特種鑄造之熔模鑄造

1、1. 熔模鑄造熔模鑄造通常是在可熔模樣的表面涂覆多層耐火材料，待其氧化干燥后，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。Investment castingLost wax casting/Lost-wax castingLost pattern castingPrecision casting The technique of investment casting is both one of the oldest and most advanced of the metallurgical arts.Th

2、e ceramic mold, known as the investment The history of lost-wax casting dates back thousands of years. Its earliest use was for idols, ornaments and jewellery, using natural beeswax for patterns, clay for the moulds and manually operated bellows for stoking furnaces. Examples have been found across

3、the world in Indias Harappan Civilisation (25002000 BC) idols, Egypts tombs of Tutankhamun (13331324 BC), Mesopotamia, Aztec and Mayan Mexico, and the Benin civilization in Africa where the process produced detailed artwork of copper, bronze and gold.Foundry cup, Early fifth century BCThe Gloucester

4、 Candlestick, early 12th centurySculpture of the Benin Kingdom. Lost-wax cast bronze, Nigeria, late 15th-middle 16th centuryLate Cycladic (17th cent. BCE) gold ibex sculpture about 10cm long with lost wax cast feet and head 在我國古代金屬加工工藝中，鑄造占著突出的地位，具有廣泛的社會影響，像“模范”、“陶冶”、“熔鑄”、“就范”等習(xí)語，就是沿用了鑄造業(yè)的術(shù)語。勞動人民通過世

5、代相傳的長期生產(chǎn)實踐，創(chuàng)造了具有我國民族特色的傳統(tǒng)鑄造工藝。其中特別是泥范、鐵范和熔模鑄造最重要，稱古代三大鑄造技術(shù)。 泥范鑄造泥范鑄造我國自新石器晚期，就進(jìn)入銅石并用時代。河北唐山等地出土的早期銅器，有鍛打成形的，也有熔鑄成形的，說明范鑄技術(shù)在我國源遠(yuǎn)流長，很早就發(fā)展起來。 熔模鑄造熔模鑄造傳統(tǒng)的熔模鑄造一般稱失蠟、出蠟或捏蠟、撥蠟。它和用來制造汽輪機(jī)葉片、銑刀等精密鑄件的現(xiàn)代熔模鑄造，無論在所用蠟料、制模、造型材料、工藝方法等方面，都有很大不同。但是，它們的工藝原理是一致的，并且現(xiàn)代的熔模鑄造是從傳統(tǒng)的熔模鑄造發(fā)展而來的。戰(zhàn)國的青銅尊盤，1978年隨縣曾侯乙墓出土，酒器，尊盤口沿的鏤空附飾

6、采用熔模鑄造工藝制成。 曾侯乙墓尊盤底座為多條相互纏繞的龍，首尾相連，上下交錯，形成中間曾侯乙墓尊盤底座為多條相互纏繞的龍，首尾相連，上下交錯，形成中間鏤空的多層云紋狀圖案。這些圖案用普通精密鑄造工藝很難制造出來，而用失鏤空的多層云紋狀圖案。這些圖案用普通精密鑄造工藝很難制造出來，而用失蠟法精密鑄造工藝，蠟法精密鑄造工藝，可以利用石蠟沒有強(qiáng)度、易于雕刻的特點可以利用石蠟沒有強(qiáng)度、易于雕刻的特點，用普通工具就，用普通工具就可以雕刻出與所要得到的曾侯乙墓尊盤一樣的石蠟材質(zhì)的工藝品，然后再附加可以雕刻出與所要得到的曾侯乙墓尊盤一樣的石蠟材質(zhì)的工藝品，然后再附加澆注系統(tǒng)，涂料、脫蠟、澆注，就可以得到精

7、美的曾侯乙墓尊盤。澆注系統(tǒng)，涂料、脫蠟、澆注，就可以得到精美的曾侯乙墓尊盤。 19世紀(jì)末期，牙科用熔模鑄造工藝，結(jié)合離心澆注技術(shù)生產(chǎn)牙科鑄件。20世紀(jì)初為生產(chǎn)出更粗密的牙科件，人們開始研究影響蠟?zāi)：托蜌こ叽绶€(wěn)定性的因素，以及一些金屬和合金的凝固收縮性能，20世紀(jì)30年代初調(diào)整了熔模使用的材料。從1900年到1940年這方面的專利就多達(dá)400件以上。珠寶首飾行業(yè)也廣泛采用熔模鑄造技術(shù)。described by Dr. D. Philbrook in 1897accelerated by Dr. William H. Taggart of Chicago in 1907 In the 1940s,

8、 World War II increased the demand for precision net shape manufacturing that could not be shaped by traditional methods, or that required too much machining. Industry turned to investment casting. After the war, its use spread to many commercial and industrial applications that used complex metal p

9、artsGo to video1.1 熔模鑄造工藝No. 1 Wax Injection 熔模鑄造生產(chǎn)中的第一道工序就是制造熔模。p 型殼內(nèi)表面光滑，尺寸精確的型腔是由熔模形成的，因此熔模本身必須有高的尺寸精度和細(xì)的表面粗糙度。熔模材料本身還要滿足隨后型殼制造工藝的一系列要求。p 熔模是在壓型（制造熔模的模具）中形成的，熔模材料（簡稱模料）還需適用于制造熔模的工藝。 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，它們的熔點較低，為607

10、00C；凡主要用天然樹脂配制的模料稱為樹脂基模料，熔點稍高，約701200C。1.1.1 模料模料 熔模鑄造用蠟品種主要有低溫模料、中溫模料和高溫模料低溫模料、中溫模料和高溫模料，目前主要使用的模料是低溫模料和中溫模料。我國進(jìn)口的模料也主要是中溫模料。 近年來，我國引進(jìn)了許多現(xiàn)代化的熔模精鑄設(shè)備和高質(zhì)量的模料，而且隨著與海外的往來與日俱增，進(jìn)口模料品種、規(guī)格日益增多。由此可見，我國模料的生產(chǎn)面臨著改進(jìn)模料產(chǎn)品質(zhì)量和擴(kuò)大模料品種等艱巨任務(wù)與挑戰(zhàn)。 我國大部分熔模鑄造廠使用的模料是熔模鑄造廠自制的石蠟硬脂酸低溫模料。質(zhì)量低、成本高嚴(yán)重影響鑄件質(zhì)量的提高所生產(chǎn)的鑄件在國際市場上競爭力小 然而，我國許

11、多熔模鑄造生產(chǎn)廠希望生產(chǎn)的鑄件用于出口。鑄件要出口，就要提高鑄件產(chǎn)品質(zhì)量：需要先進(jìn)的熔模鑄造設(shè)備先進(jìn)的熔模鑄造設(shè)備需要高質(zhì)量的模料高質(zhì)量的模料我國于20世紀(jì)五六十年代開始將熔模精密鑄造應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。與國外相比，國內(nèi)熔模精密鑄造工業(yè)生產(chǎn)較早，但模料精密鑄造蠟的開發(fā)相對滯后。90年代以前，我國熔模制造廠大都采用石蠟硬脂酸模料、水玻璃型殼石蠟硬脂酸模料、水玻璃型殼工藝工藝，生產(chǎn)質(zhì)量要求不高的熔模鑄件。2006年前，全國該類精鑄廠約有1350家，年產(chǎn)15萬噸鑄件，消耗以石蠟硬脂酸為主要組分的精密鑄造蠟約3750噸。2007年國內(nèi)部分地區(qū)精密鑄造蠟用量如下。西北地區(qū)：寧夏、西安地區(qū)低溫精密鑄造蠟用量約

12、500800噸/年，中溫精密鑄造蠟100200噸/年。其中，寧夏吳忠儀表廠和西安航空發(fā)動機(jī)有限公司低溫精密鑄造蠟自己調(diào)制，中溫精密鑄造蠟主要靠進(jìn)口。華東地區(qū)：低溫精密鑄造蠟市場用量較大，在10002000噸/年左右，中溫精密鑄造蠟用量約100300噸/年，主要為國外加工鑄件，鑄造蠟以臺灣地區(qū)較多。中原地區(qū)：熔模精密鑄造企業(yè)較少，以低溫精密鑄造蠟為主，大多為自調(diào)產(chǎn)品，洛陽第一拖拉機(jī)廠用量100多噸/年。加上其它地區(qū)，精密鑄造蠟國內(nèi)市場容量達(dá)到5000噸/年。近幾年來，我國許多單位研制成功了許多系列模料且產(chǎn)品質(zhì)量較高。我國北京正大德技術(shù)開發(fā)中心研制生產(chǎn)了WM系列模料。該系列模料品種多，可提供用于不

13、同制殼材料、不同脫蠟溫度、不同尺寸形狀的模料，可用于替代進(jìn)口產(chǎn)品。上海市金山模料廠生產(chǎn)WM系列模料，十余個品種，年產(chǎn)量約200噸。沈陽鑄造研究所研制生產(chǎn)F-01等中溫模料和填料模料。另外，沈陽風(fēng)動工具廠、北京油泵油嘴廠、太原晉西機(jī)械廠和成都化工所也生產(chǎn)質(zhì)量較高的蠟基中溫模料。國外熔模鑄造用蠟的生產(chǎn)品種主要有美國生產(chǎn)的CL-162系列和Master系列模料、英國Dussek Campbell公司生產(chǎn)的Castylene系列模料、日本生產(chǎn)的K系列模料(如K512)和前蘇聯(lián)生產(chǎn)的P-3模料等。模料性能的優(yōu)劣是由其配方?jīng)Q定的，因此各生產(chǎn)廠非模料性能的優(yōu)劣是由其配方?jīng)Q定的，因此各生產(chǎn)廠非常重視模料配方的

14、研究。常重視模料配方的研究。1.1.2 模料的配制和回收模料的配制和回收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，由于對熔模的質(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，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，模料的性能會變壞，脆

15、性增大，灰分增多，流動性下降，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。美國熔模鑄造技術(shù)水平較高，得益于三大支柱：先進(jìn)的技術(shù)先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)質(zhì)的原材料優(yōu)質(zhì)的原材料嚴(yán)格認(rèn)真的操作嚴(yán)格認(rèn)真的操作如美國熔模鑄造廠每次使用的模料均是模料廠生產(chǎn)的新模料。熔模鑄造廠不對使用過的模料回收處理，回收的模料送到模料專業(yè)生產(chǎn)廠統(tǒng)一處理。由于模料廠出廠的模料質(zhì)量較高且均一，保障了熔模鑄造廠蠟?zāi)５某叽缇群捅砻尜|(zhì)量，蠟的灰分和雜質(zhì)也得到了控制。國外通常有專業(yè)公司，匯集相關(guān)技術(shù)專業(yè)生

16、產(chǎn)熔模鑄造模料。所生產(chǎn)的模料具有穩(wěn)定性好、收縮率低、表面光潔、強(qiáng)度高、成型性好并針對不同的零件生產(chǎn)不同性能的模料。國外所生產(chǎn)的模料種類有加填料模料和非加填料模料，并細(xì)分為模型用蠟、修補蠟、可乳化蠟、澆口用蠟、嵌封用蠟的粘結(jié)蠟等。 1.1.31.1.3 熔模的制造熔模的制造 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，分型劑可為機(jī)油、松節(jié)油等；壓制樹脂基模料時，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

17、活塞加壓法。柱塞加壓法柱塞加壓法活塞加壓法活塞加壓法氣壓法氣壓法 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，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。No. 2 AssemblyNo. 3 Shell Building熔模鑄造的鑄型可分為實體型和多層型殼兩種熔模鑄造的鑄型可分為實體型和多層型殼兩種目前普遍采用的是目前普遍采用的是多型殼多型殼。 將模組浸涂耐火涂料后，撒上料狀耐火材料，再

18、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間，使其充分硬化，然后熔失模組，便得到多層型殼。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，構(gòu)成涂料另一類是為了獲得優(yōu)質(zhì)的型殼，簡化操作、改善工藝用的材料，如熔劑、硬化劑、表面活性劑（潤濕、消泡）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（簡稱硅酸溶膠），如硅酸乙酯水解液、水玻璃和硅溶膠等。組成它

19、們的物質(zhì)主要為硅酸（H2SiO3）和溶劑，有時也有穩(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較低的有色合金鑄件時，水玻璃仍被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)；硅溶膠的穩(wěn)定性好，可長期存放，制型殼時不需專門的硬化劑，但硅溶膠對熔模的潤濕稍差，型殼硬化過程是一個干燥過程，需時較長。1.2.1 制殼用材料制殼用材料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，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

20、。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,把模組浸泡在涂料中,左右上下晃動,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）型殼干燥和硬化每涂復(fù)好一層型殼以后，就要對它進(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。1.2.2 制殼工藝制殼工藝1.2.3 Case Study The company entered the investment casting market in 1957, when Nalco Compan

21、y was granted a patent for methods to manufacture colloidal silica with improved properties for high temperature applications. In 1959, Nalco patented the use of colloidal silica as a water-based binder for the investment casting industry. In 2001, Nalco introduced Gray Matter, the first totally opt

22、imized system for investment casting. Gray Matter was designed as a system of colloidal silica, polymers and a pre-blended package of refractories that complement the qualities of each of the ingredients, resulting in one of the strongest and most crack-resistant shell systems on the market.Colloida

23、l Silica二氧化硅膠體二氧化硅膠體Keys:Particle size and particle size distribution criteriashell strengthrheologyslurry lifeevaluationBiocideprotect it from microbiological contamination in the bulk tank and in the slurry.PolymerProvide substantial process improvementsdrying timesshell thicknessGreen strengthshe

24、ll flexibilitySlurry rheologysurface quality productivityWax Cleaners蠟清洗劑蠟清洗劑Chill Coating助冷涂料助冷涂料Un-clean surfaceslurry is unable to adhere to the wax surfaceThe final casting can have lifting defects, cracking用于型殼外部用于型殼外部Increases the heat emittance of the shell surfacehelps the metal to cool fast

25、er through radiant heat transfersolidification ratemicrostructure, strength and quality of a cast componentcontrol shrinkage and microstructureWetting Agents, Antifoam and Biocides潤濕劑、消泡劑和抗菌劑潤濕劑、消泡劑和抗菌劑Refractories耐火材料耐火材料The other big component表面活性表面活性物質(zhì)物質(zhì)No.4 De-wax/Burnout/Pre-heat常用加熱方法：熱水法和高壓蒸汽

26、法。脫蠟脫蠟De-wax熱水法熱水法：95未沸騰適用于蠟基模料熔模缺點：砂粒易落入型殼內(nèi)引起鑄件夾砂缺點：砂粒易落入型殼內(nèi)引起鑄件夾砂溶化不均勻引起型殼開裂溶化不均勻引起型殼開裂粘接劑吸水回溶引起型殼破粘接劑吸水回溶引起型殼破熱水中模料易皂化熱水中模料易皂化高壓蒸汽法高壓蒸汽法：350600kPa,150,1015min適用于松香基和蠟基模料熔模焙燒預(yù)熱焙燒預(yù)熱Burnout/Pre-heat型殼強(qiáng)度足夠直接進(jìn)行高溫焙燒需要精密度較高的鑄件將型殼埋入裝有填充物的箱中再進(jìn)行焙燒No. 5 Gravity Pouring熔模鑄造技術(shù)的核心是型殼的制造，澆注過程可以和其他各種鑄造方法相結(jié)合：熱型重力

27、澆注真空澆注離心澆注真空吸鑄（CLA法）定向凝固利用冷卻水循環(huán)系統(tǒng)等建立單向散熱條件普通鑄造澆注過程普通鑄造澆注過程特種鑄造特種鑄造No. 6 Knock-out/Cut-off 敲打振擊電液壓清理高壓水清理No. 7 Finished Castings型殼澆冒口殘留耐火材料等1.2 熔模鑄造工藝設(shè)計Alloy Selection Because service conditionscorrosion, local high-wear areas, weight limitations, appearance, etc.may require characteristics in additi

28、on to strength, the alloy should often be selected after establishing the parts strength.在確定工藝方案、工藝參數(shù)（如熔模分型面、鑄造圓角、拔模斜度、加工余量、工藝?yán)?，澆冒系統(tǒng)的設(shè)置）時，除了具體數(shù)字有所不同外，其設(shè)計原則與砂型鑄造完全相同。Design Information1 Overall size2 Wall thicknessSome areas of the part require thicker walls and, wherever possible, it is better to ha

29、ve the walls go from thin to thick in all directions, rather than from thin to thick to thin to thick again. In other words, avoid thicker sections surrounded by thinner ones. Figure 1 shows recommended ways of changing wall thickness.Joining wallsCornersIsolated bossesInternal featuresLinear tolera

30、nces for cast dimensions Holding closer tolerances requires more expensive tooling, more extensive process control and often additional operations all of which increase cost. Assure you get such tolerances at the lowest possible cost8 Wall thickness tolerances Due to the nature of the process, inves

31、tment castings need more allowance for wall thickness variation, regardless of the wall thickness dimension. For lowest to highest cost, the wall tolerances are 0.015 inch (0.38mm), 0.010 inch (0.25mm), and 0.005 inch Hitchiner Manufacturing Co., Inc. 9 Geometric surfaces Tolerances required for pro

32、files, contours, perpendiculars, etc. depend on their length, so the table for linear tolerances can generally be used. For example, for lowest cost, a contour could be held to within 0.010 inch (0.25mm) if it is one inch (25mm) long (or one by one inch (25-by-25mm), 0.013 inch (0.33mm) if it is 2 inches long, etc.10 Artwork11 Machining stocklettering, knu