《熔模精密鑄造硅基陶瓷型芯設計規(guī)范》

ICS81.060.99

CCSV94

團體標準

T/CIXXXX—XXXX

熔模精密鑄造硅基陶瓷型芯設計規(guī)范

Thedesignstandardsofsilica-basedceramiccoresforinvestmentcasting

（征求意見稿）

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XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實施

中國國際科技促進會發(fā)布

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熔模精密鑄造硅基陶瓷型芯設計規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了硅基陶瓷型芯特征結構設計要求、使用性能設計要求和模具設計要求。

本文件適用于高溫合金、不銹鋼、鈦合金等多種合金材料熔模精密鑄造中使用硅基陶瓷型芯的制造

工藝設計參考。

2規(guī)范性引用文件

本文件沒有規(guī)范性引用文件。

3術語和定義

下列術語和定義適用于本文件。

3.1

熔模精密鑄造investmentcasting

用蠟做成模型，在其外表包裹多層粘土、粘結劑等耐火材料，加熱使蠟熔化流出，從而得到由耐火

材料形成的空殼，再將金屬熔化后灌入空殼，待金屬冷卻后將耐火材料敲碎得到金屬零件的金屬熱成形

工藝，也稱為熔模鑄造或失蠟鑄造。

3.2

硅基陶瓷型芯silica-basedceramiccores

氧化硅為主材（質(zhì)量分數(shù)大于50%）的陶瓷型芯，本文件簡稱陶瓷型芯。

3.3

陶瓷型芯設計thedesignofsilica-basedceramiccores

為得到熔模精密鑄造鑄件內(nèi)空腔結構，而開展的關于陶瓷型芯結構設計、原材料體系設計、陶瓷型

芯成形模具設計、陶瓷型芯制造工藝設計等相關設計工作。

3.4

單晶陶瓷型芯singlecrystalceramiccore

在熔模精密鑄造過程中，采用定向凝固技術，用于生產(chǎn)單晶葉片而定制開發(fā)的陶瓷型芯。

3.5

定向晶陶瓷型芯directionalcrystallineceramiccore

在熔模精密鑄造過程中，采用定向凝固技術，用于生產(chǎn)定向晶葉片而定制開發(fā)的陶瓷型芯。

3.6

等軸晶陶瓷型芯equiaxedceramiccore

在熔模精密鑄造過程中，用于生產(chǎn)等軸晶葉片及等軸晶結構件而定制開發(fā)的陶瓷型芯。

3.7

陶瓷型芯芯頭ceramiccorehead

陶瓷型芯兩端非鑄件有效結構，在精密鑄造中起到定位和固定的結構部分。

3.8

室溫強化intensifyatroomtemperature

采用有機類強化劑，如樹脂材料等，通過浸漬固化等工藝，提高陶瓷型芯室溫強度而滿足后續(xù)發(fā)運、

壓蠟等強度需求而做的陶瓷型芯強化工藝。

3.9

陶瓷型芯素坯greenceramiccore

經(jīng)過模具注漿成形而未進行燒結的陶瓷型芯樣件。

3.10

Fire-to-Cast收縮率

1

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也稱為陶瓷型芯二次收縮率，簡稱FC收縮率，代號ηFC，陶瓷型芯在使用高溫條件下會產(chǎn)生收縮，

指從陶瓷型芯產(chǎn)品尺寸（λF）到陶瓷型芯在使用的高溫溫度和保溫時間條件（無金屬液包覆凝固）下，

陶瓷型芯實測尺寸（λC）的收縮變化率，定義為ηFC=(λF-λC)/λF。

3.11

注料嘴injectionnozzle

模具上直接接觸設備射嘴的部件，是熔融狀態(tài)的原材料進入模具型腔的組成部分。

3.12

主流道m(xù)ainstreamRoad

注料嘴通道在模具中延續(xù)的部分。

3.13

澆口gates

主澆道接通型腔的部分。

3.14

膠位gluebit

成型制品的空腔區(qū)域，也稱型腔。

3.15

分型面partingsurfaces

上下模閉合狀態(tài)下能接觸到的面。

3.16

插穿interpolate

分型面的特殊情況，通過側(cè)面貼合封膠，形成制品局部特征。

3.17

碰穿bump

分型面的特殊情況，通過正面貼合封膠，形成制品局部特征。

3.18

枕位Occipitalposition

主分型面局部凹陷區(qū)域。

3.19

油槽Oilsump

零件上用來存儲潤滑劑的凹槽。

3.20

鑲拼/鑲件Inlays/inserts

單獨分割開最終又連結固定在主體上的零件。

3.21

通鑲/盲鑲Through/blindmounting

鑲件貫穿/未貫穿主體的鑲拼設計方式。

3.22

冷料井Coldwells

設置在流道盡頭，用來儲存最先從進料嘴進入模具型腔的凝料。

3.23

排氣系統(tǒng)Exhaustsystem

成型過程中，將型腔以及制品成型過程中卷入氣體排出型腔外的系統(tǒng)。

4型芯特征結構設計要求

4.1型芯最薄壁設計要求

4.1.1最薄壁厚度尺寸及精度設計要求

2

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陶瓷型芯的進氣邊、排氣邊等結構趨于向薄壁發(fā)展，最薄壁厚設計主要考慮該位置型芯結構強度、

硅基陶瓷型芯脫芯液浸滲能力和漿料粒度分布等因素影響，建議最小壁厚≥0.4mm，尺寸精度不高于±

0.04mm。

4.1.2最薄壁長度尺寸要求

陶瓷型芯最薄壁長度為沿漿料流進方向可填充的長度或深度，根據(jù)陶瓷型芯成形能力和脫芯條件評

估，建議陶瓷型芯最薄壁長度不大于15mm。

4.2圓柱結構設計要求

4.2.1最小圓柱尺寸及精度設計要求

基于澆鑄強度，陶瓷成形填充能力、燒結后強度等多因素作用，建議陶瓷型芯最小圓柱不小于0.8mm，

成形精度不高于±0.06mm。

4.2.2預埋圓柱件設計要求

基于陶瓷型芯成形能力、預埋件強度、脫芯能力等因素影響，采用高剛玉（99.9%）成形陶瓷棒最

小尺寸不小于φ0.5mm，采用高純氧化硅（99.99%）成形石英棒最小尺寸不小于0.8mm。

4.3擾流柱孔設計要求

4.3.1最小孔直徑尺寸及精度設計要求

基于金屬成形填充能力等因素影響，建議陶瓷型芯最小圓柱直徑（φ）不小于0.3mm，成形精度不

高于±0.05mm。

4.3.2最小孔深度尺寸要求

基于金屬成形填充能力、模具支撐強度等因素影響，建議陶瓷型芯最小圓柱孔深(h)滿足：h≤5φ。

4.4條形通孔設計要求

4.4.1條形通孔最小尺寸及精度設計要求

陶瓷型芯條形通孔厚度不小于0.5mm，成形精度不高于±0.05mm。

4.4.2加強筋尺寸及精度設計要求

陶瓷型芯條形通孔每45mm設置加強筋，加強筋厚度不小于1mm，加強筋寬度不小于3mm，加強筋成形

精度不做要求。

4.5芯頭設計要求

4.5.1芯頭與模殼匹配設計要求

硅基陶瓷型芯與鋁基型殼材料熱膨脹系數(shù)不同，建議采用芯頭一端與型殼燒結固定（鎖死端），另

一端在平行型芯長度（L1）方向預留自由伸縮長度，確保自由移動距離大于±L1×2%；在垂直型芯長度

方向可預留一定間隙，一般不大于0.5mm。

4.5.2芯頭特征結構設計要求

在陶瓷型芯芯頭與模殼固定端（鎖死端）特征結構設計包括“T”型結構、方形凸起或方形通孔等，

可強化固定效果。

4.5.3芯頭尺寸和精度設計要求

陶瓷型芯芯頭尺寸一般不大于型芯中部結構尺寸，涉及芯頭定位要求的成形精度一般要求±0.1mm，

特殊情況可另行說明。

4.5.4芯頭統(tǒng)一標識和打標位置推薦

3

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陶瓷型芯標識應涵蓋型芯廠家、型芯批次號、型芯爐次號、型芯序號等基本信息；打標位置可在芯

頭平整區(qū)域，字號高度大于5mm；可選擇噴墨打印或激光打標。

4.6型芯外表面缺陷修補設計要求

4.6.1型芯可修補外表面缺陷要求

可修補的陶瓷型芯外表面缺陷包括裂紋、缺肉、凸起鼓包。

4.6.2型芯缺陷去除方法要求

對缺陷區(qū)域進行有效去除，主要采用切削、腐蝕、刻蝕等方法。去除后，陶瓷型芯基體其他位置不

應被破壞，陶瓷型芯去除區(qū)應保持相應反應活性。

4.6.3型芯缺陷去除區(qū)幾何結構設計要求

4.6.3.1裂紋去除區(qū)設計要求

對于陶瓷型芯表面裂紋去除區(qū)，采用圖1設計方案，其中，寬度w≤0.5mm，底部角θ≤60°，長度l≥

裂紋長度。

圖1裂紋缺陷去除區(qū)設計圖

4.6.3.2表面孔隙和凹陷去除區(qū)設計要求

對于陶瓷型芯表面孔隙和凹陷缺陷的去除區(qū)，采用圖2設計方案，其中，直徑φ≥φc，φc為裂紋

覆蓋范圍表面最大長度，底部角θ≤60°。

圖2表面孔隙等缺陷的去除區(qū)設計圖

4.6.4型芯缺陷去除區(qū)填補材料設計要求

4.6.4.1填補材料基本性能要求

填補材料應于陶瓷型芯基體主材一致，即均為氧化硅材料；填補輔助材料在激光、等離子體等作用

下應當與基體氧化硅晶粒有反應活性，形成冶金結合界面，該界面湛藍液無法滲入。

4.6.4.2填補材料使用性能要求

填補材料在陶瓷型芯二次焙燒溫度下（一般大于1400℃）不發(fā)生塌縮，且與陶瓷型芯基體的冶金

結合界面不會在焙燒溫度下再次發(fā)生開裂。

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5陶瓷型芯使用性能設計要求

5.1單晶陶瓷型芯力學性能設計要求：

a)室溫強度：單晶陶瓷型芯同爐次試樣條室溫強化后，強度需大于35MPa；

a)高溫強度：基于澆鑄條件、合金理化性能，在澆注溫度條件下，單晶陶瓷型芯高溫強度不小

于10MPa，不大于22MPa；

b)高溫撓度：單晶陶瓷型芯在澆注溫度條件下，撓度不大于(36/L2)mm,L2為陶瓷型芯不含芯頭

部分的長度。

5.2定向晶陶瓷型芯力學性能設計要求：

a)室溫強度：定向晶陶瓷型芯室溫強度需大于35MPa；

b)高溫強度：基于澆鑄條件、合金理化性能，在澆注溫度條件下，定向晶陶瓷型芯高溫強度不

小于15MPa，高溫強度不大于25MPa；

c)高溫撓度：定向晶陶瓷型芯在澆注溫度條件下，撓度不大于(60/L2)mm,L2為陶瓷型芯不含芯

頭部分的長度。

5.3等軸晶陶瓷型芯力學性能設計要求：

a)室溫強度：等軸晶陶瓷型芯同爐次試樣條室溫強化后，強度需大于40MPa；

b)高溫強度：在澆注溫度條件下，等軸晶陶瓷型芯高溫強度不小于25MPa。

5.4單晶及定向晶陶瓷型芯收縮率設計要求：

a)單晶及定向晶陶瓷型芯沿長度方向收縮率推薦范圍ηL∈[0.6%,1.2%]；

b)單晶及定向晶陶瓷型芯沿寬度方向收縮率推薦范圍ηW∈[1.2%,1.8%]；

c)單晶及定向晶陶瓷型芯沿厚度方向收縮率推薦范圍ηH∈[1.2%,1.8%]；

d)單晶及定向晶陶瓷型芯Fire-to-Cast收縮率推薦范圍ηFC∈[0.9%,1.0%]。

5.5等軸晶陶瓷型芯收縮率設計要求：

a)等軸晶陶瓷型芯沿長度方向收縮率推薦范圍ηL∈[0.6%,1.2%]；

b)等軸晶陶瓷型芯沿寬度方向收縮率推薦范圍ηW∈[0.6%,1.2%]；

c)等軸晶陶瓷型芯沿厚度方向收縮率推薦范圍ηH∈[0.6%,1.2%]；

d)等軸晶陶瓷型芯Fire-to-Cast收縮率推薦范圍ηFC∈[0.9%,1.0%]。

5.6硅基陶瓷型芯高溫化學穩(wěn)定性設計要求：基于氧化硅材料在高溫條件下的活性，澆鑄合金一般含

少量或不含Ti、Cr、Co、Al等金屬元素。

6型芯模具設計要求

6.1模具系統(tǒng)結構設計要求

6.1.1模具澆注系統(tǒng)

模具澆注系統(tǒng)設計應符合以下要求：

a)注料嘴采用鑲拼形式，與設備連接處設計SR球面，球面直徑需與其適配的設備射嘴球頭相匹

配，弧長弦高3mm-5mm，推薦規(guī)格：SR9.5SR9.75SR10等規(guī)格。注料嘴鑲件盡量設計在

模具中心位置，允許偏心15mm以內(nèi)；

b)主流道設計為直徑φ6mm-10mm的圓形流道?；虿捎锰菪瘟鞯?，通常設計高度h=2/3寬度，

梯形斜度取5°和10°，底部寬度4mm-12mm。所有流道必須開設冷料井。冷料井長度要求

是流道直徑的2倍；

c)澆口設在膠位厚壁處、產(chǎn)品最容易清除的地方、盡量避免熔接痕的產(chǎn)生、避開薄弱的型腔。

澆口設計可分為：直澆口、扇形澆口。厚度均不得超出壁厚的1/3。與型腔連接處圓滑過渡。

見圖3。

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圖3模具澆注系統(tǒng)結構簡圖

6.1.2模具開模方向及分型

模具開模方向及分型的設計應符合以下要求：

a)開模方向應盡量避免滑塊和抽塊產(chǎn)生多重角度；

b)分模面要沿膠位面拉伸，避免線或點封膠；

c)分模面保證封膠面8mm-10mm，剩余部分盡量做成平面便于加工；

d)分模面在滿足制品外觀和結構裝配時，盡量保持平整；

e)枕位、插穿位、碰穿位設計注意事項：

1)枕位設計寬度大于等于5mm；枕位的封膠面留有5mm～20mm，其它部分避空；枕位的斜

度落差至少要保持0.5以上、枕位要避免45°以下的尖角產(chǎn)生；

2)插穿斜度要保持2°-5°，有較長的插穿膠位時要加油槽；

3)碰穿設計要有較大面積時，留有5mm-10mm封膠面，其它部分避空，避空深度在0.1mm～

0.15mm，同時要加設排氣孔，防止困氣；

4)型芯鑲拼的選擇。通鑲優(yōu)先使用掛臺定位。掛臺規(guī)格：寬度2mm、3mm、5mm，深度5mm；

抽塊掛臺需兩側(cè)同時設計。除封膠面外，可避空的部位都應避空，R角要盡可能的大，方

便加工。

6.1.3模具開?？刂葡到y(tǒng)

6.1.3.1手動開模模具控制系統(tǒng)設計要求：

a)手動開模模具整體重量不超過30KG，單個活塊重量不超過2KG。特殊情況需設計吊裝螺絲孔，

借助行車實現(xiàn)開模；

b)需拆卸零件要做好防護，避免磕碰造成設備或模具損傷（例如上模分型面增加橡膠墊，壓緊

框設計護角）；

c)互換件或相似件需設計防錯機構，避免錯誤安裝導致制品異?；驂耗?；

d)模具零件標識需清晰不易磨損，與安裝位置明確對應；

e)所有活塊、滑塊、抽塊需設計撬口，并安裝手把。位置不允許安裝手把時需保留螺紋孔，配

備專用工具，所有取模螺紋孔規(guī)格統(tǒng)一。

6.1.3.2自動模具控制系統(tǒng)設計要求：

a)設備開模時需選擇可靠附件（鎖模裝置、拉桿螺絲、彈簧）嚴格控制開模順序，各活動部件

需通過機臺接入接近開關，保證合模時，各部件位于開模初始狀態(tài)；

b)模具接入感溫探頭，實時監(jiān)控生產(chǎn)時模具溫度的變化狀況。超出設定溫度將提醒設備報警并

進入待機狀態(tài)。

6.1.4模具冷卻系統(tǒng)

模具冷卻系統(tǒng)設計要求：

a)模具采用循環(huán)水實現(xiàn)控溫；

b)水路設計應防止漏水到型腔、且不影響工人操作。工人一般在設備右側(cè)（正對注射嘴時設備

的右側(cè)，下同），因此水路外接口應設計在設備左側(cè)；

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c)快速接頭必須沉入模板內(nèi)，防止模具裝卸時碰傷；

d)快速接頭必須表面可見，易安裝，如果不可見需要使用加長水嘴；

e)水孔距頂針、斜頂和鑲件邊的最小距離不小于5mm。水孔間距及型腔之間的關系見表2；

表2模具冷卻系統(tǒng)相關參數(shù)設計表

單位：mm

參數(shù)系列1系列2系列3系列4

水孔直徑（d）661012

水孔間距30405060

水孔及型腔間距1.6d

水井直徑16202428

水嘴1/8?

f)密封圈標準規(guī)格見表3；

表3密封圈標準規(guī)格表

單位：mm

運水直徑密封圈尺寸密封圈安裝槽尺寸

內(nèi)徑膠圈厚度內(nèi)徑外徑深度

6828141.6

812211161.6

10142.413211.8

12162.415231.8

g)密封圈安裝。中心離側(cè)壁的距離應等于膠圈的外徑；

h)模具較大時，要考慮在模板設計水路；當型芯無法走水路時，要在型芯周圍的模架上設計水

路來冷卻型芯；滑塊膠位面積較大時要考慮設計水路；水路進出孔需標記。進水標記“In”，

出水標記“Out”，并在進出標記下方標記螺紋接頭的規(guī)格。

6.1.5模具排氣系統(tǒng)設計要求

模具排氣系統(tǒng)的設計應符合以下要求：

a)一級排氣間距6mm，類型方槽，二級排氣中心距10mm，主排氣寬度4mm，主排氣深度0.5mm，

膠口排氣深度0.04mm，主排氣與膠口距離4mm，排氣槽應沿型腔整圈均勻分布；

b)滑塊、抽塊、鑲塊等在不影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量的前提下都需要設計排氣槽；

c)排氣槽出氣口設計在注料嘴一側(cè)或模具上方。

6.1.6模具頂出系統(tǒng)設計要求

6.1.6.1模具手動頂出系統(tǒng)設計應符合以下要求：

a)手動頂出適用于生產(chǎn)批量小，頂出行程不大于12mm，重量在30kg以內(nèi)的小型模具；

b)手動頂出設計時可留出手扣位置，手動直接將頂針板抬高完成頂出動作；也可借助偏心軸旋

轉(zhuǎn)完成頂出動作。偏心軸順時針旋轉(zhuǎn)為頂出方向，需在模具外側(cè)標刻說明。

6.1.6.2模具液壓電動頂出系統(tǒng)設計應符合以下要求：

a)液壓電動頂出適用于批產(chǎn)模具和尺寸較大的模具。由設備自帶的頂桿配合實現(xiàn)頂出；

b)模具設計時需考慮頂針板設計中托司進行導向，數(shù)量根據(jù)模具大小而定，300×300mm2以內(nèi)兩個

即可，300×500mm2需設計四個。同時需接入行程開關予以監(jiān)控模具頂出是否正常復位，消除潛

在壓模風險。

6.1.6.3模具氣動頂出系統(tǒng)：氣動頂出一般是用于大型手動模具。由頂出行程確定氣缸規(guī)格，根據(jù)模

具大小均布安裝多個于頂針板底部。相鄰氣缸距離在400mm-500mm之間。氣路開關安裝在工人站立側(cè)（設

備右側(cè)），模具開模完成頂出工作。

6.2超氣冷雙層壁陶瓷型芯模具設計要求

6.2.1超氣冷雙層壁陶瓷型芯模具設計要求：

a)對于超氣冷雙層壁陶瓷型芯，模具結構無法或者很難直接一次成型，需采用多步成形方法；

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b)可溶性型芯模具設計，通過用一種可溶性材料形成雙層壁內(nèi)部型狀，將可溶性材料作為預埋

件放入陶芯模具中一次壓制陶芯成型；

c)將壓制出的整體制品放入酸性溶液，將可溶性型芯完全溶解，得出最終完整陶瓷型芯；

d)陶芯模具設計時水溶芯的定位需安全可靠，與模具貼合部分需嚴格控制間隙，合模時不能出

現(xiàn)壓碎或壓裂，也不能出現(xiàn)晃動。

6.2.2水溶芯相關設計要求：

a)水溶芯模具在設計脫模斜度時加料處理；

b)水溶芯自身強度必須足夠，避免充型過程中因注射壓力導致變形破損，一般室溫強度大于

15MPa。

6.3模具制造工藝設計

6.3.1模具壽命設計要求：

a)科研類模具壽命≥10000次；

b)批產(chǎn)類模具壽命≥50000次。

6.3.2模具材料選擇要求：

a)推薦模具材料牌號見表4；

b)需熱處理模具，上模淬火硬度應比下模高3-5（HRC）；

c)活動零件硬度應高于主體3-5（HRC）；

d)材料訂購尺寸規(guī)則見表5；

e)模具最小尺寸為120×120；

f)熱處理材料訂購時長、寬、高方向各加大0.5～1，已補償熱處理產(chǎn)生的變形；

g)模架材料無特殊要求選用S55C.上下。

表4模具材料牌號推薦表

材料牌號用途熱處理及表面處理

SKD11等定型批產(chǎn)陶芯模具的型腔零件HRC48-52

NAK80等科研類陶芯模具的型腔零件離子滲氮

8407/H13等抽塊滑塊頂出塊HRC48-52

H62等軸套、導向塊、耐磨塊等——

P20等滑塊座，固定模板手把等發(fā)藍

表5模具原材料規(guī)格推薦表

單位：mm

產(chǎn)品尺寸（X、Y）產(chǎn)品及模具邊緣的距離（X、Y）產(chǎn)品及模具邊緣的距離（高度Z向）

100以下2025

150以下2530

250以下30