熔模鑄造的歷史、工藝以及應(yīng)用

1、熔 模 鑄 造 歷史 工藝 應(yīng)用作為文明古國，中國是使用這一技術(shù)較早的國家之一，遠(yuǎn)在公元前數(shù)百年，我國古代勞動人民就創(chuàng)造了這種失蠟精密鑄造技術(shù)，用來精密鑄造帶有各種精細(xì)花紋和文字的鐘鼎及器皿等制品，如春秋時(shí)的曾侯乙墓尊盤等。曾侯乙墓尊盤底座為多條相互纏繞的龍，它們首尾相連，上下交錯(cuò)，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(diǎn)，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。 失蠟法我國的失蠟法至遲起源于春秋時(shí)期。河南淅

2、川下寺2號楚墓出土的春秋時(shí)代的銅禁是迄今所知的最早的失蠟法鑄件。此銅禁四邊及側(cè)面均飾透雕云紋，四周有十二個(gè)立雕伏獸，體下共有十個(gè)立雕狀的獸足。透雕紋飾繁復(fù)多變，外形華麗而莊重，反映出春秋中期我國的失蠟法已經(jīng)比較成熟。除了藝術(shù)品、兵器和器皿，建筑物的部件制作也會使用失蠟法。失蠟法在我國古代已經(jīng)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。失蠟法戰(zhàn)國、秦漢以后，失蠟法更為流行，尤其是隋唐至明、清期間，鑄造青銅器采用的多是失蠟法。失蠟鑄造技術(shù)原理起源于焚失法，焚失法最早見于商代中晚期，這種技術(shù)在無范線失蠟法出現(xiàn)之后逐漸消亡。失蠟法主要應(yīng)用于青銅等金屬器物的鑄造。做法是，用蜂蠟做成鑄件的模型，再用別的耐火材料填充泥芯和敷成外

3、范。加熱烘烤后，蠟?zāi)Ｈ咳刍魇?，使整個(gè)鑄件模型變成空殼。再往內(nèi)澆灌溶液，便鑄成器物。以失蠟法鑄造的器物可以玲瓏剔透，有鏤空的效果。失蠟法的工藝熔模鑄造的發(fā)展現(xiàn)代熔模鑄造在工業(yè)中得到應(yīng)用是在二十世紀(jì)四十年代。航空噴氣發(fā)動機(jī)迅速發(fā)展，要求制造葉片、葉輪、噴嘴等形狀復(fù)雜，尺寸精確以及表面光潔的耐熱合金零件。由于耐熱合金材料難于機(jī)械加工，零件形狀復(fù)雜，以致不能或難于用其它方法制造，因此，需要尋找一種新的精密的成型工藝，于是借鑒古代流傳下來的失蠟精密鑄造，經(jīng)過對材料和工藝的改進(jìn)，現(xiàn)代熔模精密鑄造方法在古代工藝的基礎(chǔ)上獲得重要的發(fā)展。航空工業(yè)的發(fā)展推動了熔模精密鑄造的應(yīng)用，而熔模精密鑄造的不斷改進(jìn)和完善

4、，也為航空工業(yè)進(jìn)一步提高性能創(chuàng)造了有利的條件。我國是于上世紀(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)。其后這種先進(jìn)的精密鑄造工藝得到巨大的發(fā)展，相繼在航空、汽車、機(jī)床、船舶、內(nèi)燃機(jī)、氣輪機(jī)、電訊儀器、武器、醫(yī)療器械以及刀具等制造工業(yè)中被廣泛采用，同時(shí)也用于工藝美術(shù)品的制造。熔模鑄造的發(fā)展一、什么是熔模鑄造？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?，焙燒后進(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。二、工藝流程壓型制造壓型制造熔模樣件熔模樣件制造制造組裝模組組裝模組型殼制造、型殼制

5、造、脫蠟、焙燒脫蠟、焙燒填砂、澆注填砂、澆注三、熔模鑄造的特點(diǎn)1.鑄件尺寸精度高（ct4-ct7）；表面粗糙度低（ra1.6-6.3m）。減少了鑄件的切削加工余量，甚至可實(shí)現(xiàn)近凈型鑄造。2.能生產(chǎn)形狀復(fù)雜的薄壁鑄件。如前機(jī)匣（由內(nèi)、外環(huán)和14件葉片組成）。如發(fā)動機(jī)葉片，葉型的最小壁厚可達(dá)0.7mm。3.熔模鑄造存在一定局限性。工藝流程煩瑣，生產(chǎn)周期長、鑄件尺寸不宜太大。4.合金材料不受限制. 鋼鐵、銅、鋁、鈦、鎂等。熔點(diǎn)高的鎳基高溫合金；鋅、錫等低熔點(diǎn)金屬。四、熔模鑄件工藝設(shè)計(jì)1.鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1 鑄件結(jié)構(gòu)的合理性鑄件結(jié)構(gòu)是否合理，對于鑄件質(zhì)量、生產(chǎn)工藝的可行性和簡易性以及生產(chǎn)成本等影響很大

6、，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，總結(jié)出鑄件結(jié)構(gòu)合理性的幾條基本原則。目的就是對于一些零件圖做必要修改，得到適合熔模鑄造特點(diǎn)的最合理的鑄件結(jié)構(gòu)。1）易于從壓型中取模合理不合理2）易于抽芯合理不合理3）減少不通孔合理不合理1.2 鑄件結(jié)構(gòu)要素1）最小壁厚最小壁厚由于熔模鑄造的型殼內(nèi)表面光潔，并且一般為熱型殼澆注，因此熔模鑄件壁厚允許設(shè)計(jì)得較薄，最小壁厚與合金種類及鑄件輪廓尺寸有關(guān)。2）圓角圓角一般情況下鑄件上各轉(zhuǎn)角處都設(shè)計(jì)成圓角，否則容易產(chǎn)生裂紋、縮松。3）鑄造斜度鑄造斜度為了便于取模，抽芯，在拔模面應(yīng)設(shè)有鑄造斜度，鑄造斜度的取值如下。取值鑄造斜度面高h(yuǎn)/mm非加工面斜度外表面內(nèi)表面20020120-500150

7、3050-100010030100010015熔模鑄件的鑄造斜度鑄件越高，斜度越小4）加工余量加工余量熔模鑄件單面加工余量（單位 mm）鑄件最大尺寸5050-120120-250250-400400-630單面加工余量0.50.5-0.11.0-1.51.5-2.02.0-3.0澆口面加工余量2.0-4.05）最小鑄出孔最小鑄出孔最小鑄出孔的孔徑與深度（單位：mm）孔的直徑最大孔深通孔不通孔3-55-1055-1010-305-1510-2030-6015-2520-4060-12025-5040-60120-20050-8060-100200-30080-100100300-350100-1

8、20五、易熔模鑄造易熔模簡稱熔模，熔模的質(zhì)量影響鑄件的尺寸精度及表面粗糙度，易熔模制造工藝流程如圖所示。原材料原材料定定 量量熱機(jī)械混熱機(jī)械混合均勻化合均勻化澆注成澆注成料錠料錠重熔重熔模料模料模模 料料壓注壓注壓型準(zhǔn)備壓型準(zhǔn)備模組檢模組檢驗(yàn)標(biāo)號驗(yàn)標(biāo)號模組模組組焊組焊蠟?zāi)＜皾沧⑾災(zāi)＜皾沧⑾到y(tǒng)除油系統(tǒng)除油蠟?zāi)Ｏ災(zāi)Ｐ扪a(bǔ)修補(bǔ)蠟?zāi)Ｏ災(zāi)z驗(yàn)檢驗(yàn)料錠料錠破碎破碎蠟?zāi)Ｏ災(zāi)ＰＰ托Ｐ?.模料1.1 對模料的基本要求概括為工作性能要求和工藝性能要求1）熔化溫度和凝固溫度區(qū)間熔化溫度和凝固溫度區(qū)間兼顧模料耐熱性要求并考慮到工藝操作方便，熔化溫度常選在5080之間，凝固溫度區(qū)間以510為宜。2）耐熱性耐熱性模料耐熱性

9、是指溫度升高時(shí)其抗軟化變形的能力，它影響著熔模和鑄件的精度。通常用熱變形量來表示，要求35溫度時(shí)模量熱變形量h35-22mm。3）收縮率收縮率模料熱脹冷縮小，才能提高熔模尺寸精度，也才能減少脫臘時(shí)因模料膨脹引起的型殼脹裂現(xiàn)象。因此模料的線收縮率是模料重要的性能指標(biāo)之一，一般應(yīng)小于1%。優(yōu)質(zhì)模料線收縮率僅為0.3%0.5%。4）強(qiáng)度強(qiáng)度為保證生產(chǎn)過程中不損壞，熔模需要有一定強(qiáng)度，模料強(qiáng)度多以抗彎強(qiáng)度表示，一般模料抗彎強(qiáng)度應(yīng)不低于2.0mpa，最好為5.08.0mpa。5）硬度硬度為保持熔模表面質(zhì)量，模料應(yīng)有足夠的硬度，以防表面損傷。模料硬度常以針入度表示，常為46度（1度=10-1mm）6）粘度

10、和流動性粘度和流動性為便于脫模和模料回收，模料粘度不能太大，在90附近的粘度應(yīng)為310-3310-2pa.s 。為得到清晰的熔模，模料應(yīng)具有良好的流動性。7）灰分灰分模料灼燒后的殘留物稱灰分，它將影響鑄件的質(zhì)量，也是模料最重要的指標(biāo)之一。一般模料灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)低于0.05%。石蠟屬烴蠟。為飽和固體碳?xì)浠衔锏幕旌衔?，分子式通式為cnh2n+2. n為1736。n越大，石蠟熔點(diǎn)越高，硬度越高，熱穩(wěn)定性越好，收縮也越小，按熔點(diǎn)石蠟可分為56，58，60，62，64，66，70等牌號。熔模鑄造多使用5864石蠟。 2. 模料的種類1）蠟基模料蠟基模料蠟基模料由石蠟和硬脂酸兩種材料組成。2）樹脂基模

11、料樹脂基模料樹脂基模料的基體組成是樹脂，與蠟基模料相比具有強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性高，收縮小的優(yōu)點(diǎn)，可用于生產(chǎn)高精度鑄件。用于渦輪葉片等航空件及高精度機(jī)械零件生產(chǎn)。硬脂酸的分子式為c17h35cooh，是以動植物油脂為原材料，經(jīng)加壓蒸餾和水解制得。由于硬脂酸比碳原子數(shù)相同的石蠟熔點(diǎn)高，故其熱穩(wěn)定性好，收縮性較小。此外硬脂酸，是極性分子，有利改善模料的涂掛性。3.制模工藝3.1制模時(shí)模料狀態(tài)采用壓力制模工藝時(shí)，模料有三種狀態(tài)：液態(tài)、糊狀、膏狀、前者稱液態(tài)壓注，后兩者稱為膏態(tài)壓注。蠟膏制備方法3.2制模工藝參數(shù)將已配制好的蠟膏，在壓力下注入壓型，冷凝后從壓型中取出熔模。影響著熔模質(zhì)量的工藝參數(shù)有壓射蠟溫、壓

12、型溫度、壓射壓力、保壓時(shí)間和起模時(shí)間。1）壓射蠟溫和壓型溫度壓射蠟溫和壓型溫度壓注熔模時(shí)模料的溫度為壓射蠟溫。壓射蠟溫和壓型溫度的變化對制出的熔模表面粗糙度和尺寸變化明顯。壓射蠟溫和壓型溫度偏高，熔模表面粗糙度較低，但收縮較大；反之，熔模表面粗糙、收縮較小。2）壓射壓力壓射壓力適當(dāng)提高模料的壓射壓力，有利于減小熔模收縮率，提高熔模尺寸精度。3）保壓時(shí)間和起模時(shí)間保壓時(shí)間和起模時(shí)間模料充滿壓型型腔后，保壓的時(shí)間愈長則熔模的線收縮率愈小。熔模在壓型中停留冷卻的時(shí)間稱起模時(shí)間。取模時(shí)間過短，熔模易變形，表面會出現(xiàn)“鼓泡”。六、型殼制造1.型殼概述1）型殼組成及結(jié)構(gòu)型殼組成及結(jié)構(gòu)熔模鑄造有實(shí)體型殼和多

13、層型殼兩種鑄型，除石膏型采用實(shí)體鑄型外，一般都用多層型殼。型殼是由黏結(jié)劑、耐火粉料和撒砂材料等，經(jīng)浸涂料、撒砂、干燥硬化、脫蠟和焙燒等工序制成。從宏觀上看，型殼除硅凝膠和耐火粉、砂這些固相外，還存在氣孔和裂隙，它是一種多相的非均質(zhì)體系。型殼的組成與耐火制品和陶瓷有相似之處，但型殼焙燒溫度不高、保溫時(shí)間不長，澆注溫度雖高、作用時(shí)間很短，所以型殼的燒結(jié)程度達(dá)不到陶瓷和耐火制品。 2）型殼主要性能型殼主要性能為保證生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鑄件，對型殼有一系列性能要求：強(qiáng)度、抗變形能力、透氣性、線量變化、導(dǎo)熱性、熱震穩(wěn)定性、熱化學(xué)穩(wěn)定性等。型殼強(qiáng)度常溫強(qiáng)度常溫強(qiáng)度又稱濕強(qiáng)度，它是指制好型殼后型殼的強(qiáng)度。它取決于型殼

14、黏結(jié)劑干燥和硬化的程度等。如果濕強(qiáng)度太低，脫蠟過程中型殼就會開裂或變形。高溫強(qiáng)度高溫強(qiáng)度是指焙燒或澆注時(shí)型殼的強(qiáng)度，取決于黏結(jié)劑中硅凝膠在高溫下形成硅氧鍵，以及高溫下黏結(jié)劑與耐火材料的反應(yīng)產(chǎn)物。高溫強(qiáng)度不足的型殼在焙燒和澆注時(shí)就會發(fā)生變形或破裂。殘留強(qiáng)度殘留強(qiáng)度是指澆注后型殼脫殼時(shí)的強(qiáng)度，它影響著鑄件清理的難易程度。殘留強(qiáng)度過高，清理困難，并易因清理使鑄件變形或破壞。 2.制殼用耐火材料1）石英石英是一種資源豐富、價(jià)格低廉的耐火材料。熔模精鑄通常采用的是經(jīng)機(jī)械加工粉碎的石英砂（粉）。石英中， sio2量愈高，其他雜物含量愈低則耐火度愈高。 sio2溶點(diǎn)為1713。2）電熔剛玉電熔剛玉電熔剛玉就

15、是a-a12o3，熔點(diǎn)高（2050）、密度大、結(jié)構(gòu)致密，導(dǎo)熱性好，熱膨脹小。是熔模鑄造的良好耐火材料。但由于資源短缺、價(jià)格昂貴，目前僅應(yīng)用于耐火高合金鋼、不銹鋼及鎂合金等精鑄件的制殼材料。3）鋯砂（鋯英石）鋯砂（鋯英石）鋯砂又稱硅酸鋯或鋯英石。分子式為zro2sio2（或zr-sio2），理論組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為67.23% zro2、32.77% sio2，熱膨脹性小，蓄熱能力大，耐火度高。作為面層材料具有細(xì)化晶粒的作用，故常用做表面層涂料及撒砂材料，多用于不銹鋼精鑄件的生產(chǎn)。3.制殼用黏結(jié)劑三種黏結(jié)劑簡述黏結(jié)劑是熔模鑄造制殼用的主要原材料，它直接影響著型殼及鑄件質(zhì)量、生產(chǎn)周期和成本。1939

16、年熔模鑄造工業(yè)在美國產(chǎn)生時(shí)就采用醇基硅酸乙酯水解液做黏結(jié)劑，1960年又引入水基硅溶膠黏結(jié)劑。長期以來，美、英、法、德、日等國熔模鑄造均采用這兩種黏結(jié)劑。20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)在生產(chǎn)精度要求不高的汽車、拖拉機(jī)零件時(shí)，為降低生產(chǎn)成本采用水玻璃作為黏結(jié)劑，并將此工藝推廣到中國、波蘭、捷克等國。以上三種黏結(jié)劑在中國現(xiàn)均有使用。4.硅溶膠型殼的制備4.1制殼原理制殼過程是硅酸膠體膠凝的過程。涂料中的黏結(jié)劑把耐火粉料及撒砂黏結(jié)在模組外邊，形成所需形狀的型殼。硅溶膠型殼采用干燥硬化，即讓型殼干燥，水分蒸發(fā)，使硅溶膠濃度增加，達(dá)到膠凝臨界濃度時(shí)，硅溶膠則膠凝。每制一層型殼有三個(gè)工序：上涂料、撒砂、干燥，如此反復(fù)多次就可得到所需厚度的多層型殼。4.2 各工序目的及注意事項(xiàng)1)上涂料上涂料涂料的浸涂是制殼的關(guān)鍵工序之一，各處都要均勻涂上涂料。浸涂面層涂料時(shí)，要根據(jù)熔模的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在涂料桶中轉(zhuǎn)動或上下移動，防止熔模上的凹角、溝槽和小孔集存氣泡。 2)撒砂撒砂 撒砂是為了增強(qiáng)型殼和固定涂料，防止涂層干燥時(shí)由于膠凝