特種鑄造4第四章_陶瓷型鑄造

1、第四章第四章陶瓷型鑄造陶瓷型鑄造陶瓷型鑄造l陶瓷型鑄造定義l陶瓷型鑄造分類l陶瓷型鑄造的優(yōu)缺點(diǎn)l陶瓷型鑄造工藝l陶瓷型鑄造的應(yīng)用4.1 概述概述4.1.1 定義：陶瓷型鑄造是以硅酸乙酯為粘結(jié)劑，與耐火材料、催化劑和一些附加物混合攪拌成漿料，然后將漿料灌注成鑄砂，在催化劑的作用下，液態(tài)的漿料逐漸發(fā)生膠凝、固化，再經(jīng)過焙燒最終形成陶瓷型的鑄型（芯）的一種精密鑄造成形方法。 用陶瓷漿料制成鑄型生產(chǎn)鑄件的鑄造方法，陶瓷型鑄造是在砂型熔模鑄造的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新工藝。陶瓷型是利用質(zhì)地較純、熱穩(wěn)定性較高的耐火材料作造型材料；用硅酸乙酯水解液作粘結(jié)劑，在催化劑的作用下，經(jīng)灌漿、結(jié)膠、起模、焙燒等工序而制

2、成的。由于使用的耐火材料成分及其外觀都與陶瓷相似，故稱為陶瓷型。采用這種鑄造方法澆出的鑄件，具有較高的尺寸精度和表面光潔度，所以這種方法又叫陶瓷型精密鑄造。 4.2 陶瓷型分類： 陶瓷型的制造方法可分為兩大類：一類是全部采用陶瓷漿料制造鑄型法；另一類就是采用底套（相當(dāng)于砂型的背砂層）表面再灌陶瓷漿料以制陶瓷型的方法。底套又分砂套和金屬底套兩種； 小型陶瓷型鑄件，常采用全部以陶瓷漿料制造的陶瓷型，其造型過程如下所示。 1、首先將模型固定于模板上 2、再套上砂箱 3、然后將預(yù)先調(diào)好的陶瓷漿料倒入砂箱 4、將上表面刮平，等待結(jié)膠硬化 5、待漿料一旦出現(xiàn)彈性即可進(jìn)行起模 6、隨即點(diǎn)火噴燒（吹壓縮空氣助

3、燃） 7、待火熄滅后，移入高溫爐中噴燒即成所需的陶瓷型。 另一類就是帶底套的陶瓷型。生產(chǎn)中常采用帶底套的復(fù)合鑄型，即與液體金屬直接接觸的面層，灌注陶瓷漿料，而其余部分用砂套或金屬套代替。 完全陶瓷型鑄造完全陶瓷型鑄造砂套陶瓷型鑄造砂套陶瓷型鑄造 目前生產(chǎn)上應(yīng)用最廣泛的是CO2水玻璃砂底套陶瓷型。CO2水玻璃套有強(qiáng)度高，透氣性好制作簡便道優(yōu)點(diǎn)。其特殊之處，在于事先要準(zhǔn)備兩個(gè)模型，一個(gè)用于灌陶瓷漿料的鑄件模（A模），另一個(gè)用于制造底套（B模）其尺寸較（A 模）大 陶瓷型鑄件表面粗糙度可達(dá)Ra101.25微米,尺寸精度高達(dá)35級,能達(dá)到少無切削加工的目的。陶瓷型鑄造生產(chǎn)周期短，金屬利用率高。最大鑄件

4、可達(dá)十幾噸，陶瓷型鑄造模具的使用壽命可與用機(jī)械加工方法制成的模具相媲美，而制造成本則比用機(jī)械加工方法制成的模具低。小結(jié)：陶瓷型鑄造的特點(diǎn)：鑄件的表面質(zhì)量好：表面光潔度高； 尺寸精度高?？梢澡T造大型鑄件。投資少，投產(chǎn)快，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短。原材料價(jià)格昂貴。小批量生產(chǎn)，難于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化。6.3 陶瓷型鑄造工藝 工藝流程： 6.3.1 陶瓷型所用的造型材料 陶瓷型所用的造型材料包括耐火材料、粘結(jié)劑、催化劑、脫模劑、透氣劑等。 1耐火材料，陶瓷型所用的耐火材料要求雜質(zhì)少，熔點(diǎn)高和高溫?zé)崤蛎浵禂?shù)小。可作陶瓷型的耐火材料有剛玉粉、鋁礬土、碳化硅及鋯砂粉等。 2粘結(jié)劑，陶瓷型常用的粘結(jié)劑是硅酸乙酯水解液。

5、3催化劑，陶瓷漿料所用的催化劑有氫氧化鈣、氧化鎂、氫氧化鈉以及氧化鈣等。 脫膜劑，常用的脫模劑有上光臘，變壓器油，機(jī)油、有機(jī)硅油及凡士林等。 5透氣劑，在陶瓷漿料中加入透氣劑以改善陶瓷型的透氣性。常用的透氣劑是雙氧水，其加入量為耐火粉料重量的0203%。 陶瓷型所用的造型材料 （1）耐火材料 決定陶瓷型使用性能的主要因素是耐火材料。因此，合理選用耐火材料是關(guān)系到陶瓷型工藝的關(guān)鍵問題。選用耐火材料時(shí)需要考慮三方面的問題；物理性能、化學(xué)成分和粒度以及粒度的分布。表9-1列出了陶瓷型鑄造常用的耐火材料的物理性能與化學(xué)成分。 表6-1 陶瓷型用耐火材料的性能及成分名稱化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，）性 能Al2

6、O3SiO2ZrO2Fe2O3CaOMgO熔點(diǎn)/密度/(g/cm3)線脹系數(shù)/K-1硅砂2.0970.517132.6512.5106剛玉970.250.1520453.95028.6106棕剛玉9519003.95028.6106煤矸石4146545111.50.40.8170017902.622.655.0106鋁釩土80.00.81.40.70.418003.23.4(5.05.8106莫來石67.018002.83.15.4106鋯砂0.3033.065.00.42430796106 （2）粘結(jié)劑 陶瓷型常用的粘結(jié)劑是硅酸乙酯，硅酸乙酯經(jīng)過水解才具有粘結(jié)能力。水解時(shí)要加水、鹽酸及乙醇等

7、化學(xué)物質(zhì)。水解后產(chǎn)生硅溶膠，再在催化劑的作用下，轉(zhuǎn)變成凝膠，將耐火材料牢固粘結(jié)在一起，形成鑄型。水解硅酸乙酯粘結(jié)劑，由于不含Na2O等雜質(zhì)，表面張力大和粘度小，故粘結(jié)性能好。 硅酸乙酯只有經(jīng)過水解反應(yīng)后，才能變?yōu)楣杷崮z體溶液。所謂的水解反應(yīng)就是硅酸乙酯和水及溶劑酒精，通過酸的催化作用而發(fā)生的反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)是硅酸乙酯中的乙氧基C2H5O被水中的羥基（OH）所取代，同時(shí)發(fā)生聚縮反應(yīng)。水解反應(yīng)方程式如下： （C2H5O）4Si+2H2OSiO2+4C2H5OH 水解反應(yīng)的主要原材料有硅酸乙酯、乙醇、鹽酸和水。 （a）硅酸乙酯40 硅酸乙酯是由四氯化硅和無水乙 醇經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而制得，即 SiCL4+4C2

8、H5OH（C2H5O）4Si+HCL 陶瓷型鑄造通常用硅酸乙酯-32（3034SiO2）和硅酸乙酯-40（3842SiO2）。其主要物理性能見表9-2。實(shí)驗(yàn)證明，在采用相同的SiO2含量條件下，硅酸乙酯-40比硅酸乙酯-32的強(qiáng)度高.硅酸乙酯的雜質(zhì)含量低，耐火度高，因而實(shí)踐中首選硅酸乙酯-40。 表4-2 工業(yè)硅酸乙酯SiO2及雜質(zhì)的含量和主要物理性能SiO2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，）酸度（HCl）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，）粘度（20）/（mm2/s）密度（20）/(g/cm3)硅酸乙酯-40 40.68 0.015 3.0 1.05硅酸乙酯-32 30.67 0.04 0.95 0.944 （b）乙醇 由于硅酸乙酯

9、與水不相溶解，但是，兩者都溶解于乙醇，所以硅酸乙酯-40的水解是在乙醇水的溶液中進(jìn)行的。硅酸乙酯水解時(shí)要嚴(yán)格控制水的加入量，計(jì)算時(shí)要考慮乙醇中的含水量。 （c）鹽酸 為了加速硅酸乙酯水解反應(yīng)過程和將水解液的酸堿度控制在穩(wěn)定性最大的范圍內(nèi)，一般要加入鹽酸，它能夠與硅酸乙酯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易水解的氯化正硅酸乙酯中間產(chǎn)物。 （d）水 陶瓷型制作時(shí)一般用工業(yè)蒸餾水，由于自來水中含有氯離子等雜質(zhì)，它會(huì)使硅酸乙酯水解液產(chǎn)生白色絮狀物析出，而影響表層的強(qiáng)度。 （e）其他附加物 為了提高陶瓷型的強(qiáng)度、韌性和防止出現(xiàn)裂紋，水解反應(yīng)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計(jì)算 為使硅酸

10、乙酯水解液具有穩(wěn)定性好、成殼強(qiáng)度高和合適的硬化速度等特性，水解液需有合適的成分含量，其中主要的是加水量的計(jì)算。加水量應(yīng)使水解后硅酸乙酯中的H2O和SiO2的有適當(dāng)?shù)哪柋?，一般控制?.250.75之間。溶劑的加入量直接影響到水解液中的SiO2含量，水解液中SiO2的含量應(yīng)控制在1822，當(dāng)SiO2的含量在20時(shí)，型殼的強(qiáng)度最高。水解液的pH值一般在12，相應(yīng)的鹽酸含量約為0.036%0.36%，一般取0.2。 根據(jù)以上原則，可計(jì)算出水解100g硅酸乙酯所需加水量、溶劑及鹽酸的用量。水解液的具體配方如表9-3。 表4-3 硅酸乙酯40的水解液配方表硅酸乙酯水乙 醇鹽 酸技術(shù)指標(biāo)硅酸乙酯-40

11、蒸餾水體積分?jǐn)?shù)為96.5% 體積分?jǐn)?shù)為36.5% 密度為1.189g/ cm3加入量 100g 11.25g 138.75ml 適 量 （4）陶瓷漿料催化劑 水解硅酸乙酯即硅酸膠體，其自身的膠凝時(shí)間很長，而作為陶瓷型的粘結(jié)劑時(shí)必須縮短其膠凝時(shí)間。因此應(yīng)加入催化劑來加速和控制其凝固時(shí)間。催化劑的種類很多，國外常用有機(jī)胺類，國內(nèi)常用Ca(OH)2或MgO等。 目前國內(nèi)陶瓷型漿料常用的催化劑為分析純的粉末狀氫氧化鈣，應(yīng)保存在密封的玻璃容器中，以防止吸潮而失去作用。在生產(chǎn)大件時(shí)，由于漿料過多，為了使催化劑攪拌均勻便于灌漿，結(jié)膠時(shí)間控制在8l0min左右，而一般的小件結(jié)膠時(shí)間為35min。 （5） 分型

12、劑 在灌漿的過程中，由于液體陶瓷漿料極容易黏附在母模的表面，造成分型困難，破壞陶瓷型的完整性和表面質(zhì)量，所以在母模表面要涂一層分型劑。常用分型劑有汽車上光臘、變壓器油、機(jī)油、有機(jī)硅油及白凡士林等。 4.3.2 陶瓷漿料的配制及灌漿 1耐火材料的選擇 在鑄造尺寸和光潔度要求高的合金鋼鍛模、壓鑄型、玻璃器皿模具時(shí)，應(yīng)采用耐高溫的、熱穩(wěn)定性好的剛玉粉、鉆砂粉或碳化硅作為陶瓷型漿料的耐火材料。對于鑄鐵件或鋁鑄件可采用價(jià)格較便宜的鋁礬土或石英粉作為耐火材料，并正確選擇耐火材料的粒度組成。 2漿料的配制與灌漿 耐火材料與硅酸乙醇水解液的配比要適當(dāng)，不同耐火材料所需水解液的比例也不同。開始結(jié)膠的時(shí)間與灌漿的

13、時(shí)間對陶瓷型質(zhì)量有很大的影響。催化劑含量和室溫對結(jié)膠時(shí)間也有影響。灌漿過遲過早都不好。開始結(jié)膠的時(shí)間可通過預(yù)配小樣測定。 灌漿時(shí)，漿料倒入速度不應(yīng)過快，以防卷入空氣，最好邊灌漿邊振動(dòng)，以排除漿料中的氣體。 4.3.3 起摸 灌漿后的陶瓷型經(jīng)結(jié)膠，固化等階段。但在結(jié)膠開始后尚不能立即起模，一般在結(jié)膠后515min，待陶瓷層消有彈性時(shí)，起模效果最好。起模時(shí)先將澆注系統(tǒng)、通氣棒取出，然后垂直取出母模（不可敲動(dòng)），起模后應(yīng)立即進(jìn)行點(diǎn)火噴燒，否則易產(chǎn)生裂紋。 4.3.4 噴燒 起模后應(yīng)立刻點(diǎn)火并吹壓縮空氣進(jìn)行噴燒，而使陶瓷型的表面有一定的強(qiáng)度和硬度。 4.3.5 焙燒 焙燒的目的是使陶瓷型內(nèi)殘存的乙醇、

14、水分和少量的有機(jī)物燒去，并使陶瓷層的強(qiáng)度增加。 全部由陶瓷漿料灌制的陶瓷型，焙燒溫度可高達(dá)800，焙燒時(shí)間23h，出爐溫度應(yīng)在250以下，以防止產(chǎn)生裂紋。 帶有水玻璃套的陶瓷型，焙燒溫度（烘干）在350550。 4.3.6 澆注與清理 陶瓷型澆注時(shí)一定要注意擋渣。澆注溫度與澆注速度可比同類型的砂型鑄件稍高。陶瓷型鑄件最好待冷卻至室溫時(shí)再打箱，這樣可防止鑄件裂紋與變形。 工藝過程圖 3.2.3 陶瓷型的制備 （1）陶瓷型漿料的配制 陶瓷型漿料是由耐火材料、粘結(jié)劑和催化劑等組成的。對耐火材料的要求是：耐火度高、線脹系數(shù)小、熱化學(xué)穩(wěn)定性好，資源豐富和價(jià)廉無毒等。目前能用的耐火材料品種繁多，選用時(shí)可根

15、據(jù)合金的種類、鑄件的大小和要求選擇。對于尺寸精度高的合金鋼熱鍛模和玻璃模，可選用耐火度高、而穩(wěn)定性好的剛玉、鋯砂粉或碳化硅作為耐火材料.對于鑄鐵件和鑄鋁件，可采用廉價(jià)的鋁礬土或硅石粉作為耐火材料。 耐火材料粒度分布中的細(xì)粉數(shù)量，直接決定了陶瓷鑄型和鑄件的表面質(zhì)量。為了獲得光潔的鑄件表面，必須使用一定量的細(xì)粉。但是細(xì)粉的數(shù)量如果用得太多就會(huì)影響漿料的流動(dòng)性。特別是細(xì)粉量占到60時(shí)陶瓷型的透氣性接近為零，而且鑄型還容易產(chǎn)生裂紋。在具體的應(yīng)用中小件和表面質(zhì)量要求高的鑄件一般細(xì)粉多一些，但是也不能超過60；較大的鑄件，粗料可以相對多一些。 陶瓷漿料中硅酸乙酯水解液的加入量，主要取決于所用耐火材料的種類

16、和水解液的黏度。一般的原則是：在保證漿料足夠流動(dòng)性的前提下，粘結(jié)劑的加入量越少越好。 （2）陶瓷型的灌漿 正確地控制漿料的流動(dòng)性和準(zhǔn)確地把握結(jié)膠時(shí)間，是成功完成灌漿工序、制得陶瓷型的關(guān)鍵。澆灌太早，容易沖走母模表面的分型劑，引起粘膜；同時(shí)漿料中耐火材料易沉淀，使鑄型產(chǎn)生裂紋；澆灌太遲，漿料流動(dòng)性差，鑄型內(nèi)腔輪廓不清晰。 主要的工藝過程是：按比例將耐火材料逐步加入水解液中混合均勻，然后根據(jù)漿料的流動(dòng)性或者說是攪拌過程中的阻力情況加入催化劑。 根據(jù)鑄件的大小和經(jīng)驗(yàn)及時(shí)地進(jìn)行灌漿，在準(zhǔn)備漿料和灌漿時(shí)要注意如下幾點(diǎn)： （a） 在保證漿料具有一定的流動(dòng)性和充型能力的前提下，盡量增加漿料中固體的含量，以增

17、加漿料的稠度； （b） 在保證沖滿型的前提下，盡可能縮短結(jié)膠時(shí)間。 （c） 嚴(yán)格遵守加料次序，即耐火材料往水解液中邊加邊攪動(dòng)，直至混合均勻后加入催化劑：由于催化劑的加入量少，更應(yīng)該注意它在漿料中的均勻性。 國內(nèi)現(xiàn)在還沒有連續(xù)測定漿料粘度和正確決定灌漿時(shí)間的檢測法，一般是憑經(jīng)驗(yàn)確定灌漿時(shí)間，即當(dāng)耐火材料已經(jīng)沒有沉淀現(xiàn)象，漿料粘度突然發(fā)生變化，這時(shí)就該立刻澆灌。漿料的結(jié)膠時(shí)間（或稱灌漿時(shí)間）應(yīng)根據(jù)零件的大小來決定。在嚴(yán)格控制其他條件的前提下，結(jié)膠時(shí)間可通過調(diào)整催化劑的加入量來實(shí)現(xiàn)，小件一般控制在46mim中、大件可控制在815min。 （3）陶瓷型的起模 陶瓷漿料從灌漿到起模這段時(shí)間，一般稱作硬化

18、時(shí)間，這段時(shí)間陶瓷漿料將經(jīng)過五種狀態(tài)：液態(tài)，黏稠態(tài)、稠塑性態(tài)、彈塑性態(tài)和彈性狀態(tài)等。這五種狀態(tài)可分為兩個(gè)階段：陶瓷結(jié)構(gòu)形成階段（漿料從催化劑加入到稠塑性狀態(tài)）和強(qiáng)度增長階段（即從稠塑性狀態(tài)到彈性狀態(tài)）。如果起模太早，陶瓷型會(huì)出現(xiàn)大量的裂紋而報(bào)廢。一般認(rèn)為，起模時(shí)間最好在它剛處于彈性狀態(tài)，陶瓷漿料開始脫液收縮之前。起模時(shí)間太遲，漿料開始脫液收縮，鑄型的精度會(huì)受影響。因此，一般認(rèn)為，為了防止鑄型產(chǎn)生裂紋，起模時(shí)間可延長一些，最好處于彈性狀態(tài)的后期。陶瓷型需要的起模力較大，用手工很困難，故在生產(chǎn)中常用機(jī)械起模。 起模后鑄型暴露在空氣中，由于乙醇快速揮發(fā)，鑄型的表面會(huì)產(chǎn)生大量的龜裂。過去人們是噴一層1

19、0的石蠟-四氯化碳溶液，覆蓋在陶瓷型的表面阻止乙醇的揮發(fā)，由于四氯化碳毒性太大，應(yīng)用不多。采用高沸點(diǎn)的溶劑或在溶劑中加入少量高沸點(diǎn)的物質(zhì)，以阻礙快速揮發(fā)，操作簡單，效果較好。 （4）陶瓷型的噴燒和焙燒 在生產(chǎn)實(shí)踐中，一般采用兩種方法：慢速的水浴法和快速的噴燒法。慢速的水浴法可使溶劑均勻的從鑄型的各個(gè)表面緩慢地除去，制得的陶瓷型尺寸精度高，收縮小，適用于小件的整體陶瓷型。由于排除溶劑較慢，還需要緩慢烘干，再排除水分，所以此法的應(yīng)用并不廣泛。 快速噴燒是在起模后立即噴燒，可使?jié){料中大量的有機(jī)溶劑來不及揮發(fā)就被快速燒掉，從而把陶瓷型的尺寸固定。隨著溶劑的燒掉和熱的綜合利用，迅速提高了鑄型表面的強(qiáng)度，

20、使整個(gè)鑄型的收縮減小，鑄型的尺寸精度高。在噴燒過程中，對于形狀復(fù)雜，空氣難以進(jìn)入的型腔部分，為了避免燃燒不充分而產(chǎn)生收縮裂紋，應(yīng)吹入壓縮空氣助燃。 經(jīng)過噴燒后，有機(jī)溶劑的8090可以去掉，殘留部分經(jīng)過焙燒可以完全揮發(fā)掉。所以，噴燒過的陶瓷型一定要經(jīng)過焙燒。但是，焙燒會(huì)使鑄型的尺寸膨脹，溫度越高膨脹就越大。陶瓷型放入高溫爐里焙燒時(shí)，型腔的工作面要向上平放，切忌型腔面?zhèn)攘⒒蛳蛳碌狗?。同時(shí)，砂底套也應(yīng)該放在一塊平板上，以防止變形影響鑄型的尺寸。 (5) 澆注與清理 澆注一定要擋渣。澆注溫度和澆注速度略高于砂型鑄造。 冷卻至室溫再開箱，以防止鑄件裂紋與變形。 4.4 復(fù)合陶瓷型工藝 如前所述如將整個(gè)鑄

21、型做為陶瓷型稱為整體陶瓷型，實(shí)際應(yīng)用中很不經(jīng)濟(jì)，且因陶瓷型的透氣性小，型壁太厚噴燒時(shí)容易變形，故生產(chǎn)中廣泛使用復(fù)合陶瓷型。復(fù)合陶瓷型工藝，即僅在型腔表面灌注一層陶瓷漿料，背面則用其它砂型如水玻璃砂型或金屬型套等。各種復(fù)合陶瓷型鑄造工藝過程如圖9-2、圖9-3所示。圖9-2 砂型的復(fù)合陶瓷型工藝示意圖圖9-3 金屬套的復(fù)合陶瓷型工藝 6.5 無醇陶瓷型工藝無醇陶瓷型工藝 按常規(guī)，硅酸乙酯水解需要加入乙醇，水解液存放12h以后，才能進(jìn)行制漿。無醇陶瓷型工藝，是指在硅酸乙酯的水解過程中不需要加入乙醇，直接將耐火材料與硅酸乙酯，水鹽酸和促凝劑混合在一起，充分?jǐn)嚢?。在攪拌過程中硅酸乙酯與耐火材料相互接觸產(chǎn)生機(jī)械摩擦，并且在鹽酸的催化作用下，進(jìn)行緩慢水解。部分水解的硅酸膠體在促凝劑的作用下，將進(jìn)行逐步膠凝，即經(jīng)過一段時(shí)間的