熔模鑄造綜述

熔模鑄造綜述摘要熔模鑄造是在可熔模樣的表面涂覆多層耐火材料，待其硬化干燥后，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(guò)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。它是一種近凈成形工藝，其鑄件精密、復(fù)雜，接近零件最后形狀，可不經(jīng)加工直接使用或經(jīng)很少加工后使用。關(guān)鍵字熔模鑄造失蠟法1、引言：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瞥尚蜌ぃ俳?jīng)過(guò)焙燒，然后進(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"熔模鑄造的工藝過(guò)程見(jiàn)圖1?？捎萌勰ｈT造法生產(chǎn)的合金種類有碳素鋼、合金鋼、耐熱合金、不銹鋼、精密合金、永磁合金、軸承合金、銅合金、鋁合金、鈦合金和球墨鑄鐵等。熔模鑄件的形狀一般都比較復(fù)雜，鑄件上可鑄出孔的最小直徑可達(dá)0.5mm，鑄件的最小壁厚為0.3mm。在生產(chǎn)中可將一些原來(lái)由幾個(gè)零件組合而成的部件，通過(guò)改變零件的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)成為整體零件而直接由熔模鑄造鑄出，以節(jié)省加工工時(shí)和金屬材料的消耗，使零件結(jié)構(gòu)更為合理。熔模鑄件的重量大多為零點(diǎn)幾十牛（即幾十克到幾公斤），太重的鑄件用熔模鑄造法生產(chǎn)較為麻煩，但目前生產(chǎn)大的熔模鑄件的重量已達(dá)800牛左右。熔模鑄造工藝過(guò)程較復(fù)雜，且不易控制，使用和消耗的材料較貴，故它適用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜、精度要求高、或很難進(jìn)行其它加工的小型零件，如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片等。

圖1是熔模鑄件的照片。熔模鑄造的工藝過(guò)程見(jiàn)圖3。圖1熔模鑄件照片圖2熔模鑄件產(chǎn)品下圖為熔模鑄造的工藝流程圖。圖3熔模鑄造工藝過(guò)程卜壓型制造＞組裝模組型殼制造*填砂、澆注丄圖4熔模鑄造的流程圖熔模的制造熔模鑄造生產(chǎn)的第一個(gè)工序就是制造熔模，熔模是用來(lái)形成耐火型殼中型腔的模型，所以要獲得尺寸精度和表面光潔度高的鑄件，首先熔模本身就應(yīng)該具有高的尺寸精度和表面光潔度。此外熔模本身的性能還應(yīng)盡可能使隨后的制型殼等工序簡(jiǎn)單易行。為得到上述高質(zhì)量要求的熔模，除了應(yīng)有好的壓型（壓制熔模的模具）外，還必須選擇合適的制模材料（簡(jiǎn)稱模料）和合理的制模工藝。模料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(diǎn)較低，為60?700C；凡主要用天然樹脂配制的模料稱為樹脂基模料，熔點(diǎn)稍高，約70?1200C。經(jīng)常用來(lái)配制模料的原材料的性能見(jiàn)表1。

表1.常用模料原材料的性能名稱熔點(diǎn)(oC)灰分（重量％）重度25oC時(shí)（牛/米2）抗拉強(qiáng)度（牛/米2）延伸率（%）線收縮率（%）軟化占八、、（oC）石蠟硬脂酸松香川蠟58-66<0.11(8.5-8.7)X1032.21-2.94)X1052-2.50.5-0.7約3070-71<0.028.4-8.7)X1031.72-1.96)X1052.0-3.00.6-0.69約3589-93<0.038.8-10.7)X1030.07-0.0952-6680-850.036-0.0519.0-9.3)X10311.3-12.7)X1051.6-2.20.8-1.2地蠟褐煤蠟67-800.039.8X10471.74X1052.0約4082-870.1-0.58.6-10.1)X103聚乙烯115-1300.04-0.088.8-9.1)X103118-137)X1051-1.5約80模料的配制及回收）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(shí)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(shí)也有將模料熔化為液體直接澆注熔模的情況。）模料的回收。使用樹脂基模料時(shí)，由于對(duì)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(guò)濾后用來(lái)制作澆冒口系統(tǒng)的熔模。使用蠟基模料時(shí)，脫模后所得的模料可以回收，再用來(lái)制造新的熔模?？墒窃谘h(huán)使用時(shí)，模料的性能會(huì)變壞，脆性增大，灰分增多，流動(dòng)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。熔模和模組的制造1）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(shí)，分型劑可為機(jī)油、松節(jié)油等；壓制樹脂基模料時(shí)，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、氣壓法和活塞加壓法。2）熔模的組裝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(shí)，國(guó)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。型殼的制造熔模鑄造的鑄型可分為實(shí)體型和多層型殼兩種，目前普遍采用的是多型殼。將模組浸涂耐火涂料后，撒上料狀耐火材料，再經(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(shí)間，使其充分硬化，然后熔失模組，便得到多層型殼。多層殼有的需要裝箱填砂；有的則不需要，經(jīng)過(guò)焙燒后就可直接進(jìn)行澆注。在熔失熔模時(shí)，型殼會(huì)受到體積正在增大的熔融模料的壓力；在焙燒和注時(shí)，型殼各部分會(huì)產(chǎn)生相互牽制而又不均的膨脹的收縮，因此，金屬還可能與型殼材料發(fā)生高溫化學(xué)反應(yīng)。所以對(duì)型殼便有一定的性能要求，如小的膨脹率和收縮率；高的機(jī)械強(qiáng)度、抗熱震性、而火度和高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性；型殼還應(yīng)有一定的透氣性，以便澆注時(shí)型殼內(nèi)的氣體能順利外逸。這些都與制造型殼時(shí)所采用的耐火材料、粘結(jié)劑以及工藝有關(guān)。制造型殼用的材料制造型殼用的材料可分為兩種類型，一種是用來(lái)直接形成型殼的，如耐火材料、粘結(jié)劑等；另一類是為了獲得優(yōu)質(zhì)的型殼，簡(jiǎn)化操作、改善工藝用的材料，如熔劑、硬化劑、表面活性劑等。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(shí)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(jiǎn)稱硅酸溶膠），如硅酸乙酯水解液、水玻璃和硅溶膠等。組成它們的物質(zhì)主要為硅酸（H2SiO3）和溶劑，有時(shí)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(guó)，當(dāng)生產(chǎn)精度要求較的碳素鋼鑄件和熔點(diǎn)較低的有色合金鑄件時(shí)，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(zhǎng)期存放，制型殼時(shí)不需專門的硬化劑，但硅溶膠對(duì)熔模的潤(rùn)濕稍差，型殼硬化過(guò)程是一個(gè)干燥過(guò)程，需時(shí)較長(zhǎng)。

制殼工藝帶瀟口的鑄件圖5制殼的工藝過(guò)程制殼過(guò)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(shí)，為了提高涂料潤(rùn)濕模組表面的能力，需將模組表面的油污去除掉。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(rùn)濕熔模，掛涂料時(shí),把模組浸泡在涂料中,左右上下晃動(dòng),使涂料能很好潤(rùn)濕熔模，均勻覆蓋模組表面。涂料涂好后，即可進(jìn)行撒吵。）型殼干燥和硬化每涂復(fù)好一層型殼以后，就要對(duì)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。）自型殼中熔失熔模型殼完全硬化后，需從型殼中熔去模組，因模組常用蠟基模料制成，所以也把此工序稱為脫蠟。根據(jù)加熱方法的不同，有很多，脫蠟方法，用得較多的是熱水法和同壓蒸汽法。）焙燒型殼如需造型（填砂）澆注，在焙燒之前，先將脫模后的型殼埋箱內(nèi)的砂粒之中，再裝爐焙燒。如型殼高溫強(qiáng)度大，不需造型澆注，則可把脫模后的型殼直接送入爐內(nèi)焙燒。焙燒時(shí)逐步增加爐溫，將型殼加熱至8000-10000C，保溫一段時(shí)間，即可進(jìn)行澆注。熔模鑄件的澆注和清理4.1熔模鑄件的澆注熔模鑄造時(shí)常用的澆注方法有：1）熱型重力澆注方法有以下幾種。這是用得最廣泛的一種澆注形式，即型殼從焙燒爐中取出后，在高溫下進(jìn)行由澆注。此時(shí)金屬在型殼中冷卻較慢，能在流動(dòng)性較高的情況下充填鑄型，故鑄件能很好復(fù)制型腔的形狀，提高了鑄件的精度。但鑄件在熱型中的緩慢冷卻會(huì)使晶粒粗大，這就降低了鑄件的機(jī)械性能。在澆注碳鋼鑄件時(shí)，冷卻較慢的鑄件表面還易氧化和脫碳，從而降低了鑄件的表面硬度、光潔度和尺寸精度。

圖6熔模鑄造的澆注系統(tǒng)2）真空吸氣澆注將型殼如圖3所示放在真空澆注箱中，通過(guò)型殼中的微小孔隙吸走型腔中的氣體，使液態(tài)金屬能更好地充填型腔，復(fù)制型腔的形狀，提高鑄件精度，防止氣孔、澆不足的缺陷。該法已在國(guó)外應(yīng)用。圖7真空吸氣澆注裝置示意圖3）壓力下結(jié)晶將型殼放在壓力罐內(nèi)進(jìn)行澆注，結(jié)束后，立即封閉壓力罐，向罐內(nèi)通入高壓空氣或惰性氣體，使鑄件在壓力下凝固，以增大鑄件的致密度。在國(guó)外最大壓力已達(dá)150atm。4）定向結(jié)晶（定向凝固）一些熔模鑄件如渦輪機(jī)葉片、磁鋼等，如果它們的結(jié)晶組織是按一定方向排列的柱狀晶，它們的工作性能便可提高很多，所以熔模鑄造定向結(jié)晶技術(shù)正迅速地得到發(fā)展。熔模鑄件的清理熔模鑄件清理的內(nèi)容主要為：（1）從鑄件上清除型殼；（2）自澆冒系統(tǒng)上取下鑄件；（3）去除鑄件上所粘附的型殼耐火材料；（4）鑄件熱處理后的清理，如除氧化皮、盡邊和切割澆口殘余等。熔模鑄造工藝設(shè)計(jì)如同一般鑄造工藝設(shè)計(jì)，熔模鑄造工藝設(shè)計(jì)的任務(wù)為：（1）分析鑄件結(jié)構(gòu)的工藝性；（2）選擇合理的工藝方案，確定有關(guān)的鑄造工藝參數(shù)，在上述基礎(chǔ)上繪制鑄件圖；（3）設(shè)計(jì)澆冒系統(tǒng)，確定模組結(jié)構(gòu)。在考慮上述三方面的問(wèn)題時(shí)，主要的依據(jù)仍是一般鑄造過(guò)程的基本原則，尤其在確定工藝方案、工藝參數(shù)時(shí)（如鑄造圓角，撥模斜度、加工余量、工藝筋等），除了具體數(shù)據(jù)由于熔模鑄造的工藝特點(diǎn)稍有不同之外，而設(shè)計(jì)原則與砂型鑄造完全相同。中國(guó)熔模鑄造的未來(lái)我國(guó)熔模鑄造業(yè)建于50年代,因歷史原因存在兩種工藝水平的企業(yè):一是采用硅溶膠或硅酸乙酯型殼工藝,二是水玻璃型殼工藝。前類工廠的熔模鑄件達(dá)國(guó)際水平,后類工廠鑄件還達(dá)不到國(guó)際水平,但后類工廠占總廠家數(shù)的大多數(shù)。第一類工廠主要是原航空航天部的骨干精鑄廠及90年代新建的合資企業(yè)。十年來(lái)該類工廠發(fā)展迅速,1988年僅占全國(guó)熔模鑄造廠數(shù)的6%、產(chǎn)值的10%左右,1993年上升為廠數(shù)的10%、產(chǎn)值的25%,1997年更增為廠數(shù)的13%、產(chǎn)值近50%。現(xiàn)我國(guó)熔模鑄造廠點(diǎn)數(shù)約為1500家、年產(chǎn)17萬(wàn)t精鑄件，產(chǎn)值約2.8億美元。第一類熔模鑄造廠隨國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)和航空航天業(yè)的發(fā)展，國(guó)際市場(chǎng)的開拓，工藝技術(shù)和管理水平的提高，原輔材料及設(shè)備供應(yīng)的完善化仍將繼續(xù)發(fā)展。原航天航空骨干廠緊跟國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，改進(jìn)管理，更多走向國(guó)際市場(chǎng)。工藝穩(wěn)定，已形成生產(chǎn)規(guī)模的出口企業(yè)則應(yīng)提高產(chǎn)品檔次，不再停留于主要生產(chǎn)高爾夫球頭、五金件、馬具和管閥類精度要求較低的產(chǎn)品，而應(yīng)擴(kuò)大精度要求較高的機(jī)械零件產(chǎn)量。第二類熔模鑄造廠數(shù)量過(guò)多，已供過(guò)于求。隨著鑄鋼、樹脂砂工藝的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將更劇烈。部分企業(yè)將被淘汰。建議水平較高、有條件的廠應(yīng)利用水玻璃型殼快速、價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)，投入少量資金發(fā)展硅溶膠水玻璃復(fù)合型殼工藝，生產(chǎn)質(zhì)量比水玻璃型殼高的低成本熔模鑄件，以滿足國(guó)內(nèi)外汽車、機(jī)械制造、儀器、電子通訊設(shè)備、食品機(jī)械等行業(yè)需求?？傊覈?guó)熔模鑄造廠點(diǎn)多產(chǎn)量大，但產(chǎn)品達(dá)國(guó)際水平的還不多，這部分產(chǎn)品的產(chǎn)值僅占國(guó)際熔模鑄造的2%左右。而我國(guó)大多數(shù)精鑄原材料可立足國(guó)內(nèi)，價(jià)格較便宜，勞動(dòng)力充足費(fèi)用低，技術(shù)人員眾多，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)潛力很大。發(fā)達(dá)國(guó)家因勞動(dòng)力成本高，能源及環(huán)保的限制，其精鑄業(yè)正逐步向發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移。這均為我國(guó)熔模鑄造業(yè)提供了機(jī)遇和發(fā)展的有利條件。熔模鑄造同仁們應(yīng)努力提高企業(yè)工藝技術(shù)和管理水平，提高產(chǎn)品檔次，開拓市場(chǎng)，前景是光明的。中國(guó)在21世紀(jì)有望成為一個(gè)熔模鑄造大國(guó)。參考文獻(xiàn)：1馬福康.等靜壓技術(shù).北京:冶金工業(yè)出版社,1992.2何湘平.國(guó)外熔模鑄造發(fā)展概述?特種鑄造及有色合金，1992(3):40?43李風(fēng)霄?熔模鑄件的近凈形化技術(shù)及快速制模技術(shù)?特種鑄造及有色合金，1995(3):31?35張先波?國(guó)際精鑄業(yè)近況及展望?特種鑄造及有色合金，1994(4):23?24ThierryThys.NorthAmericanInvestmentCastersExperiencingUpwardTrend.INCAST,1997(1,2):10?11GinoBaiardi.Europe