熔模鑄造型芯、澆注、清理課件

1、2.4 熔模鑄造型芯陶瓷型芯實(shí)例為什么要使用型芯？ 當(dāng)鑄件內(nèi)腔過于窄小或形狀復(fù)雜,常規(guī)的涂掛涂料、撒砂等工序根本無法實(shí)施，或內(nèi)腔型殼無法干燥硬化時(shí)，就必須使用預(yù)制的型芯來形成鑄件內(nèi)腔。 陶瓷型芯是用粉狀耐火材料（石英玻璃粉或剛玉粉）和作為增塑劑的蠟料（石蠟或蜂蠟等）以及一些其他附加物混成漿料的物質(zhì)，在金屬型中壓制成型，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的陶瓷質(zhì)型芯。制熔模時(shí)，把陶瓷型芯放在相應(yīng)的位置上，使陶瓷型芯組成熔模上的小孔洞，留在熔模中，并露出型芯的芯頭部分。制殼時(shí)，陶瓷型芯便借助芯頭與型殼組成一體，成為型殼的一部分，用它來形成鑄件的復(fù)雜內(nèi)腔。芯頭自由端示意圖a）焙燒前 b）焙燒后1-陶瓷型芯，2-熔模，3

2、-型殼，4-自由端蠟層陶瓷型芯單晶葉片陶瓷型芯實(shí)例對(duì)型芯的基本要求 耐火度高 （高于合金的澆注溫度）熱膨脹率低，尺寸穩(wěn)定 （410-6/） 足夠的強(qiáng)度 （常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度） 化學(xué)穩(wěn)定性好 （不污染合金） 潰散性好，易脫除 （大多采用化學(xué)腐蝕法， 孔隙率約20%40%） 2.4.1概述型芯的種類按成型方法和工藝特點(diǎn)可分為：熱壓注陶瓷型芯傳遞成形陶瓷型芯灌漿成形陶瓷型芯水溶型芯水玻璃型芯替換粘結(jié)劑型芯細(xì)管型芯2.4.2 熱壓注陶瓷型芯成分組成石英玻璃（基體材料）礦化劑增塑劑表面活性劑（1）二氧化硅基陶瓷型芯 石英玻璃在熔點(diǎn)以下處于介穩(wěn)定狀態(tài)，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，當(dāng)加熱到一定溫度（透明石英玻璃為

3、1200，不透明的1100），開始轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞?，此轉(zhuǎn)變過程稱“析晶”，同時(shí)體積增大。當(dāng)冷卻至180270時(shí)，方石英又由型轉(zhuǎn)變?yōu)樾?，同時(shí)體積縮小。石英玻璃存在析晶反應(yīng)有害方面：體積變化，產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋，降 低強(qiáng)度有利方面：玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)，抑止了玻 璃態(tài)軟化的黏性流動(dòng)，提高高溫抗變形能 力；析晶體積膨脹抵消了一部分燒結(jié)收縮石英玻璃影響析晶的因素粒度雜質(zhì)含量石英玻璃的燒結(jié)和析晶同時(shí)開始于1100 1200，燒成溫度很難掌握 加入礦化劑可降低燒結(jié)溫度常用礦化劑： 氧化鋁系 氧化鈣系 氧化鋯系礦化劑增塑劑增加陶瓷漿料的塑性，保證壓注成形常用增塑劑：石蠟、蜂蠟、硬脂酸為增加坯料強(qiáng)度，也加入高聚物（聚乙烯）

4、 增塑劑的用量對(duì)型芯孔隙率、抗彎強(qiáng)度、體積密度和燒成收縮率均有影響加入方法：將蠟熔融加入粉料中制成具有一定流動(dòng)性的陶瓷漿料，以便形成坯體。加入量：一般為粉料的15%20%，在保證成形的條件下盡量少加，以減少收縮，增加強(qiáng)度。增加粉料顆粒與增塑劑的潤(rùn)濕，使兩者能 夠很好的混合、包覆 常用表面活性劑：油酸、脂肪醇添加量：粉料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.5%1.0%表面活性劑二氧化硅基陶瓷型芯特點(diǎn) 石英玻璃很容易被堿金屬鹽所溶蝕形成可溶性硅酸鹽而脫除型芯，脫芯時(shí)間隨KOH或NaOH溶液的濃度和溫度的不同而有所差別。 因此氧化硅基型芯的脫除是比較容易的。 當(dāng)型芯使用溫度大于1550，用于單晶澆注時(shí)，葉片的合格率會(huì)受到

5、影響，尤其是合金中含Al、Hf和C時(shí)，在1550以上硅基型芯會(huì)與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此石英玻璃基型芯只適合生產(chǎn)柱晶和單晶葉片，不能用于更高溫度的定向凝固合金。 （2）氧化鋁基陶瓷型芯 生產(chǎn)內(nèi)腔更復(fù)雜的空心渦輪葉片，內(nèi)腔為網(wǎng)格式氣冷結(jié)構(gòu)，要求陶芯有更高的強(qiáng)度，需采用氧化鋁陶瓷型芯。 國(guó)內(nèi)以621所（北京航材院）為首，以俄羅斯樣品和資料為參考，開展了大量研究，已通過鑒定。目前存在問題：強(qiáng)度尚不夠高，除芯困難。材料均不是中性，常加易潰散劑氧化鋁基陶瓷型芯的成分主體為氧化鋁含第二種材料：氧化鎂、或氧化釔、或 氧化鉺為多孔結(jié)構(gòu)高孔隙率表面完整且致密有密度梯度氧化鋁基陶瓷型芯的結(jié)構(gòu)2.4.3 熱壓注陶瓷型芯

6、制芯工藝漿料制備 壓制型芯坯體 裝缽和填充填料焙燒強(qiáng)化 石英玻璃硅質(zhì)型芯配方原料SiO2Al2O3增塑劑比例(wt%)851520漿料制備 混料時(shí)將按比例稱好的石英玻璃和氧化鋁原料進(jìn)行球磨混合10小時(shí)，然后將增塑劑放入加熱攪拌機(jī)內(nèi)在100110時(shí)進(jìn)行保溫，加入混合好的原料，并同時(shí)攪拌，攪拌時(shí)間為12小時(shí)。將配制好的料漿澆成錠塊備用或直接壓注陶芯。 漿料的流動(dòng)性是重要的基本性能之一。壓制型芯坯體 熱壓注法制造陶瓷型芯的工藝參數(shù)控制類似于壓注熔模。一般來說壓力越大，壓注溫度越低，陶瓷型芯坯體變形越小，尺寸越準(zhǔn)確。漿料壓注溫度 / 壓注壓力 /MPa壓型溫度 / 保壓時(shí)間 /S脫模劑 80120 2

7、.74.0 3050 1030 硅油石英玻璃硅質(zhì)陶瓷型芯坯體壓注成形工藝參數(shù)裝缽和填充填料 裝缽是將壓制成型的陶瓷型芯坯體埋入盛有填料的缽中，防止型芯在焙燒過程中變形損壞。 型芯在匣缽內(nèi)的放置示意圖常用填料：經(jīng)1400煅燒46h的工業(yè)氧化鋁 （如采用未經(jīng)處理的工業(yè)氧化鋁粉作 填料，在型芯焙燒過程中，都會(huì)不同 程度地與填料反應(yīng)，造成型芯黏砂， 甚至產(chǎn)生裂紋或龜裂等缺陷）。 填充：每裝一層氧化鋁，均需在振幅為0.2 0.5mm的振動(dòng)臺(tái)上填充填料并振實(shí) 12min。 焙燒 T600：排蠟階段。去除陶瓷型芯中的增塑劑。 為使坯體不產(chǎn)生起皮、鼓泡等缺陷， 此時(shí)升溫要緩慢而均勻。當(dāng)溫度升至 600左右，陶

8、瓷型芯中的增塑劑基本 排出，處于完全松散狀態(tài)。T900：燒結(jié)階段。600以后可以快速升溫至 終燒溫度。通常終燒結(jié)溫度在1100 1400之間，保溫24h，冷卻至200 左右可出爐。 熱壓注硅質(zhì)陶瓷型芯的焙燒工藝規(guī)范強(qiáng)化 所謂強(qiáng)化就是將某種粘結(jié)劑溶液浸入已燒成的陶瓷型芯中以提高其強(qiáng)度。 強(qiáng)化分低溫強(qiáng)化和高溫強(qiáng)化。低溫強(qiáng)化 目的：提高型芯的室溫強(qiáng)度。 方法：將焙燒好的陶瓷型芯浸滲在溶有熱固性樹脂和固化劑溶液中。一般將型芯浸泡在強(qiáng)化劑中30min，常溫強(qiáng)度可提高1.53倍。高溫強(qiáng)化 目的：提高型芯的高溫強(qiáng)度。 方法：浸入硅酸乙酯水解液或硅溶膠中，待氣泡 消除后取出，自然干燥25h，能使高溫 強(qiáng)度提高

9、30% 50%。 形狀簡(jiǎn)單尺寸較大的型芯：機(jī)械脫除大多數(shù)陶瓷型芯用化學(xué)腐蝕法脫除 2.4.4 陶瓷型芯的脫除混合堿法（腐蝕性大，脫芯速度較快）堿溶液法（腐蝕性較小，脫芯速度慢）氫氟酸法（腐蝕性和毒性大）壓力脫芯法（腐蝕性較小，脫芯速度較快） 脫芯槽結(jié)構(gòu)示意圖壓力脫芯罐結(jié)構(gòu)示意圖 熔融堿反應(yīng)脫芯裝置 沸水溶芯裝置 水溶型芯遇水能溶解或潰散，其主要優(yōu)點(diǎn)是便于脫芯。但型芯必須能經(jīng)受住脫芯時(shí)水溶液或水蒸氣的浸蝕。 常用的水溶型芯有： 水溶石膏型芯 水溶陶瓷型芯2.4.5 水溶型芯普通水玻璃砂型芯的問題：常溫強(qiáng)度及高溫強(qiáng)度低，脫蠟時(shí)易破碎清理困難表面質(zhì)量和尺寸精度差2.4.6 水玻璃砂型芯解決辦法用高模

10、數(shù)水玻璃增加型芯的抗水性使用較細(xì)的型砂，增加水玻璃用量，提高 型芯的強(qiáng)度在型芯表面涂一層水玻璃面層涂料或噴水 玻璃，提高強(qiáng)度和表面質(zhì)量加入易潰散劑，解決型芯清理困難的問題改變玻璃相出現(xiàn)溫度和數(shù)量的物質(zhì)： CaO、MgO、云母、長(zhǎng)石等。 易潰散劑高溫下分解出氣體的物質(zhì)：煤粉、重油、CaCO3、磷酸鹽等2.5 熔煉澆注與清理2.5熔煉澆注與清理應(yīng)根據(jù)合金種類來選擇熔煉設(shè)備及工藝熔模鑄造以高溫合金鋼、低合金鋼、碳鋼 為主，次之為有色合金，鑄鐵占10%左右2.5.1熔煉部分高溫合金真空感應(yīng)電爐鈦合金真空自耗電極電弧凝殼爐真空熔煉一般鋼、銅 鋁 鑄鐵非真空熔煉2.5.1熔煉真空自耗電極電弧凝殼爐高溫合金

11、真空感應(yīng)熔化爐2.5.2常用澆注方法 重力澆注 重力澆注（澆包、直接、翻轉(zhuǎn)澆注） 澆包澆注熱損失大、降溫快金屬液氧化較嚴(yán)重，易夾渣應(yīng)用廣泛澆注現(xiàn)場(chǎng)爐嘴型殼減少了轉(zhuǎn)包過程中的降溫和金屬液氧化、夾渣要求型殼必須具有較高的強(qiáng)度直接澆注 應(yīng)用于中小精鑄件將型殼倒扣在坩堝上，將坩堝緩慢翻轉(zhuǎn)， 使金屬液澆入型殼金屬液基本不氧化，又不降溫，流動(dòng)平穩(wěn)， 但需專門設(shè)備用于質(zhì)量要求高，含鋁、鈦、鈮等易氧化 元素的不銹鋼、部分高溫合金翻轉(zhuǎn)澆注翻轉(zhuǎn)澆注示意圖（a）安裝型殼（b）翻轉(zhuǎn)澆注 (c)充型完畢翻轉(zhuǎn)澆注 優(yōu)點(diǎn)：流動(dòng)性好，輪廓清晰，尺寸精度高 缺點(diǎn)：（1）晶粒粗大，機(jī)械性能低 （2）鑄件表面脫碳、氧化熱型重力澆注

12、（1）細(xì)化晶粒表面孕育的方法 使用混有表面孕育劑的涂料作為面層涂料制造型殼，加速冷卻也可在一定程度上細(xì)化晶粒（2）控制澆注氣氛為還原性改善措施真空吸鑄（CLA法） 這種澆注方法的優(yōu)點(diǎn)是提高了合金液的充型能力，鑄件最小壁厚可達(dá)0.2mm，同時(shí)減少氣孔、夾渣等缺陷，可顯著提高鑄件的工藝出品率（90%），特別適合生產(chǎn)質(zhì)量要求較高的小型精細(xì)薄壁鑄件。真空吸鑄過程 真空吸鑄工藝過程示意圖 a）安裝待吸型殼 b）抽真空并開始吸鑄 c）充滿金屬液鑄件凝固 d）吸鑄結(jié)束直澆道內(nèi)屬液回流離心澆注離心澆注機(jī)示意圖 將金屬液澆入旋轉(zhuǎn)鑄型中，讓金屬液在離心力作用下成型 應(yīng)用：復(fù)雜薄壁件，流動(dòng)性不佳的金屬成形（如鈦合金

13、）調(diào)壓澆注 在真空中一定壓差下將金屬液壓入型腔，充型壓差為0.01MPa0.02MPa。隨后保持壓差并增大壓力至0.5MPa0.6MPa，使鑄件在此壓力下結(jié)晶。澆注鋁合金時(shí)澆注溫度680700，型殼溫度200300。低壓鑄造 在金屬液面上加空氣壓力使金屬液在壓力下，由下而上的充滿鑄型 應(yīng)用：大型復(fù)雜薄壁件上定向凝固 液態(tài)金屬冷卻法讓鑄件按照指定方向凝固應(yīng)用：航天航空用渦輪葉片等定向凝固2.5.3 清理 （1）清理工序清除型殼切割澆口磨內(nèi)澆口清砂除氧化皮表面清整（2）清除型殼振動(dòng)清殼高壓水清理 用104OMpa高壓水射到鑄件表面，清除型殼高壓水清理可使鑄件輪廓清晰、表面光潔生產(chǎn)效率高勞動(dòng)條件好經(jīng)

14、濟(jì)性好高壓水清理 當(dāng)噴嘴直徑為0.51.5mm時(shí)，最大沖擊力在離噴嘴100300mm處。 鋁鑄件 用810Mpa高壓水 鋼鑄件 用2040Mpa高壓水（3）切割澆口砂輪切割 平 應(yīng)用：碳鋼、低合金鋼、高合金鋼、鈦合金的中小件 氣割 不平 應(yīng)用： 碳鋼、低合金鋼切割澆口（4）表面清理噴砂噴砂自動(dòng)線噴干砂 利用壓縮空氣帶24300目砂噴出對(duì)鑄鋼件可噴剛玉砂、碳化硅砂、硅砂對(duì)鑄鋁件可噴玻璃砂、硅砂濕噴砂 濕噴砂又稱液體噴砂，水帶著砂噴在鑄件表面。比干噴砂有更好的表面光飾作用有更好的工作環(huán)境噴砂自動(dòng)線（5）精整 修正（砂輪、砂帶、風(fēng)動(dòng)砂輪、銼刀等） 矯正 光飾（液體噴砂、砂帶磨光、振動(dòng)光飾等） 表面處理（鈍化、防銹）種類機(jī)械整形手工整形鈍化(如美300系列不銹鋼鈍化工藝)拋丸水沖洗酸洗水沖洗拋丸水沖洗鈍化堿洗水沖洗光整水沖洗熱水洗吹干酸洗 酸洗液（40