熔模鑄造工藝

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1、談?wù)勅勰ｈT造工藝 摘要： 關(guān)鍵詞： 一：概述鑄造 鑄造一一熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型， 凝固后獲得具有一定形狀、 尺寸和性能金屬零件毛坯的成型方法。鑄造是人類掌握比較早的一種熱加工金屬工藝， 已有約6000年的歷史。中國約在公元前 1700?前1000年之間已進(jìn)入青銅鑄件的全盛期， 工藝上已達(dá)到相當(dāng)高的水平。 鑄造是指將室溫中為液態(tài)但不久后將固化的物質(zhì)倒入特定形狀 的鑄模待其凝固成形的加工方式。被鑄物質(zhì)多為原為固態(tài)但加熱至液態(tài)的金屬 （例：銅、鐵、 鋁、錫、鉛等），而鑄模的材料可以是沙、金屬甚至陶瓷。因應(yīng)不同要求，使用的方法也會 有所不同 。 二：鑄造分類 鑄造

2、種類很多，按造型方法習(xí)慣上分為： ① 普通砂型鑄造，包括濕砂型、干砂型和化學(xué)硬化砂型 3類。 ② 特種鑄造，按造型材料又可分為以天然礦產(chǎn)砂石為主要造型材料的特種鑄造 （如熔模鑄造、泥型鑄造、鑄造車間殼型鑄造、負(fù)壓鑄造、實(shí)型鑄造、 陶瓷型鑄造 等） 和以金屬為主要鑄型材料的特種鑄造（如金屬型鑄造、壓力鑄造、連續(xù)鑄造、低壓鑄 造、離心鑄造等）兩類。 按照成型工藝可分為： 1. 重力澆鑄：砂鑄，永久模鑄造。依靠重力將熔融金屬液澆入型腔。 2.壓力鑄造： 低壓澆鑄，高壓鑄造。依靠額外增加的壓力將熔融金屬液瞬間壓入鑄造型腔。 鑄造工藝通常包括： ①鑄型（使液態(tài)金屬成為固態(tài)鑄件的容器）準(zhǔn)

3、備，鑄型按所用材料可分為砂型、 金屬型、陶瓷型、泥型、 石墨型等，按使用次數(shù)可分為一次性型、半永久型和永久型， 鑄型準(zhǔn)備的優(yōu)劣是影響鑄件質(zhì)量的主要因素； ②鑄造金屬的熔化與澆注， 鑄造金屬（鑄 造合金）主要有鑄鐵、鑄鋼和 鑄造有色合金；③鑄件處理和檢驗(yàn)，鑄件處理包括清除 型芯和鑄件表面異物、切除澆冒口、鏟磨毛刺和披縫等凸出物以及熱處理、整形、防 銹處理和粗加工等。 鑄造工藝可分為三個基本部分，即鑄造金屬準(zhǔn)備、鑄型準(zhǔn)備和鑄件處理。 鑄造 金屬是指鑄造生產(chǎn)中用于澆注鑄件的 金屬材料，它是以一種金屬元素為主要成分，并 加入其他金屬或非金屬元素而組成的合金，習(xí)慣上稱為鑄造合金，主要有鑄鐵、

4、鑄鋼 和鑄造有色合金。 金屬熔煉不僅僅是單純的熔化，還包括冶煉過程，使?jié)策M(jìn)鑄型的金屬，在溫度、 化學(xué)成分和純凈度方面都符合預(yù)期要求。為此，在熔煉過程中要進(jìn)行以控制質(zhì)量為目 的的各種檢查測試，液態(tài)金屬在達(dá)到各項(xiàng)規(guī)定指標(biāo)后方能允許澆注。有時，為了達(dá)到 更高要求，金屬液在出爐后還要經(jīng)爐外處理，如脫硫、真空脫氣、爐外精煉、孕育或 變質(zhì)處理 等。熔煉金屬常用的設(shè)備有 沖天爐、電弧爐、感應(yīng)爐、電阻爐、反射爐等。 三：熔模鑄造工藝 熔模鑄造又稱失臘法。失臘法是用臘制作所要鑄成器物的模子，然后在臘模上涂以 泥漿，這就是泥模。泥模晾干后，在焙燒成陶模。一經(jīng)焙燒，臘模全部熔化流失，只 剩陶模。一般制泥模時

5、就留下了澆注口，再從澆注口灌入銅液，冷卻后，所需的器物 就制成了。 我國的失臘法至遲起源于春秋時期。 河南淅川下寺 2號楚墓出土的春秋時代的銅 禁是迄今所知的最早的失臘法鑄件。此銅禁四邊及側(cè)面均飾透雕云紋，四周有十二個 立雕伏獸，體下共有十個立雕狀的獸足。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臘法已經(jīng)比較成熟。戰(zhàn)國、秦漢以后，失臘法更為流行，尤其是 隋唐至明、清期間，鑄造青銅器采用的多是失臘法。 失臘法一般用于制作小型鑄件。用這種方法鑄出的銅器既無范痕，又無墊片的痕 跡，用它鑄造鏤空的器物更佳。中國傳統(tǒng)的熔模鑄造技術(shù)對世界的冶金發(fā)展有很大的 影響?，F(xiàn)代工業(yè)的熔模精密鑄

6、造，就是從傳統(tǒng)的失臘法發(fā)展而來的。雖然無論在所用 臘料、制模、造型材料、工藝方法等方面，它們都有很大的不同，但是它們的工藝原 理是一致的。四十年代中期，美國工程師奧斯汀創(chuàng)立以他命名的現(xiàn)代熔模精密鑄造技 術(shù)時，曾從中國傳統(tǒng)失蠟法得到啟示。 1955年奧斯汀實(shí)驗(yàn)室提出首創(chuàng)失蠟法的呈請， 日本學(xué)者鹿取一男根據(jù)中國和日本歷史上使用失蠟法的事實(shí)表示異議， 最后取得了勝 訴。 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?再經(jīng)過焙燒，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

7、稱 ”熔模精密鑄造” 可用熔模鑄造法生產(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)中可將一些原來由幾個零件組合而成的部件，通過 改變零件的結(jié)構(gòu)，設(shè)計成為整體零件而直接由熔模鑄造鑄出，以節(jié)省加工工時和金屬 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。 熔模鑄造工藝過程較復(fù)雜，且

8、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)動機(jī)的葉片等。 熔模的制造 熔模鑄造生產(chǎn)的第一個工序就是制造熔模， 熔模是用來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（簡稱模料）和合理的制模工藝。 3.1 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)

9、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 7 0 ?1200C。 3.2 模料的配制及回收 1 ）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。有時也有將模料熔化為液體直接 澆注熔模的情況。 2）模料的回收。 使用樹脂基模料時，由于

10、對熔模的質(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，在重熔過濾后用來制作澆冒口系統(tǒng)的熔模。 使用蠟基模料時，脫模后所得的模料可以回收，再用來制造新的熔模。可是在循 環(huán)使用時，模料的性能會變壞，脆性增大，灰分增多，流動性下降，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。 3.3 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

11、取出熔模。 壓制蠟基模料時， 分型劑可為機(jī)油、 松節(jié)油等;壓制樹脂基模料時，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，國外已廣泛采有機(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。 4 型殼的制

12、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)過焙燒后就可直接進(jìn)行澆注。 在熔失熔模時，型殼會受到體積正在增大的熔融模料的壓力；在焙燒和注時，型 殼各部分會產(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

13、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 注時型殼內(nèi)的氣體能順利外逸。這些都與制造型殼時所采用的耐火材料、粘結(jié)劑以及 工藝有關(guān)。 4.1 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（簡稱硅酸溶膠），如硅酸乙 酯水解液、水玻璃和硅溶

14、膠等。組成它們的物質(zhì)主要為硅酸（ H2SiO3 ）和溶劑，有 時也有穩(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，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，水玻璃仍 被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)；硅溶膠的穩(wěn)定性好，可長期存放，制型殼時不需專門的硬化劑， 但硅溶膠對熔模的潤濕稍差，型殼硬化過程是一個干燥過程，需時較長。 4.2 制殼工藝 制殼過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，為了提高涂料潤濕

15、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濕熔模，掛涂料時 , 把模組浸泡在 涂料中 ,左右上下晃動 ,使涂料能很好潤濕熔模，均勻覆蓋模組表面。涂料涂好后，即 可進(jìn)行撒吵。 3 ）型殼干燥和硬化 每涂復(fù)好一層型殼以后，就要對它進(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。 4） 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

16、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。 5） 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。焙燒時逐步增加爐溫，將型殼加熱至 8000-10000C ，保溫一段時間，即可進(jìn)行 澆注。 ［編輯本段］ 5熔模鑄件的澆注和清理 5.1熔模鑄件的澆注 熔模鑄造時常用的澆注方法有： 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。此時金屬在型殼中冷卻較慢，能在流動性較高的情況下充填鑄型

17、，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， 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。 2） 真空吸氣澆注 將型殼放在真空澆注箱中，通過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。 該法已在國外應(yīng)用。 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。在國外最大壓力已達(dá) 150 atm

18、。 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。 5.2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。 ［編輯本段］ 6熔模鑄造工藝設(shè)計 如同一般鑄造工藝設(shè)計，熔模鑄造工藝設(shè)計的任務(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

19、礎(chǔ)上繪制鑄件 圖； （3 ）設(shè)計澆冒系統(tǒng)，確定模組結(jié)構(gòu)。 在考慮上述三方面的問題時，主要的依據(jù)仍是一般鑄造過程的基本原則，尤其在 確定工藝方案、工藝參數(shù)時（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)計原則與砂型鑄造完全相同。 ［編輯本段］ 7特點(diǎn) CT5 所以 熔模鑄件尺寸精度較高，一般可達(dá) CT4-6 （砂型鑄造為 CT10~13，壓鑄為 ~7 ），當(dāng)然由于熔模鑄造的工藝過程復(fù)雜，影響鑄件尺寸精度的因素較多，例如模料 的收縮、熔模的變形、型殼在加熱和冷卻過程中的線量變化、合金的收縮率以及在凝 固過程中鑄件的變形等，所以普

20、通熔模鑄件的尺寸精度雖然較高，但其一致性仍需提 高（采用中、高溫蠟料的鑄件尺寸一致性要提高很多）。 壓制熔模時， 采用型腔表面光潔度高的壓型， 因此，熔模的表面光潔度也比較高。 此外，型殼由耐高溫的特殊粘結(jié)劑和耐火材料配制成的耐火涂料涂掛在熔模上而制 成，與熔融金屬直接接觸的型腔內(nèi)表面光潔度高。所以，熔模鑄件的表面光潔度比一 般鑄造件的高，一般可達(dá) Ra.1.6~3.2叩。 熔模鑄造最大的優(yōu)點(diǎn)就是由于熔模鑄件有著很高的尺寸精度和表面光潔度， 可減少機(jī)械加工工作，只是在零件上要求較高的部位留少許加工余量即可，甚至某些 鑄件只留打磨、拋光余量，不必機(jī)械加工即可使用。由此可見，采用熔模鑄造方法可 大量節(jié)省機(jī)床設(shè)備和加工工時，大幅度節(jié)約金屬原材料。 熔模鑄造方法的另一優(yōu)點(diǎn)是，它可以鑄造各種合金的復(fù)雜的鑄件，特別可以鑄造 高溫合金鑄件。如噴氣式發(fā)動機(jī)的葉片，其流線型外廓與冷卻用內(nèi)腔，用機(jī)械加工工 藝幾乎無法形成。用熔模鑄造工藝生產(chǎn)不僅可以做到批量生產(chǎn)， 保證了鑄件的一致性 而且避免了機(jī)械加工后殘留刀紋的應(yīng)力集中。