铸材与工艺7-熔模

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1、铸造材料与工艺铸造材料与工艺 熔模铸造熔模铸造材料科学与工程学院 材料成形与控制工程系毛卫民7 7 熔模精密铸造工艺熔模精密铸造工艺?熔模精密铸造：又称为“失蜡铸造”，通 常在蜡模表面涂上数层耐火材料，待其 硬化干燥后，将其中的蜡模熔去而制成 型壳，再经过焙烧，最后进行浇注，这 种制造铸件的方法叫熔模精密铸造。 ?我国失蜡铸造有悠久的历史。 ?熔模精密铸造的合金种类：碳钢、合金 钢、精密合金、铝合金、铜合金、钛合 金、镁合金等。?熔模精密铸件的质量：尺寸精度高，可 达57级，铸件表面粗造度可小至Ra6.3 1.6m，有的铸件甚至达到无加工余量的 精度；形状一般都很复杂，可铸出孔的 最小直径为0

2、.5mm，最小壁厚为0.3mm； 铸件重量多为几克到十公斤，目前最重 的熔模精密铸件达80公斤。 ?熔模精密铸件广泛应用于航空、汽车、 船舶、拖拉机、机床农机、气轮机、仪 表、电讯机械、刀具、武器等方面。?熔模精密铸造的一般工艺过程? 制造蜡模压型； ?制造蜡模； ?组装蜡树； ?涂挂模壳； ?脱蜡； ?焙烧模壳； ?浇注合金液； ?铸件清理、检验、交货。图7-1 熔模精密铸造工艺过程图7-1 熔模精密铸造工艺过程图7-1 熔模精密铸造工艺过程图7-1 熔模精密铸造工艺过程图7-1 熔模精密铸造工艺过程图7-1 熔模精密铸造工艺过程图7-2 熔模精密铸造工艺过程实例制造、精整蜡模图7-2 熔模

3、精密铸造工艺过程实例焊制蜡树图7-2 熔模精密铸造工艺过程实例涂挂模壳图7-2 熔模精密铸造工艺过程实例干燥图7-2 熔模精密铸造工艺过程实例脱蜡图7-2 熔模精密铸造工艺过程实例浇注图7-2 熔模精密铸造工艺过程实例浇注图7-2 熔模精密铸造工艺过程实例模壳、浇注后的模壳及铸件7.1 7.1 熔模的制造熔模的制造?熔模是形成耐火型壳中型腔的模型，是 熔模精密铸造的第一个工序。 ?如果想获得高质量的铸件，必须制造高 质量的熔模，即必须选择合适的制模材 料和合理的制模工艺。7.1.1 制模材料 ?制模材料应保证制得尺寸精确、表面光 洁、强度高、重量轻的熔模，也应保证 型壳制造容易，即满足以下要求

4、： ?制模材料的合适熔点为60100，便 于配制蜡料和脱蜡； ?制模材料开始变形的温度应大于40 ，以保证熔模在室温下不变形； ?制模材料要有高的强度、韧性和表面硬 度，防止熔模和型壳制造过程中损坏；?制模材料的流动性要好，便于压制精确的熔 模和脱蜡； ?制模材料的膨胀系数要小而稳定； ?制模材料能被涂料很好的润湿，便于挂壳； ?制模材料的化学活性要低，不与接触的物质 产生化学反应，对人体无害； ?制模材料经高温燃烧后的灰分要低； ?制模材料的密度要小、焊接性要好，可以多 次重复使用，来源丰富、价格便宜。?蜡基制模材料：主要用石蜡配制，熔点较低， 为6070。 ?应用最广泛的蜡基制模材料由石蜡

5、和硬脂酸 配制而成； ?石蜡：石油的副产品，饱和的碳氢化合物， 即含有20个以上碳原子的烷烃的混合物；化学 活性低，塑性好，但其软化点较低，约30， 凝固收缩大，表面硬度小。 ?硬脂酸：固体饱和脂肪酸，120以上会分解 碳化。?石蜡和硬脂酸互溶，在石蜡中加入硬脂 酸可以提高软化点、流动性、涂挂性和 表面硬度，但当硬脂酸超过80%时，制 模材料的强度很低，当硬脂酸低于20% 时，熔模表面容易起泡、涂挂性不好； ?生产中常用各50%的石蜡和硬脂酸配制 制模材料；?树脂基制模材料：主要用松香配制，也 叫做松香基制模材料，生产高精度熔模 铸件，如涡轮发动机叶片等。 ?配方举例：松香74.6%，地蜡20

6、.7%， 聚乙烯3.1%，210*松香改性酚醛树脂 1.6%；松香74.6%，地蜡15%，聚乙烯 5%，川蜡5%。 ?川蜡是一种虫蜡，流动性好，软化点 比松香高，它能提高松香基制模材料的 流动性、软化点和强度，降低脆性，但 增大收缩率。7.1.2 制模材料的配制 ?将组成制模材料的各种原料混合成均匀 的一体，主要采用加热熔化方法使各种 原料混合，并在冷却过程中对其进行剧 烈搅拌，得到糊膏状的制模材料，最后 进行压制熔模；有时将制模材料的混合 液体直接进行浇注熔模。?蜡基制模材料的配制 ?蜡基模料的各种原材料的熔点都低于100， 为防止加热温度过高引起分解碳化，多采用蒸 汽加热或热水槽加热的方法

7、，如图7-3所示。电 加热器7先把水加热，水将热量传给蜡桶，再 传给蜡料4；如果将该装置中的电加热器7去 掉，往水箱中通以蒸汽，就变为蒸汽加热熔化 蜡基模料的装置了。 ?熔化后的蜡料要用100#或140#筛过滤，去除杂 质。图7-3 熔化蜡基模料的加热槽 1-绝热层，2-温度计，3-盖板，4-模料，5-水，6-蜡桶，7-加热器?采用旋转桨叶搅拌法对熔化后的蜡料进 行搅拌：将三分之一的熔融蜡料和三分 之二的固态小蜡料块放在容器中，旋转 桨叶打碎固态蜡料，并和熔融蜡料混合 成糊状，如图7-4所示。图7-4 旋转桨叶搅拌蜡基模料示意图 1-模料，2-桨叶?采用活塞法对熔化后的蜡料进行搅拌： 将熔融的

8、蜡料放入活塞缸中，借助活塞 的往复运动，使蜡料被迫从活塞上的小 孔中反复通过，蜡料被搅拌成糊状，如 图7-5所示。图7-5 活塞搅拌蜡基模 料示意图1-活塞，2-模料?树脂基制模材料的配制 ?树脂基制模材料的熔点较高，一般采用电阻 炉加热熔化。 ?树脂基制模材料的成分复杂，有些原材料不 能互溶，因此需要注意加料次序，如聚乙烯不 溶于松香，却能溶于川蜡、地蜡，该混合液体 又能溶于松香。 ?熔化后的蜡料要用100#或140#筛过滤，去除杂 质。 ?在冷却过程中进行搅拌，最后制成糊状模 料。7.1.3 熔模和模组的制造 ?熔模的制造： ?生产中大多采用压力将糊状模料压入压 型的方法制造熔模。 ?压制

9、熔模之前，需要在压型表面涂上一 薄层的分型剂，以便从压型中取出熔 模；压制蜡基模料时，分型剂可选择机 油、松节油等；压制树脂基模料时，分 型剂可选择硅油、蓖麻油和酒精的混合 液等。?柱塞加压法制造熔模：柱塞加压法如图7-6 a 所示，将压蜡桶2盛满模料，对准压型7的注蜡 口，加压力于柱塞1，模料便被压入压型内； 该方法所加压力小，只适合蜡基模料的压制， 主要为手工制造熔模所采用，生产效率较低。 ?气压法制造熔模：气压法如图7-6 b 所示，模 料存放在密闭的保温罐4中，向保温罐内通入 23个大气压的压缩空气，将模料经导管压向 蜡枪头5；制造熔模时，只需将蜡枪头的压蜡 嘴压在压型的注蜡口上，蜡枪

10、头内的通路就被 打开，模料就会进入压型；该方法只适合压制 蜡基熔模。图7-6 制造熔模示意图 a)柱塞加压法，b)气压法，c)活塞加压法 1-柱塞，2-压蜡桶，3-压力罐，4-保温罐，5-蜡枪头，6-活塞，7-压型?活塞加压法制造熔模：活塞加压法如图 6-4 c 所示，压力机向活塞6上加压，把模 料挤入压型中，该方法所用压力较大， 常用来压制树脂基熔模。图7-7 一汽汽车零件的蜡模图7-8 一汽汽车零件的铸 件毛坯?模组的制造 ?模组的制造，即熔模的组装，将形成铸 件的熔模和形成浇冒口系统的熔模组合 在一起。 ?焊接法：用薄片烙铁将熔模的连接部位 熔化，使熔模焊接在一起；该方法应用 较普遍。

11、?机械组装法：如图7-9所示，先作好小 花瓣状的小模组，再将小模组套在浇口 棒7上；该方法的效率很高。图7-9 机械组装模 组1-金属碗，2-销 子，3-弹簧，4- 杆，5-花瓣状小模 组，6-浇口杯熔 模，7-浇口棒，8- 管子7.2 7.2 型壳的制造型壳的制造?熔模铸造多采用多层型壳。 ?型壳制造：将模组浸涂耐火涂料，撒上粒状耐 火材料，再经干燥硬化，如此反复多次，使耐 火涂层达到需要的厚度，这样便在模组上形成 了多层型壳，通常将其停放一段时间，使其充 分硬化，然后熔失模组，便得到多层型壳。 ?多层型壳需要一定的强度和透气性及耐火度、 化学稳定性等，这些性能与制壳材料和工艺有 关。7.2

12、.1 制造型壳材料 ?耐火材料：目前，熔模铸造所用的耐火 材料主要是石英和刚玉及硅酸铝耐火材 料，有时也用锆英石(ZrO2SiO2)。 ?石英：因为天然石英中杂质多，熔模铸 造一般选用较高纯度的人造石英砂。?刚玉：将铝矾土在电炉中加热至 20002400，并和碳反应，去除SiO2、 Fe2O3等杂质， 得到Al2O3的结晶体；刚 玉的熔点高（2050）、比重大、导热 性好、膨胀系数小，因此用刚玉制造型 壳的尺寸稳定、热稳定性和高温化学稳 定性高，主要制造高合金钢、耐热合 金、镁合金等，但刚玉价格昂贵、来源 少。?硅酸铝耐火材料：铝矾土、耐火粘土、 焦宝石、匣钵砂。?粘结剂：型壳的工作性能与粘结

13、剂的性 质有密切的关系。 ?硅酸乙酯水解液：它是硅酸乙酯经水解 所得的硅酸溶胶；硅酸乙酯型壳的质量 好，但硅酸乙酯较贵。?水玻璃：比较便宜，但水玻璃中的 Na2O在高温下能与型壳中的SiO2组成低 熔点的化合物，如Na2O 2SiO2与石英共 晶体的熔点只有793，所以水玻璃型壳 易变形、易开裂，熔模铸件的尺寸精度 和表面光洁度较差，只用来制造精度要 求较低的碳素钢铸件。?硅溶胶：将水玻璃经离子交换处理，去 除Na+和其它杂质后所得到的一种硅酸溶 胶；硅酸溶胶的价格较低，稳定性好， 可长期存放，制壳时不需专门的硬化 剂，型壳高温强度甚至比硅酸乙酯水解 液的型壳高，但硅溶胶对熔模的浸润性 稍差、

14、型壳硬化过程是一个干燥过程， 因而硬化需时较长。7.2.2 制壳工艺 ?制壳工序主要有：模组的除油与脱脂、 模组的涂挂涂料与撒砂、型壳的干燥与 硬化、脱蜡与型壳焙烧。?模组的除油与脱脂：在采用蜡基模料制 造熔模时，为了提高涂料润湿模组表面 的能力，将模组浸泡在中性肥皂片（加 入0.20.3%）或表面活性剂（如加入烷 基磺酸钠或洗衣粉0.5%）的水溶液中， 去除表面油污，模组自浸泡液中取出晾 干后，即可挂涂料、撒砂。?模组的涂挂涂料与撒砂：涂料要涂匀，不能局 部堆积或缺料，不能包裹气泡。撒砂是在涂料 外面粘上一层粒状耐火材料，目的是迅速增厚 型壳、分散型壳在随后工序中可能产生的应 力、并使下一层

15、涂料能与前一层很好的粘合在 一起；撒砂方法：雨淋式撒砂和流态化撒砂， 流态化撒砂如图7-10所示，向容器下部送入压 缩空气或鼓风，空气经过毛毡把上部的砂层均 匀吹起，砂层呈轻微沸腾状态，撒砂时只需将 涂挂有涂料的模组往流态化砂层中一“浸”，粒 状耐火材料便均匀地粘满在涂料表面。图7-10 撒砂用的沸腾砂床?模组的涂挂涂料与撒砂：小型件的型壳 为56层，大型铸件的型壳为69层， 一、二层砂子的粒度一般选择 40/7050/100目，以后各层砂子的粒度一 般选择6/2020/40目。?型壳层的干燥与硬化：每涂覆一层型壳 后，必须使其干燥和硬化，使涂料中的 粘结剂由溶胶向冻胶、凝胶转变，把耐 火材料

16、连在一起。?硅酸乙酯水解液型壳的干燥与硬化：先 通风干燥30分钟，再通氨气硬化20分 钟。 ?水玻璃型壳的干燥与硬化：涂挂好涂料 和撒砂的型壳先在空气中干燥一段时间 （数分钟或一小时），再浸泡在约25% 的NH4Cl水溶液中进行硬化，时间约 1520分钟。?硅溶胶型壳的干燥与硬化：硅溶胶中的 溶剂是水和酒精，所以硅溶胶型壳的硬 化过程就是脱水和酒精挥发的干燥过 程；将涂挂好涂料和撒砂的型壳放在温 度较高的干燥空气（2535）中进行干 燥，每层型壳的干燥时间约为两小时； 涂完最后一层型壳后，型壳要自然干燥 一昼夜以上才能进行脱蜡。?脱模：型壳完全硬化后，需要从型壳中 去除模组，也称为脱蜡。 ?热水脱模：把带有模组的型壳放在 8090的热水中，使蜡料熔化，并经由 向上的浇口溢出；该方法普遍用于蜡基 模料的脱模。?高压蒸汽脱模：将模组浇口朝下放在高 压釜中，向釜内通入25个大气压的高压 蒸汽，模料受热熔化；该方法可用于蜡 基或树脂基模料的脱模