的發(fā)展,國際市場(chǎng)的開拓, 工藝技術(shù)和管理水平的提高, 原輔材料及設(shè)備供應(yīng)的完善化仍將繼續(xù)發(fā)展。 原航天航空骨干廠緊跟國際先進(jìn)技術(shù),改進(jìn)管理, 更多走向國際市場(chǎng)。 工藝穩(wěn)定,已形成生產(chǎn)規(guī)模的出口企業(yè)則應(yīng)提高產(chǎn)品檔次,不再停留于主要生產(chǎn)高爾夫球頭、 五金件、 馬具和管閥類精度要求較低的產(chǎn)品,而應(yīng)擴(kuò)大精度要求較高的機(jī)械零件產(chǎn)量。第二類熔模鑄造廠數(shù)量過多,已供過于求。隨著鑄鋼、 樹脂砂工藝的發(fā)展,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將更劇烈。 部分企業(yè)將被淘汰。建議水平較高、 有條件的廠應(yīng)利用水玻璃型殼快速、 價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn), 投入少量資金發(fā)展硅溶膠水玻璃復(fù)合型殼工藝,生產(chǎn)質(zhì)量比水玻璃型殼高的低成本熔模鑄件,以滿足國內(nèi)外汽車、 機(jī)械制造、 儀器、 電子通訊設(shè)備、食品機(jī)械等行業(yè)需求。 總之, 我國熔模鑄造廠點(diǎn)多產(chǎn)量大,但產(chǎn)品達(dá)國際水平的還不多,這部分產(chǎn)品的產(chǎn)值僅占國際熔模鑄造的 2%左右。 而我國大多數(shù)精鑄原材料可立足國內(nèi),價(jià)格較便宜, 勞動(dòng)力充足費(fèi)用低, 技術(shù)人員眾多, 國內(nèi)市場(chǎng)潛力很大。 發(fā)達(dá)國家因勞動(dòng)力成本高,能源及環(huán)保的限制,其精鑄業(yè)正逐步向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移。 這均為我國熔模鑄造業(yè)提供了機(jī)遇和發(fā)展的有利條件。 熔模鑄造同仁們應(yīng)努力提高企業(yè)工藝技術(shù)和管理水平,提高產(chǎn)品檔次,開拓市場(chǎng),前景是光明的。 中國在21 世紀(jì)有望成為一個(gè)熔模鑄造大國。 13 參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)： 1 馬福康 . 等靜壓技術(shù) . 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1992. 2 何湘平 . 國外熔模鑄造發(fā)展概述 . 特種鑄造及有色合金,1992( 3) : 4043 3 李風(fēng)霄 . 熔模鑄件的近凈形化技術(shù)及快速制模技術(shù) . 特種鑄造及有色合金, 1995( 3) : 3135 4 張先波 . 國際精鑄業(yè)近況及展望 . 特種鑄造及有色合金,1994( 4) : 2324 5 T hierr y Thys. 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