（材料加工工程专业论文）熔模铸造用浇注成形磷酸盐粘结型芯强度研究.pdf

四川大学硕士毕业论文 y7 7 9 13 8 熔模铸造用浇注成形磷酸盐粘结型芯强度研究 材料加工工程专业 研究生：曹科指导教师：闵小俊 摘要：基于新近发展起来的熔模铸造用浇注成形磷酸盐粘结犁芯( 用j x r 、j x r 一2 以及j x 一2 系列芯料制造) ，对其进行湿强度、t 强度、预焙烧后强度、 浸渍强化后强度、模拟随型壳焙烧后强度和模拟浇注铸件后的残余强度的测试 研究。结果表明：型芯的湿强度都较大，采用蒸汽脱蜡法获取型芯的成功率商， 并且其湿强度还具有随着固化t 燥进行增大的趋势；型芯在采用较低温度的预 焙烧t 艺时，型芯中含有的残余蜡料没有完全去除，采用硅溶胶浸渍强化时， 型芯强化不够充分：呵型芯在采用6 0 0 焙烧2 小时以上的预焙烧工艺时，型 芯中残余蜡料已经基本去除，型芯采用硅溶胶浸渍强化时，强化已经比较充分， 继续增加预焙烧时间和焙烧温度，型芯强度上升并不明显；型芯采削2 次强化 后的强度较采用型芯采用1 次强化的强度大得多：三种型芯材料中，j x r 型芯 强化后强度最大、j x r 一2 型芯次之，j x 一2 型芯最小；型芯在模拟睫型壳焙烧 后，型芯强度足够大，基本能够满足熔模铸造对型芯的强度要求，并且其强度 较预焙烧强化后型芯强度有所增加，其中j x r 型芯最多，j x r 一2 烈芯次之， j ) ( 一2 型芯最少：型芯符：经受模拟浇注铸件加热( 15 5 0 ) 后型芯残余强度较 采用模拟随型壳焙烧( 1 0 0 09 c ) 后强度下降，其中最大的j x r 氆芯平均残余强 度只有4 3 9 m p a ，| 佰最小的j x 一2 型芯平均残余强度仅为3 2 3 m p a 。 与浇注成形硅溶胶粘结型芯比较，磷酸盐粘结型芯具有下述特点：湿强度 高、型芯开裂趋向小、制芯容易；在高温浇注铸件后，型芯残余强度低，除芯 容易。 关键训：犁芯、浇注成形、熔模铸造、磷酸盐、强度 四川大学硕士毕业论文 s t u d y o ns t r e n g t hp r o p e r t i e so f p h o s p h a t eb o n d e dc o r e u s e di ni n v e s t m e n tc a s ta n df o r m e db y p o u r i n g m a j o r ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：c a ok es u p e r v i s o r ：m i nx i a o j u n a b s t r a c t ：b a s e do nt h ep h o s p h a t eb o n d e dc o r e su s e di ni n v e s t m e n tc a s tf o r m e db y p o u r i n g ( m a d eo fj x r ，j x r - 2a n dj x - 2s e r i e sc o r em a t e r i a l ) ，w h i c hw e r e d e v e l o p e dr e c e n t l y , t h e w e t s t r e n g t h ，d r ys 订e n g t l a ，p r e f i r e ds t r e n g t h , d i p - s t r e n g t h e n e ds t r e n g t h , s t r e n g t ha f t e rs t i m u l a t i n gs h e l lf i r i n g ，a n dr e s i d u a l s 仃e n g t ha f t e rs t i m u l a t i n gp o u r i n gc a s t i n gw e r et e s t e da n ds t u d i e d 1 1 1 er e s u l t i n d i c a t e st h ew e ts t r e n g t hi sv e r yl a r g e ，i ti sv e r ye a s yt oe x t r a c tt h ec o r e sf r o mt h e w a xb ys t e a m ；f u r t h e r n l o r e ，t h ew e ts t r e n g t hw i l li n c r e a s ei nt h eh a r d e n i n ga n d d r y i n gp r o c e s so ft h ec o r e s ；w h e nt h ec o r e sw e r ef i r e du n d e rl o wt e m p e r a t u r e ，t h e c o r e sc a nn o tb es t r e n g t h e n e df u l l yb yd i p p i n gs i l i c as o lb e c a u s et h ew a xh a sn o t b e e nw i p e do f fc o m p l e t e l yi nc o r e s ；b u ta f t e rt h ec o r e sa d o p t i n ga b o v et h ew o r k p r o c e d u r e ，f i r i n gt h ec o r e sf o r2h o u r si n6 0 0 ，t h ec o r e sc a r tb es t r e n g t h e n e df u l l y b yd i p p i n gs i l i c as o lb e c a u s et h ew a xh a sb e e nw i p e do f fc o m p l e t e l yi nc o r e s ，b u t t h es t r e n g t ho fc o r e si n c r e a s el i t t l ew i t ht h ei n c r e a s eo ff i r e dt i m ea n dt e m p e r a t u r e ； t h es t r e n g t ho fc o r e ss t r e n g t h e n e d2t i m e sa r cl a r g e rg r e a t l yt h a nt h es t r e n g t ho f c o r e ss t r e n g t h e n e d1t i m e s ；a m o n gt h ec o r e s ，t h es t r e n g t h e n e ds t r e n g t ho f t h ec o r e s ( m a d eo f j x rc o r em a t e r i a l ) i sl a r g e s t ，t h es t r e n g t h e n e ds t r e n g t ho f t h ec o r e s ( m a d e o f j x r 2c o r em a t e r i a l ) i st h es e c o n d t h es t r e n g t h e n e ds t r e n g t ho f t h ec o r e s ( m a d e o fj x - 2c o r em a t e r i a l ) i ss m a l l e s t t h ec o r e sa n e rs t i m u l a t i n gs h e l lf i r i n g ( f i r i n gt h e l i 四川大学硕士毕业论文 c o r e sf o r1 5h o u r si n1 0 0 0 。c ) ，t h es t r e n g t ho ft h ec o r e si se n o u g ht of u l f i l lt h e r e q u i r e m e n tt ot h es t r e n g t ho fc o r e si ni n v e s t m e n tc a s t ，a n dt h es t r e n g t hi sl a r g e r t h a nt h es t r e n g t ho ft h ec o r e ss t r e n g t h e n e d2t i m e s ，h e r e i n t o ，t h es t r e n g t ho ft h e c o r e s ( m a d eo fj x rc o r em a t e r i a l ) e n h a n c e sm o s t ，t h es t r e n g t ho f t h ec o r e s ( m a d e o f j x r - 2c o r em a t e r i a l ) e n h a n c e ss e c o n d l y ，t h es t r e n g t ho f t h ec o r e s ( m a d eo f j x - 2 c o r em a t e r i a l ) e n h a n c e sl e a s t t h ec o r e sa f t e rs t i m u l a t i n gp o u r i n gc a s t i n g ( f i r i n gt h e c o t e sf o r2m i n u t e si n1 5 5 0 ) ，t h er e s i d u a ls t r e n g t ho f t h ec o r e si ss m a l l e rt h a nt h e s t r e n g t ho ft h ec o r e sa f t e rs t i m u l a t i n gs h e l lf i r i n g ，t h ea v e r a g er e s i d u a ls t r e n g t ho f t h ec o r e s ( m a d eo fj x rc o r em a t e r i a l ) i ss t i l lh i g h e s t ，o n l y4 3 9 m p a ，b u tt h e a v e r a g er e s i d u a ls t r e n g t ho f t h ec o r e s ( m a d eo f j x - 2c o r em a t e r i a l ) i ss m a l l e s t ，o n l y 3 2 3 m p a a f t e rc o m p a r i n gw i t hs i l i c as o lb o n d e dc o r ef o r m e db yp o u r i n g , i ti sf o u n d t h a tp h o s p h a t eb o n d e dc o r ef o r m e db yp o u r i n g w h i c hp o s s e s s e sl a r g ew e ts t r e n g t h , i t i sn o te a s yt oc r a z ea n dg e te a s i l yw h e nm a n u f a c t u r i n gt h ec o r e s ，t h er e s i d u a l s t r e n g t ho f t h ec o r e si sv e r ys m a l la n dt h ec o r e si nc a s t i n g si se a s yt ob ee l i m i n a t e d a f t e rp o u r i n gc a s t i n g k e yw o r d s ：c o r e ，f o r m e db yp o u r i n g , i n v e s t m e n tc a s t , p h o s p h a t e ，s t r e n g t h h i 四川大学硕士毕业论文 1 绪论 1 1 熔模铸造概述 1 1 1 熔模铸造基本原理 熔模铸造又称“熔模精密铸造”、“失蜡铸造”。这种方法是易熔材料制 成精确光浩的模样易熔模，在易熔模上涂敷多层耐火材料，或灌注耐高温 的陶瓷浆料，硬化干燥后即成铸型。然后使铸型中的易熔模熔化流出，再将熔 化的液体金属浇注入焙烧后的铸型，液体金属在铸型中冷却凝固后成为其获得 尺寸精确、棱角清晰、表面光滑的铸件1 1 。利用其生产的铸件尺寸精度高，而且 由于其可以使材料消耗保持最低点因此其生产成本也要比锻造和机加工低廉 的多“1 。 我国的精密铸造技术源远流长，技艺精湛。早在一：千多年| j ，t 我国的劳动 人民就己掌握了“失蜡铸造”这种工艺方法，艮期制造官廷装饰用品，如古代流 传下来的青铜钟鼎等器皿便是用这种方法铸造出来的。熔模铸造技术能够得 到迅速发展是与它的众多优点分不开的，其主要优点有以下几点： 1 ) 熔模铸件尺、j 精度商、表面粗糙度细。 2 ) 可以铸造出薄壁铸件以及重量很小的铸件。 3 ) 可以铸造纹精绌的图案、文字、带有细槽和弯曲绌孔的铸件。 4 ) 可以制造m 用砂型铸造、锻乐、切削加工等方法难以制造出的形状复杂 的铸件。 5 ) 可以制造各种合金的铸件，而且可以减少切削加工、降低材料消耗。 6 ) 铸什采用强度较高、表面光滑的型壳作为与液体金属直接接触的型腔， 因此，不易产生掉砂现象减少，宜于保证铸件内郏质量。 7 ) 模具成本低、寿命高。 然而，事物总是一分为二的，熔模铸造也存在一定的缺点，其主要有： 1 ) 熔模铸造工艺过程复杂、工序多，影响铸件质量的工艺凼素多，必须 严格控制各种原材料及各项t 艺操作爿能够稳定生产。 2 ) 铸件不易过大，以免影响尺寸精度。 3 ) 生产周期较长。 四川大学硕士毕业论文 4 ) 铸件冷却速度慢，容易引起铸件晶粒粗大。炭钢铸件还容易形成表面 脱层。 熔模铸造的缺点随着本身技术的发展而不断改进。自从四十年代后期，采 用多层型壳，使生产周期缩短，材料消耗减少，生产成本降低。陶瓷型芯以及 可溶型芯的采用，又有利于使熔模铸件的形状更加不受限制。新的模料、耐火 材料、粘结剂的研制和发展；真空熔模技术、表面孕育细化技术、定向结晶、 热等静压及先进检测技术的采用，更有利于进一步提高和保证精镪铸件的质 量，扩大它的麻用范隔”1 。 1 1 2 熔模铸造工艺过程 熔模精密铸造的工艺过程。按其工艺排列，大致可以分为下述几个阶段： 第一阶段准备工艺技术资料及制造压犁。工艺技术资料主要包括有： 铸件图，浇注系统图，工艺规程，斥型图及工央量具图等。 铸件图主要是依据产晶零件图及其技术条件和铸造工艺要求设计的；浇 注系统主要是依据铸件结构形状和合金种类等选择的；而工艺规程是生产现场 直接指导操作的技术资料。 第二阶段制造熔模。即将具有一定温度的模料注入压型中，待其冷却 后，得到与铸件几何形状相同的可溶性模型。 制造熔模所用的材料称为模料。按模料熔点的不同，可分为低熔点、中熔 点及高熔点三种。常用的模辩有蜡料、塑料及可溶性豁等。目前教为广泛使用 的为低熔点和高熔点的蜡料。 第i 阶段诺4 造铸型。它包括； ；| 壳、造型与铸型焙烧等下艺。 所谓制壳就是在熔模表面涂覆一定层数的耐火涂料，待其硬化干燥后，熔 出熔模而得到型壳。造型按其所用填充料的不同，分为湿法和干法两种。湿法 即采片j 石英砂、矾土水泥与水调和成流体的填充料进行造型，而干法只是用于 态的孑亍英砂作为填充料。 第四阶段熔注台金及其他独立工序。 熔注合金即熔炼台金并将熔炼好的合金液，浇注到已准备完成的铸型巾。 合金凝固后即进行打箱、清理和切割浇冒口。清除铸件表面型壳和氧化皮的方 法有两种一机械清理法( 震动清珲和喷砂清理等) 和化学清坪法( 例如碱煮、 2 四川大学硕士毕业论文 碱爆和氢氟酸清理) 。实际生产中，往往两种i 司时采削，谓之综合清理法。随 后即进行热处理、检验等t 序。 t 13 我国熔模铸造发展概况 熔模精密铸造，仵我吲源远流长，战i 司时期，我们的祖先采用蜂蜡配制 模料，生产曾候乙铜尊、大型铜禁器座等铸件”。现代熔模铸造进入工业领域， 始十二次世界大战期问：因军事的需要，美、萸等国用该种工艺方法生产了大 量的涡轮喷气发动机的静叶片4 1 。特别是熔模铸造技术在产牛单晶涡轮叶片中 取得了显著成功后，它就被越来越多的应用于生产航天宇宙工业的各种产品零 件。1 “。 我国于2 0 世纪5 0 年代初期，首先在航空、军品等领域引进苏联投术， 开始，现代熔棋铸造生产；2 0 世纪6 0 年代，我国熔模铸造摹本处于停顿状态， 从2 0 世纪7 0 年代起，进入新的发展时期，针对水玻璃型壳开展了快速制壳， 开发新的硬化剂，提高型壳强度的研究；j 叫时，进行了完善硅酸乙酯，开发硅 溶胶，改善模料性能，提商制芯技术，发展新的熔模铸造工艺方法等研究“。 然而，我国精密铸造业真正的飞遽发展时期却足2 0 世纪如年代初至今的 十年，特别是最近的几年。1 9 9 8 年后，随着围家改革丌放政策的深入，企业 经济体制的变革，以及市场经济观念的转变，推动了我国原有水甲的铸造业在 数量上的发展，同时先进的精铸工艺和设备，以合资和独资的形式开始进入大 陆，使精密铸造业在质量水平上有了显著的提高，从而是使我国精密铸造业进 入到个飞速发展的时期“。 据统计“，2 0 0 1 年熔模铸造总产量已达2 7 4 万t ，总产值约4 7 8 亿 元，年产量和年产值分别为1 9 8 8 年的5 4 8 倍和1 4 4 8 倍。1 9 9 0 年中国新 建一批以生产出口精铸件为主的企业，简称出口企业。产品于1 9 9 3 年首次外 销国际市场之后，出口产量和产值逐年增长，2 0 0 1 年已达到7 万t ，以不锈钢 件为土，有部分碳钢、台金钢件，产值达2 8 8 亿元。同时，原有的水玻璃型 壳企业也在出口，约每年外销以碳钢为主的品质档次较低的精铸件约6 万t ， 产值4 5 亿兀，中崮熔模铸造业已走向倒际市场。存2 l 世纪有望成为一个熔 模铸造太嗣”1 。但是应该注意对新建项目，尤其是铸件精接及表面处埋项目， 其废气、废水排放虑严格按照有关法律法规和标准处理，切勿等闲视之，否则 3 四川大学硕士毕业论文 遗患无穷“。 1 1 4 国外熔模铸造发展概况 瞧方工业发达国家的熔模铸造业，近十年来甲均每年以7 9 的增长 率发展，1 9 9 6 年西方熔模铸件的总产值达4 4 5 亿美元，其中美困占5 0 歇洲占2 5 。8 0 年代是美国熔模铸造增长最快的时期。 据美国熔模铸造协会的统计1 9 8 4 年1 9 9 0 年荚匿熔模铸造产量和产值年 平增长牢分别为8 1 0 和1 8 。现有熔模铸造厂家4 0 0 多个，熔模铸件产 量约1 5 万t 。日本1 9 8 0 年1 9 8 9 年熔模铸件产量增加3 信，日本现有熔模铸 造厂点1 0 0 多个，熔模铸件年产量近1 万t ，产值4 亿美元，居亚洲之首。其 中钛合金高尔夫球棒头产值山0 7 亿美元。英国于1 9 5 8 年就成立熔模铸造师 协会，出于采用机器制壳，使熔模铸件的单件重量5 5 k g 增为3 5 0 k g 。昏前英 e 雪奋6 0 多家熔模铸造厂家产值4 亿美元为欧洲第一位。德国熔模铸造、 k 的年产值为2 亿美元，其中1 3 为航空产品的超级合会。 西方熔横铸造主要为本国的军工产品和高科技产品服务。军工产品是美 国、欧轷h 熔模铸造q p 的主要市场，其销售额的5 0 7 0 为航天、航空和军 工产品。西方发达国家的熔模铸造厂技术水平先进如英困就有一半的工厂是 出机器人操作控制主要工序生产；产品档次高，产品中超级合金和非铁合金材 质所占的比重大；产品的附加值很高，如法国1 9 9 5 年生产熔模铸钢仲和超级 合会铸件3 0 0 0 t ，产值2 7 亿美元，平均每l 熔模铸件9 万美元。 国外最近几年熔模铸造的帽关技术得到了巨大发展，其中粘结剂的发展 很快，从环境保护出发，还出现了代替硅酸乙酯的粘结剂。为了实现快速制模 和制壳，国外采削了多种快速制模技术、制模的设备更叛。如德国s h o t t 公司 的压注机，用于制作大型熔模，还有的压注机适合大批量生产优质熔模。美国 的m p i 公司生产的压蜡机，可通过计算机来控制压注工艺参数及整个加工过 程，制造出高质量的熔模。制壳采用机器人，例如英国d e r it e d 精铸公司采用 机器人制壳，型壳采用真空干燥、热气流干燥等新工艺，脱蜡采用微波技术“”。 另外，其他的进有纤维添加剂的使用，而添加纤维添加剂的一个重要好处就是 可以使焙烧厉陶瓷型壳多孔，并增强其最终渗透性“o 。 4 四川大学硕士毕业论文 1 2 熔模铸造型芯概述 糟密铸造工艺的一个显著特点是能够制造难于成形的、形状复杂的金属 零件。近年来，航空工艺中广泛采用了气冷空心叶片，它不仅在一定程度上提 高了涡轮前进口温度，而且使叶片温度分布均匀，热应力下降，可以大大改善 叶片的工作条件，延长使用寿命；虽然气冷空心叶片也可以采用电化学加工、 精密锻造等方法制得，但随着燃气温度不断提高以及冷却方式的改进，冷却系 统结构目益复杂化，因此，目前耐热合金的气冷空心叶片，在国内外都趋于采 用熔模铸造方法制得。 熔模铸造空心叶片的方法是将预制的型芯放在压型中压制熔模。这样可 以做出带有型芯豹熔模，以后按一定豹制壳工艺，做出带有型芯的型壳，经过 浇注后，去除型芯，便可以得到空心的甘片。采用预割型芯可以铸出各种形状 复杂的冷却孔道，厚度薄至0 5 毫米；也可以铸出深长的波纹孔、偏孔或椭圆 孔，甚至还能够傲气膜冷却叶片，即在叶子的排气边缘部位铸出上百个直径为 0 ，5 毫米的横向小孔。 一般预制型芯的截面比较细小，形状又相当复杂，型芯的工作条件恶劣。 因之要求这种型芯具有一定的常温和高温强度，线膨胀系数小，热稳定性好及 高温化学稳定性好，此外还要求易于从铸件中清除。 预制型芯大致可以分为石英玻璃管型芯及异型陶瓷型芯两类，前翥主要 用于铸造小尺寸豹冷却孔道，也可以做出等截面的异型孔道，后者用于异型冷 却孔道，但两者也可以结合使用。 在熔模铸造中，对内腔截面细小、形状特别复杂韵铸件，必须使用预制 型芯。形状比较简单的内脏也可以用型芯直接做出，但有时为了制造空心熔模， 需要采用特殊的方法，如在熔模中放置尿素等水溶性物质做成的型芯，这往往 给制壳工艺造成一定的识难，铸件内腔的质量也不容易保证。如果采用预制陶 瓷型芯，在技术、经济上都是合理的。 因此，预帛4 型芯不仅广泛用于航空、航天工业，在一般机械制造工业中 也得至u 普遍的应用”1 。 于是，喷气发动机的叶片、泵的叶轮、阀体、和许多特殊形状零件都可 以用精密铸造得铸件来制作，用陶瓷型芯制造这些铸件的内通道给设计师提供 了很大方便，并且成为精密铸造工艺超过其它金属成形工艺得有利条件。由于 四川大学硕士毕业论文 复杂铸件的内部不好进行二次成形加工，因此，陶瓷铸型内部表面的完整性就 很重要。陶瓷型芯的应用给精密铸造提供了可靠性，于是，每当想做成内部形 状时，总是要考虑使用型芯“。 1 2 1 熔模铸造型芯基本原理 熔模铸造用型芯，其中很大一部分是陶瓷型芯，或者类似与陶瓷型芯的预 制型芯，浇注成形磷酸盐粘结型芯就属于后者。在陶瓷型芯中，通常将占比例 最大的材料称为骨料，将为了烧结而附加的材料称为矿化剂；陶瓷型芯的骨料 一般为高纯度优质耐火材料石英、熔融石英、刚玉、锆英粉等；通常陶瓷型芯 具有较少的热变形，稳定的热化学性，并且具有一定的常温及高温强度。1 。 陶瓷型芯并非是真陶瓷，而是由各种颗粒、粉粒材料烧结后，小颗粒材料 成为连接的玻璃体，而大颗粒材料依旧存在于玻璃体中，类似的陶瓷材料。目 前，普遍用于定向结晶的型芯骨料主要是石英玻璃和电熔刚玉，同时附加锆英 石、莫来石、尖晶石和稀土氧化物来保证并提高型芯的承温能力o “。 一般情况下精密铸什的内腔是跟外形一道，通过涂挂涂料、撒砂等工序形 成的。但遇到以下情况就需要特殊处理一采用预制型芯。是铸件内腔过于 窄小或形状复杂，航空发动机空心涡轮叶片，常规的涂料涂挂、撒砂等工序根 本无法实施，不得不用预制的陶瓷型芯来成形。铸成铸件后再设法去除。尽管 此法代价高昂，仍以此法最为合理。二是铸件内腔虽然可以的进行涂料涂挂、 撒砂等t 序，但常因干燥、硬化不足造成形壳缺陷或铸成铸件后脱壳极为困难， 此时也有必要将这部分单独成形“。 1 2 2 浇注成形型芯的制做工艺 1 ) 浆料配制 浆料配制，即是将骨料与粘结剂按一定工艺混合配制的过程。型芯需要具 有较好的综合性能，而这些性能主要取决于骨料的性质。因此，选用合适的骨 料是制造型芯的关键一步。 根据不同的工作条件，型芯应选用不同的耐火材料作为骨料。骨料必须具 备足够的耐火度( 可以熔点作为参考指标) 。 2 ) 型芯成形 6 四川大学硕士毕业论文 型芯成形即是将配制好的陶瓷浆料按一定的成形方法( 如压注成形、挤压 成形、灌浆成形千压成形、热压成形和注射成形等) 成形的过程。型芯成形后， 由于一些型芯或多或少的存在问题，因此对这些型芯进行校正也是必要的。 3 ) 型芯焙烧 为了使陶瓷芯具有一定韵强度，以承受制模、脱蜡、焙烧和浇注过程q 1 韵 应力韵作用，通常将成形后的型芯进行高温烧结。型芯焙烧即是把成形后质量 合格的预制型芯放入烘箱中按一定焙烧工艺焙烧的过程。型芯的焙烧工艺是根 据型芯种类的不同而不同的。在型芯焙烧过程中，型芯可能会产生一定程度的 烧结。一般来说粉料的烧结主要是通过再结晶、重结晶，液相使圈相颗粒拉紧 靠近，固体颗粒间隙的充填和闳合来完成的，按烧结过程的特点，一般分为两 大类即固相烧结和有液相参与的烧结。影响陶瓷芯烧结的因素有很多，其中主 要的是粉料的粒度大小，混合的状态，矿物剂的引入以及烧结温度和保温时间 等。 型芯烧结后其内部组织与骨料、矿化莉、焙烧工艺有关。如：石英玻璃的 基体型芯，主要由玻璃体组成，而刚玉等其他型芯则以结晶体为主。但是无论 骨料如何，型芯内部结构基本上是由结晶体玻璃体、空隙组成的，此外，还含 有原材料经过烧结后留下的杂质与边界缺陷。 4 ) 型芯强化 型芯强化即是将已经焙烧过豹型芯浸入硅酸乙酯水解液或者硅溶胶中进 行强化豹过程，在强化过程中可以根据型芯强度的需要选择进行强化韵次数， 以及型芯浸入强化剂的时间。 型芯高温强度应该能够经受型壳高温焙烧与浇注金属液的冲击，特别对于 细薄和复杂的型芯更需要提高强度1 。 5 ) 烘干、检测、入库 1 2 3 型芯的成形方法及应用 经过长期的技术发展，现代熔模铸造所采用舶型芯类型和材料豹种类越来 越多，大致可以分为以下凡类： 1 ) 热压陶瓷型芯其成形方法采用热压注形；工艺特点以热塑性材料( 如蜡) 为增塑剂配制陶瓷料浆，热压注成形，高温烧结成型芯；而其脱芯方法是采用 四川大学硕士毕业论文 化学来腐蚀。主要用于内腔形状复杂而精细的高温合金和不锈钢铸件，定向凝 固和单晶空心叶片。 2 ) 浇注成形陶瓷型芯自由浇注成形：具工艺特点是陶瓷料浆中加入固化剂， 注入芯盒后自行固化；采用机械方法来脱芯。它丰要用于内腔形状较宽厚的铸 件：但随着技术不断发展，也可以加工制作出形状较复杂的薄壁、细长型芯， 用于内腔形状稍复杂的铸件，同对也可以采用机械方法与化学方法相结合的方 法来脱芯。 3 ) 传递成形陶瓷型芯将混合有粘结荆的陶瓷粉末高压压入热芯盒中成形； 制芯混合中含有低温和高温粘结剂是其显著的工艺特点；采用化学腐蚀来脱 芯，主要适合于真空熔铸高温合金。 4 ) 水溶型芯同样采用自由灌注的方式来成形；其工艺特点是以遇水溶解或 溃散的材料做粘结剂配制浆料，注入芯盒后自行固化；而用水或稀酸溶失型芯。 主要用于内腔形状较宽厚的铸件。 5 ) 水玻璃砂芯通过紧实型砂来成形；其工艺特点是以水玻璃为粘结齐0 配制 芯砂，制成型芯后浸入硬化剂硬化；采用机械方法来脱芯。它主要与水玻璃型 壳配合使用。 6 ) 替换粘结剂型芯采用冷芯盒来成形；其工艺特点是将特殊液体渗入冷芯 盒法制成的型芯中，令其焙烧时转变成高温粘结剂；它采用机械方法来脱芯。 它主要用于尺寸精度和表面质量要求较低的民用产品。 7 ) 细管型芯其成形方法是将金属和玻璃管材弯熊、焊接成形；t 艺特点是 将金属和玻璃薄壁管材弯曲、焊接成复杂管道型芯；脱芯方法采用化学腐蚀或 留在铸件中：主要用于有色合金细孔铸件( d 3 m m ，l 6 0 d ) 中。 1 2 4 型芯的性雒要求 型芯工作时处于熔融金属的包围之中，故对其性能要求较型壳更高。对 型芯的要求可概括为热物理性能、机械性能和工艺性能等三方面热物理性能方 面的要求有耐火度、热变形等。力学性能方面韵要求有强度、刚度等，工艺性 能方面的要求有孔隙率、脱芯性、烧成收缩等。根据王乐仪。“的熔模铸造 工艺学，我们知道主要有以下几点： 1 ) 室温强度 8 四川大学硕士毕业论文 型芯的室温强度指豹是在室温下测得的型芯试样的断裂强度。它是一个 非常重要的性能指标因为型芯必要经受制模的操作，主要是经受压注模料时 的压力。精铸工艺中常常在压制熔模时发生型芯的破坏，它一般比较脆弱，压 力过度会使型芯断裂。型芯的压型中的定位和夹持必须小心。为了减少制模时 型芯的损坏，宜采用低粘度的液态或者半液态模料，并且采用较低压力注入， 以减少型芯周围的压力。在一般情况下，型芯的烧结需要进行强化以提高其室 温强度。 2 ) 蔺，温强度及抗激冷激热性 型壳的焙烧温度通常在1 0 0 0 左右，有时会更高些。在浇铸时，金属包 围型芯，使型芯迅速被加热到1 4 0 0 c 温度以上。在出产定向结晶叶片时，铸 型被加热到1 5 0 0 以上的高温并保持一个小时或更长的时间。因此型芯应具 有足够高的高温强度，型芯材料在加热时必须没有明显相变，能够承受从室温 迅速加热到至高温时所发生韵热冲击，能够经受熔融金属的静压力。 3 ) 热膨胀系数 型芯应在一个比较大的温度范围内尺寸稳定，有低的热膨胀系数。低的 热膨胀系数通常表明抗热冲击性能良好。型芯不应由于型芯材料中结晶相的转 变而引起的突然收缩和膨胀。型芯材料的热膨胀系数应与型壳的热膨胀系数相 近，以避免加热时由于两者膨胀不同造成过大的应力面使型芯损坏。但是，型 壳和型芯两者的膨胀不可能完全一致，因为型芯材料和型壳材料不尽相同，而 且型芯处于型壳内部，其加热速度与型壳不同。此外，型壳在焙烧时有水分的 挥发或发生化学反应，而型芯已经经过预焙烧，这对不发生反应。因此，长度 大一些的型芯与型壳韵连接出需要有一个“滑动结合”，或称“自由端”，也就 是在型芯的一端需要一层薄韵蜡覆盖，使型芯能够自由地膨胀。 型芯的膨胀系数也影响到叶片的收缩余量的确定，具有低膨胀系数的型 芯在焙烧温度或浇铸后金属凝固前包围它时，膨胀都很小，虽然陶瓷材料看来 很硬实但是金属仍有可能发生收缩。因此，需要对不同厚度和内腔尺寸的叶片 和型芯结构的收缩和膨胀系数的数据做统计的测试，这样才能够正确确定叶片 的最终尺寸。 4 ) 化学稳定性 跫芯应具有良好的化学稳定性，在浇铸时，型芯在与熔融金属接触时不 9 四川大学硕士毕业论文 发生能够引起铸件产生气孔豹气体；能够抵抗熔融金属的侵蚀，不与a l 、t i 等活泼金属元素发生化学反应。钻基台金和高铬不锈钢合金要满足上述要求是 很困难的。当采用这些合金时，对这此类型芯浇铸时会产生气泡缺陷。近来， 已经注意到对含有高锆或者饴合金采用真空熔炼，也能够同型芯发牛反应，结 果发现在型芯一金属界面处这种现象已经患及铸件晶界。 5 ) 尺寸精度和表面光洁度 型芯应该具有精度的尺寸和光洁的表面。根据叶片的尺寸公差确定型芯 的尺寸公差。在有些情况下，对空心叶片的内腔尺寸公差没有特别的要求。最 重要的是保证型芯的尺寸稳定性，因为型芯各片之间尺寸再现性的破坏将引起 压注过程中型芯产生大量的断裂，由于型芯与压型不能准确吻合，当压型夹紧 时，使型芯断裂。采用型芯的铸件表面光洁度是可能达到9 0 a 1 2 0 r m s ( 均方 根值) 的。只要正确的制芯工艺以及没有金属铸型反应就可以实现这个要求。 6 ) 溶解性 溶解性指的是型芯从铸件中溶出的能力。对内腔结构复杂的叶片，不能 用机械的方法去除型芯。遗憾的是没有标准的试验方法来测量这一性能。最好 是能够用碱性溶液便可以容易的从叶片中去除型芯。如果一种陶瓷型芯没有适 合的溶解性，它就不可能从叶片中完全溶出，或者虽然可以溶出，但是叶片内 腔通道里会产生金属腐蚀，如果型芯和金属界面的晶界腐蚀超过菜个规定的深 度，则叶片就不合格。 7 ) 纯度 近来发现，在型芯中如果存在如锌、铅、铋、和铁等杂质，也会影响到 叶片的质量。当涡轮叶片内部温度升高时，型芯中存在的杂质能够损害叶片的 高温性能。同时，有些的杂质存在，能够同真空熔炼的合金发生化学反应。 除上述基本要求外，型芯的耐火度至少应该高于合金的浇铸温度。熔模 铸造生产中合金的浇注温度多在1 4 0 0 到1 6 0 0 范围。对于定向凝固铸造用 陶瓷型芯，要求在1 5 2 0 到1 6 0 0 下工作不少3 0 分钟。另外，型芯应具有良 好的抗热变彤能力，以防止型芯在高温f 软化变形。而且型芯还应该保持有相 当数量的空隙。一则使之具有一定的透气性，- - - n 也便于从铸件中脱出。 1 3 选题的目的和意义 1 0 四川大学硕士毕业论文 本课题研究的是熔模铸造用浇注成形磷酸盐粘结型芯各阶段型芯强度的 变化规律及其形成机理。 型芯湿强度指的是型芯在制取后未经过于燥和焙烧所测得的型芯试样的 断裂强度。它对型芯的制备至关重要，湿强度太低，在制取型芯过程中，型芯 容易变形，甚至损坏。对于浇注成形型芯而言，型芯湿强度决定着型芯材料能 够制取的型芯的形状、大小、粗细，只有当强度足够大时，型芯材料才能够制 取形状复杂的型芯制件。因此，为了制得合格的型芯，必须要求型芯具有一定 的湿强度，以保证型芯制取过程中不被损坏。 型芯干强度，指的是型芯在固化后随着型芯中水分散失而得到的型芯强 度，它通常较型芯湿强度大，它是型芯浆料在浇注蜡模压，型芯在蜡模中可以 获得的强度最大值。 型芯在脱蜡后，通常强度相对较低，不能够直接放入型壳随型壳焙烧，而 往往要经过强化的过程，以提高其强度，但是由于型芯在脱蜡后，型芯表面和 型芯内都有蜡，此时如果进彳亍强化，强化剂难以被型芯吸收，因此，强化作用 不明显。于是，为了使脱蜡后的型芯能够充分吸收强化剂，以增强型芯的强度， 满足熔模铸造对型芯强度的要求，在浇注成形型芯脱蜡后，通常要对其进行加 热焙烧以去除型芯中的残余蜡料，增加型芯材料的孔隙率，以提高型芯肋强化 效果，这个过程叫做型芯预焙烧。型芯预焙烧后的强度简称型芯预焙烧强度。 型芯预焙烧强度可以用型芯在预焙烧后的抗弯强度来衡量。型芯预焙烧后强度 不能太低。因为在对预焙烧后韵型芯强化过程中，如果型芯强度太低，容易被 损坏。 型芯强化后强度是型芯非常重要的一个性能指标，因为型芯必定要经过制 模的操作，在此过程中，型芯必须能够经受压注模料时的压力。精铸工艺中常 常在压制熔模时发生型芯的破坏，它一般比较脆弱，压力过度会使型芯断裂。 型芯的压型中的定位和夹持必须小心。为了减少制模时型芯豹损坏，宜采用低 粘度豹液态或者半液态模料，并且采用较低压力注入，以减少型芯周嗣冉勺压力。 型芯强化后的强度可以通过选择优良的强化剂、改变预焙烧工艺以及改变强化 次数和工艺来增强。 型芯随型壳焙烧后强度对型芯能否成功浇注起着相当重要的作用，因为 型芯在随型壳焙烧的过程中，型芯要受到型壳焙烧时所产生韵应力，并且在浇 四川i 大学硕士毕业论文 注铸件时，型芯受到熔融金属液体包围，型芯必须能够承受住的熔融金属液体 的热冲击，而这些对型芯强度的要求都相当的高。型芯随型壳焙烧后强度， 可以采用1 0 0 0 。c 焙烧1 5 小时的焙烧工艺焙烧型芯试样，随炉冷却后测试的 抗弯强度来衡量。 型芯浇注铸件后残余强度是非常重要的。因为型芯在浇注铸件时，被熔融 金属所包围，其被迅速被加热到1 4 0 0 温度以上，甚至在浇注某些铸件时， 型芯可能被加热到1 5 0 0 以上的高温。在此过程中，型芯强度可能会发生巨 大变化，如以电容刚玉为基体的型芯在浇注铸件后，强度明显增大，以至使其 清理问题变得十分困难。因此，研究型芯在高温浇注铸件后的残余强度是十分 重要的，它是衡量型芯溃散性高低以及采用机械方法清理残留铸件中型芯材料 清理难易程度的一种非常直观的方法。型芯在浇注铸件后的残余强度，可以采 用1 5 5 0 焙烧2 分钟的焙烧工艺焙烧型芯试样后测量其抗弯强度来衡量。 由此可见，在熔模铸造中，型芯各个阶段的强度，对型芯起着至关重要的 作用，研究熔模铸造用浇注成形型芯各个阶段的强度变化规律及其形成机理是 非常有意义的。 1 4 研究内容和研究方案 1 ) 测试浇注成形磷酸盐粘结型芯试样湿强度，分析比较测试结果 2 ) 测试浇注成形磷酸盐粘结型芯试样干强度，分析比较测试结果。 3 ) 测试浇注成形磷酸盐粘结型芯试样在预焙烧强度，以及型芯强化后强 度，分析比较试验结果。 4 ) 对浇注成形磷酸盐粘结型芯试样进行模拟随型壳温度焙烧、模拟浇注 铸件温度焙烧，测试其强度，分析比较结果，了解其高温溃散性。 5 ) 测试试样浇注成形硅溶胶经过高温焙烧后型芯强度。 6 ) 研究比较滋注成形磷酸盐粘结型芯试样与浇注成形硅溶胶试样经高温 焙烧后型芯强度。 7 ) 实际浇注试验，分析铸件质量状况，了解型芯脱芯性能。 试验研究方案流程图如图卜1 所示。 1 2 四川太学硕士毕业论文 图i - i 试验研究方案流程图 四川大学硕士毕业论文 2 试验用主要原材料研究与讨论 2 1 骨料 熔模铸造用型芯需要其有较好的综合性能，而这些性能主要取决于骨料的 性质，凼此，选_ h j 合适的骨料是制造型芯的关键一步。普通熔模铸造崩型芯制 品所用的原材料主要是石英玻璃或熔融石英、刚玉等。其制造过程是将原材料 按不同的配比制成混合物，而后加水获得塑性，在室温下制成坯体，最后焙烧 和瓷化。由于粘土和长石的成分和性能变化很大，体积收缩也大。原材料中含 有较多的n a 。0 、k 2 0 、f e 。0 。等低熔点杂质，因而制品底尺寸精度和耐火度都比较 低。显然，不能选用这些材料来制造熔模铸造型芯2 “。 为满足型芯性能的要求，型芯的骨料一般选择工业中广泛使用着的耐火材 料，耐火材料一般指能够耐1 5 8 0 以上高温，并且具有一定的热稳定性、高温 下化学稳定性以及结构强度。铸造牛产选用耐火材料的要求是：高温下不易熔 化，化学稳定性好，耐急冷、致密、体积稳定并有一定强度等3 ；同时，我们 选择的骨料还应该具有来源易得、价格便宜并对人体健康无严重不良影响等。 在本试验中，所用型芯骨料土要包括浇注成形磷酸盐粘结型芯的骨料石 英、熔融石英以及浇注成形硅溶胶粘结型芯的骨料锆英，它们主要性能如下： 锆英：在铸造业中，锆英石常常用于型芯、模衬及需限制熔融金属流动 的体系中幽1 。它是以天然锫英砂为原材料经过提炼再生产的一种应用广泛的现 代工业原料，比重4 5 ，莫氏硬度为7 5 。它具有耐高温、抗腐蚀、高强度、光 学性能、绝缘性等优良特性，故可以用傲陶瓷型芯的骨料。另外，其还具有很 好的热稳定性优化作用，在传统的石英玻璃基型芯中，就曾加入其其提高二氧 化硅及铝酸钙型芯的热稳定性”1 。而且锆英粉可以大大增加铸件表面的光洁度， 确保精细的铸型尺寸，提高铸什的合格率。优良品质的镥英粉应达到( 1 y 3 72 um 一4 0ui n ) 标准。锆英粉用做型芯骨料的优点在于：耐火度高、烧结点低、 热膨胀性低m ，。其热物理性能如表2 1 。 表2 一 错英的热物理性能 1名称分子式熔点莫式硬度 密度g c m 3 膨胀系数1 0 。k i锆英石 z r g j o 1 9 4 87 54 54 8 注：膨胀系数为0 - 1 2 0 0 c 内的平均值 1 4 四川大学硕士毕业论文 石英8 ：石英是二氧化硅( s i o ：) 在自然界存在的一种形态。铸造用的石 英砂( 粉) 可分为天然石英砂和人造石英砂两种，前者是堆积在河岸或沙丘上； 后者是又石英石经过机械破碎而成。石英砂( 粉) 是一种来源丰富，价格低廉 的制壳耐火材料。熔模铸造通常采用的是人造石英砂( 粉) 。s i o 。因是兼有离子 键和共价键的氧化物，所以它具有一种复杂同质的多晶转化的物质，共有七个 基本晶型变体和一个非晶型变体：即a 石英、p 石英、a 鳞石英、b 鳞石英、 y 鳞石英、a 方石英、p 方石英及石英玻璃。加热时发生的多晶转化可以归纳 为两类： 一类是同类型的高温( a ) 与低温( 母) 形态之间的转化( 亦称为次级晶 型转化) 。这类转化由于高、低温型在晶体结构上彼此很接近，转变时不影响 硅氧四面体的连接状态，两只是通过四面体的变位或旋转来改变s i 一( 卜- s i 的 键角。因此转化是可逆的。 另一类转化是不同类型的多晶转化( 亦称为一级晶型转化) ，即n 石英一 鳞石英一n 方石英。这类转化由予它们在结构上有显著的差异，转化时离子 要进行重新排列，需要相当长的时间才能完成( 有时甚至要延续一周) 。因此， 转化很难进行，且只有在矿化剂存在的情况下才能发生。其中石英的热物理性 能如表2 3 。 表2 2 石英的热物理性能 1名称分子式熔点莫式硬度 密度g c m 3膨胀系数1 0 1 k i石英s i 0 21 7 2 0 7 2 61 6 5 注；膨胀系数为0 - 1 2 0 0 内的平均值 s i o ：在加热过程中发生多晶转化时体积发生变忧的现象，对型壳、型芯的 热稳定性影响较大。转化作用进行得越迅速，体积变化越快，则热稳定性愈差。 在自然界中出现的大多是低温型的，且主要以8 石英存在。因此用石英作耐火 材料制得的型壳，在加热至5 7 3 时由b 石英转变为。石英，这时随着多晶转 化体积骤然膨胀，线膨胀值达i