（材料加工工程专业论文）磷酸盐浇注成形芯料性能及工艺应用实验研究.pdf

四川大学硕士毕业论文 摘要 磷酸盐浇注成形芯料性能及工艺应用实验研究 专业材料加工工程 研究生：朱胤指导教师：闽小俊 针对以石英或熔融石英为骨料，水溶性磷酸盐为粘结剂，氧化镁为固化剂 的熔模铸造用浇注成形自硬型芯材料的工艺性能和应用特点进行了详细的研 究。考察了常用的硅基热压注陶瓷型芯的性能和生产工艺，将浇注成形自硬型 芯与之相比较，对比研究了后者独有的性能和工艺特点。 对于j x 一3 、j x r 、j x r - 2 、j x r 一3 四种系列的磷酸盐浇注成形自硬型芯材料 的性能进行了测试研究，在不同的焙烧温度、不同的硅溶胶浸渍强化次数下分 别对试样进行处理，以型芯抗弯强度为主要考察目标，芯料耐水性、高温热变 形量、烧成收缩率、密度等性能作为参考指标，分析比较了在型芯生产工艺中 对型芯性能造成较大影响的各项因素。 结果表明：在采用6 0 0 预焙烧去除型芯中残余蜡料和水分后，型芯强度 会变得较低，平均值1 m p a 左右。采用硅溶胶浸渍强化后，型：签强度可以得到 大幅度提升，一次强化后提升最为明显，二次强化仍具有较大效果。在模拟随型 壳焙烧( 9 0 0 ) 后，型芯强度变化不大，基本能够满足熔模铸造对型芯的强度 要求。在经受模拟浇注铸件加热( 1 5 5 0 。c ) 后，型芯残余强度比焙烧前有轻微 上升，对溃散性影响不大，平均残余强度6 8 m p a 。型芯在1 5 0 0 高温下的热 变形量不大，由于骨料的热膨胀系数差异，全熔融石英骨料的j x r 变形量最小， 全石英骨料的j x 3 热变形最大。型芯平均烧成收缩率1 左右，6 0 0 。c 预焙烧 前后密度差低于0 2 9 c m 3 ，具有较强的耐水性，适用于热水和蒸汽脱蜡。 然后进行了芯料焙烧后未强化强度、强化强度及残余强度测试，对比了j x r 四川大学硕士毕业论文 在加入不同的混合液体后的强度性能。还进行了浆料流动性和悬浮稳定性、填 充料焙烧后强度、高温稳定性及残余强度测试；对比了j x 2 、j x r - 2 芯料和针 对填充用途优化的j x r - 3 芯料性能。实验表明，与用水调拌的型芯相比，加入 硅溶胶或磷酸溶液都能提高型芯强度，且磷酸溶液浓度越高，型芯强度提升幅 度越大。但磷酸溶液会影响浆料的流动和固化，对强度没有特殊要求时推荐使 用硅溶胶。在满足填充工艺所要求的浆料高流动性条件下，j x r 一3 的性能优于 。2 和j x r 一2 ，具有足够的工作时间和悬浮稳定性、较高的焙烧后强度和高温 稳定性。对比研究了水、硅溶胶和磷酸溶液三种浆料混合液体，结果表明，硅 溶胶的效果最优。 针对浇注成形型芯脱模容易的特点，研究了其在熔模铸造生产上的拓展应 用。选择铸造了型芯难于脱模的离心式多叶片叶轮。该铸件由于具有扭曲叶片， 如采用传统的热压注成形法陶瓷芯不能脱模，用j x r 系列浇注成形磷酸盐自硬 芯料的浆料浇注叶轮芯解决了上述工艺问题。随后系统研究了为避免熔模铸件 内腔鼓胀和夹铁缺陷，用j x 和j x r 系列浇注成形磷酸盐自硬芯料的浆料填充 型壳狭窄空腔的工艺问题。铸件浇注实验表明，j x r 芯料能够低成本地用于生 产局部具有复杂、狭窄内腔的铸件的各种型芯。j x r 3 浆料由于流动性好，特 别适合于型壳狭窄空腔填充，能成功消除熔模铸件内腔的夹铁和鼓胀缺陷。 实际铸件生产实验表明浇注成型自硬芯料成形工艺实际可行，且易操作、 不需要专用设备和成本较低，具有很好的应用前景。 关键词：磷酸盐自硬材料熔模铸造型芯抗弯强度硅溶胶 扭曲叶片叶轮型壳内腔填充 四川大学硕士毕业论文 r e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c ea n d a n a l y s i so n t h e t e c h n o l o g i cc h a r a c t e r i s t i ci ni n v e s t m e n tc a s t i n go f p h o s p h a t es e l f - s e t t i n g & f o r m e db yp o u r i n gm a t e r i a l s a b s t r a c t 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 ：z h uy ms u p e r v i s o r ：m i nx i a o j u n t e c h n o l o g i c a lp e r f o r m a n c e sa n da p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp h o s p h a t e s e l f - s e t t i n g & f o r m e db yp o u r i n gm a t e r i a l sw e r ei n v e s t i g a t e d , w h i c hb a s e do nq u a r t z o rf u s e d s i l i c aa n dr e g a r d e dw a t e r - s o l u b i l i t yp h o s p h a t ea sb i n d e r , r e g a r d e do x i d i z e m a g n e s i u ma ss o l i d i f yp h a r m a c e u t i c a l p e r f o r m a n c ea n dp r o d u c t i o nt e c h n i c so f s i l i c a b a s ec e r a m i cc o r ew h i c hf o r m e db yh o t - p r e s s i n gw e r ei n v e s t i g a t e d p h o s p h a t e s e l f - s e t t i n gc o r eh a sb e e nc o m p a r e dw i t hi ta b o u tt h e i rp a r t i c u l a rp e r f o r m a n c e sa n d t e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s p e r f o r m a n c eo ff o u rs e r i e sp h o s p h a t es e l f - s e t t i n gm a t e r i a l s ，j x 3 ，j x r , j x r - 2 a n dj x r - 3 ，h a v eb e e nt e s t e da n di n v e s t i g a t e d h a v i n gb e e nb a k e du n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ea n ds t r e n g t h e n e db yd i p p i n gs i l i c as o l ，s t r e n g t ho ft h ec o r e sw a s r e g a r d e d 船t h em a i no b j e c t i v ep a r a m e t e r a m o u n to fd e f o r m a t i o nu n d e rh i g h t e m p e r a t u r e ，s i n t e r i n gs h r i n k a g ea n dd e n s i t yw e r er e g a r d e da sr e f e r e n t i a li n d e x v a r i o u sf a c t o r sw h i c hi m p a c t e dp e r f o r m a n c eo ft h ec o r ei nm a k i n gp r o c e s sw e r e a n a l y s e da n dc o m p a r e d t h er e s u l ts h o w st h a t ，s t r e n g t ho f t h ec o r ew i l lb ef a l l i n ga f t e rb a k i n gi n6 0 0 。c 。 b e c a u s et h ew a xa n dw a t e rh a sb e e nw i p e do f fc o m p l e t e l yi nc o r e t h ea v e r a g ev a l u e i sa b o u t1 m p a s t r e n g t ho ft h ec o r ec a l lb es t r e n g t h e n e dal o tb yd i p p i n gs i l i c as o l ， 1 1 i 四川大学硕士毕业论文 e s p e c i a l l y i nt h ef i r s tt i m e a f t e rs i m u l a t i n gb a k i n gw i t hs h e l lm o l d si n9 0 0 。c ， s t r e n g t ho ft h ec o r ec h a n g el i t t l e a f t e rs i m u l a t i n gb a k i n gu n d e rc a s t i n gt e m p e r a t u r e i n1 5 5 0 r e s i d u a ls t r e n g t ho ft h ec o r ew i l li n c r e a s eal i t t l e t h ea v e r a g ev a l u ei s a b o u t6 s m p a u n d e rh i 曲t e m p e r a t u r ei n1 5 0 0 ，a m o u n to fd e f o r m a t i o no ft h e c o r ei sal i t t l e b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n th e a te x p a n s i o nc o e f f i c i e n to fa g g r e g a t e ，j x r w h i c ha l lb a s e do nf u s e d s i l i c ai st h em i n , j x 一3w h i c ha l lb a s e do nq u a r t zi st h em a x t h ea v e r a g ev a l u eo fs h r i n k i n gp e r c e n t a g ea f t e rb a k i n gi sa b o u t1 d e n s i t y v a r i a t i o na f t e rb a k i n gi n6 0 0 ci su n d e r0 2 9 c m 3 t h ec o r eh a sr e s i s t a n c et ow a t e r , s oi tc a r lb ed e w a x e db yh o tw a t e ro rs t e a m s y s t e m a t i cs t r e n g t ht e s t i n go fc o r ea f t e rb a k i n gh a v eb e e nc a r r i e do u t ，s u c ha s ； u n 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 h e n e ds t r e n g t ha n dr e s i d u a ls t r e n g t h s t r e n g t h p e r f o r m a n c eo fj x rm a t e r i a l sh a v eb e e nc o m p a r e d ，w h i c hh a v eb e e nm i x e dw i t h d i f f e r e n ts l u r r ym i x i n gl i q u i d s y s t e m a t i cr e s e a r c hh a sb e e nc a r r i e do u t ，i n c l u d i n g ： s l u r r yf l u i d i t y a n ds u s p e n d i n gs t a b i l i t y , s n n g t ha f t e rb a k i n g ，h i g ht e m p e r a t u r e s t a b i l i t ya n dr e s i d u a ls t r e n g t ho ft h ef i l l e dm a t e r i a l j x 一2a n dj x r - 2h a v eb e e n c o m p a r e dw i t hj x r - 3w h i c hh a sb e e no p t i m i z e df o rf i l l i n gf u n c t i o n t h er e s u l t s h o w st h a t ，w h e nm i x e dw i t hs i l i c as o lo rp h o s p h o r i ca c i ds o l u t i o n ，s t r e n g t ho fc o r e i ss u p e r i o rt ot h eo n ew h i c hm i x e dw i t hw a t e r s t r e n g t ho fc o r eb e c o m eh i g h e rw i t h t h ei n c r e a s eo fc o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r i ca c i ds o l u t i o n b u tp h o s p h o d ca c i d s o l u t i o nw i l li m p a c ts l u r r yf l u i d i t ya n ds e l f - s e t t i n g s i l i c as o li sr e c o m m e n d e di n a c t u a lp r o d u c t i o nw h e ni td o e s n tn e e ds p e c i a ls t r e n g t h w h e ns l u r r yf l o wa b i l i t yi s h i g he n o u g ht os a t i s f yf i l l i n gf u n c t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo fj x r - 3i ss u p e r i o rt o j x - 2a n dj x r 一2 j x r - 3h a se n o u g hb e n c ht i m ea n ds u s p e n d i n gs t a b i l i t y , h i 曲 s t r e n g t ha f t e rb a k i n ga n dg o o dh i 曲t e m p e r a t u r es t a b i l i t y t h r e ek i n d so fs l u r r y m i x i n gl i q u i d ，w a t e r , s i l i c as o la n dp h o s p h o r i ca c i ds o l u t i o nh a v eb e e nc o m p a r e d a n de v a l u a t e d ，a n di ti sc o n c l u d e dt h a ts i l i c as o li st h eb e s t b a s e do ne a s yt od e m o u l dc h a r a c t e r i s t i co fp h o s p h a t es e l f - s e t t i n gm a t e r i a l ， f u r t h e ra p p l i c a t i o ni ni n v e s t m e n tc a s t i n gh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t ov e r i f yi t s p r a c t i c a b i l i t y , w et r yt oc a s tc e n t r i f u g a l & m u l t i p l e v a n ei m p e l l e r , t h ec o r eo fi ti s d i f f i c u l tt od e m o u l d b e c a u s et h ec a s t i n gh a v et w i s t e db l a d e ，c e r a m i cc o r ec a n t i v 四川大学硕士毕业论文 d e m o u l di nc o n v e n t i o n a lh o t - p r e s s i n gp r o c e s s t os o l v em e n t i o n e da b o v et e c h n i c a l p r o b l e m ，w eu s e j x rs e r i e sp h o s p h a t es e l f - s e t t i n gm a t e r i a lt of o r mt h ei m p e l l e rc o r e t oa v o i dc a s t i n gs w e l l i n ga n dm e t a l l e a k i n gd e f e c t si nt h ei n t e r n a lc a v i t yo fa l l i n v e s t m e n tc a s t i n g ，s y s t e m a t i cr e s e a r c hh a sb e e nc a r r i e do u t ，o nt e c h n o l o g i ca s p e c t s t h a tu s i n gt h ej xa n dj x rs e r i e sp h o s p h a t es e l f - s e t t i n gm a t e r i a ls l u r r yt o 卸u pt h e n r i t o wc a v i t yo fs h e l lm o l d s t h ea c t u a lc a s t i n gm a k i n gp r o c e s ss h o w st h a tj x r m a t e r i a lc a bb eu s e di nf o r m i n gt h ec o r e so f c a s t i n gw i t hl o wc o s t w h i c hp a r t i a lh a v e c o m p l e xs h a p ea n dn a r r o wc a v i t y b e c a u s ei th a v eg o o ds l u r r yf l o wa b i l i t y , j x r - 3 m a t e r i a li sf i tf o rf i l l i n gu pt h en k r r o wc a v i t yo fs h e l lm o l d s ，c a nm a k ead e c i s i v e e f f e c tt oa v o i dc a s t i n gs w e l l i n ga n dm e t a l - l e a k i n gd e f e c t s a c t u a lc a s tp r o d u c te x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ef o r m i n gt e c h n i c so fp h o s p h a t e s e l f - s e t t i n g & f o r m e db yp o u r i n gm a t e r i a l si sf e a s i b l e i te a s yt oo p e r a t e d o e s n t r e q u i r es p e c i a le q u i p m e n t , c a nb eu s e di nm a k i n ga l lk i n d so fc o m p l e xc o r ea n d f i l l i n gu ps h e l lm o l d sw i t hl o wc o s t i th a v eg r e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：p h o s p h a t es e l f - s e t t i n gm a t e r i a l ；i n v e s t m e n tc a s t i n g ；c o r e ； b e n ds t r e n g t h ；s i l i c as o l ；t w i s t e db l a d ei m p e l l e r ；i n t e r n a lc a v i t yo f s h e l l ；m o l d s ；f i l l i n g v 四川大学硕士毕业论文 声明 本人声名所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他认研究发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中做了明确的说明并表示感谢。 本学位论文成果是本人在四川大学是本人在四川大学读书期间在导师指导 下取得，论文成果归四川大学所有，特此声名。 名：袋，礼 导师签名： 1 王丁t j - 彳文 六一7 y 四川大学硕士毕业论文 1 绪论 1 1 熔模铸造概述 1 1 1 熔模铸造定义 熔模铸造是一种精密铸造方法，通常又称为“精密铸造”，这种方法是用易 熔材料制成精确的模型，在模型上用涂挂法( t g 有使用喷涂法的) 制成由耐火 材料( 石英、刚玉等) 及高强度粘结剂( 硅酸乙酯或水玻璃) 组成的多层的型 壳，型壳硬化后加热熔失模型，然后高温焙烧型壳，浇注铸件。由于易熔模最 广泛使用石蜡一硬脂酸模料，故这种方法又常称为失蜡铸造。铸造技术的关键 是防止大平面的变形，保证良好的充型以获得完整、清晰的表面质量及艺术效 果【1 1 。 熔模铸造是一种液态金属成形工艺，应用此工艺可生产形状复杂、尺寸精 确、棱角清晰、表面光滑的铸件；熔模铸造是一种少切割、无切削的先进工艺 闭。因而可节省大量的机械加工工时和加工设备，提高了金属材料的利用率， 所以在工业生产中的应用日益广泛1 3 。把传统的铸造技艺与现代的铸造技术结 合起来，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【4 】。熔模铸造的历史可以追 溯到4 0 0 0 年前，最早发源的国家有埃及、中国和印度，然后才传到非洲和欧 洲的其它国家。 中国古代留下很多熔模铸件精品，如春秋晚期的工子午鼎、铜禁，战国的 曾侯乙尊、盘，汉代的铜错金博山炉、长信宫灯，隋朝的董钦造弥陀鎏金铜像， 明代浑天仪、武当真武帝君像，清故宫太和门铜狮等1 5 】。 1 1 2 熔模铸造流程 如图1 1 所示为熔模铸造简单的工艺流程图嘲，从图中可以看出熔模铸造在 小件的批量生产上优势十分明显，不仅可以做出精度很高的铸件，而且还可以 l 四川大学硕士毕业论文 同时浇注几个，甚至几十个零件。 由一靠鹳多一盥d i 一国 唯谴进 嗣疆射旗耀撞涂辩霉移爱穰培娆 蝴 坶 时国 峙 f ， 图1 - 1 熔模铸造工艺过程示意图 熔模铸造与其他特种铸造方法相比有三个突出的优点： 1 ) 铸件尺寸精度及表面光洁度均较高，而且，可以浇注形状很复杂的铸件， 可以节省大量机械加工工时和钢材； 2 ) 浇注金属的类型没有限制，几乎是目前耐热合金复杂铸件的唯一生产方 法： 3 ) 生产批量没有限制，可以从几个至大量生产。 因此，不管从技术角度还是经济角度来讲，这种方法都是十分重要的。因 为不仅通过此种方法可以获得精确度相当高，并且有一定表面光洁度的铸件， 经过简单加工就直接可以用作对机械性能要求不是特别高的模具，而且还可以 大大的节约成本，对于目前模具价格普遍较高的市场有一定的冲击能力。 目前主要应用于制作易熔模的材料有石蜡基的低温模料与松香基的中高温 模料，由于成本和应用方便等因素，石蜡基得到了广泛应用，而只有精度要求 较高的时候才使用松香基模料。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 i t 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【_ 7 】。另外，其它的还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后陶瓷型壳多孔，并增强其最终渗 透性【s 】。 当然，熔模铸造并不是唯一的精密铸造方法，它的缺点也比较明显，由于 蜡料变形较大及模壳强度较小等缺点，难于铸造重量超过一百公斤的精密铸件， 对这种铸件，在单个或小批量生产时，在2 0 世纪5 0 年代由英国肖氏兄弟 2 四川大学硕士毕业论文 f c l i f f o r d & n o e ls h a w ) 首先研究成功的陶瓷型铸造可以取得比较满意的效果 9 1 。 精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。要得到精确度高的、完整的、具有复杂内腔的铸件最有效的方法是采用预 制的精密型芯来形成铸件的内腔。 一般情况下熔模铸造的内腔是与外形一道通过涂挂涂料、撤砂等工序形成 的，不用专制型芯。但在熔模铸造过程中，当铸件内腔过于窄小或形状复杂， 会出现涂挂困难，常规的涂挂浆料、撒砂等工序根本无法实旎，或内腔型壳无 法干燥硬化时，就必须使用预制的型芯。预制精密型芯在形成有狭窄内腔铸件 的型壳方面具有相当的重要性。这些型芯要等铸件铸成后再设法去除。例如航 空发动机空心涡轮叶片，叶片的冷却通道迂回曲折，形若迷宫，不得不采用预 制的精密型芯来成型 1 0 , 1 1 】。 1 2 预制精密型芯概述 采用预制型芯可以铸出各种形状复杂的冷却孔道，厚度薄至o 5 毫米；也 可以铸出深长的波纹孔、偏孔或椭圆孔，甚至还能够做气膜冷却叶片，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，前者主要用 于铸造小尺寸的冷却孑l 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、形状特别复杂的铸件，必须使用预制型 芯。形状比较简单的内腔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困难，铸件内腔的质量也不容易保证。如果采用预制陶 瓷型芯，尽管此法代价高昂，但迄今为止无论从技术可行性、经济性以及生产 效率等诸方而考虑，一般仍以此法最为合理。 因此，预制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 四川大学硕士毕业论文 得到普遍的应用【1 2 1 。熔模铸造型芯是生产复杂熔模铸件所必须的，据介绍，美 国熔模铸件中约2 0 3 0 使用陶瓷型芯。随着熔模铸造向更精密、更复杂、 更大型发展，对熔模铸造型芯也提出了更高的要求。 11 2 _ 1 熔模铸造用精密型芯基本性能要求 熔模铸造用精密型芯除与常规铸造一样，工作时处于熔融金属的包围之 中，工况条件恶劣外，还需经受脱蜡和焙烧的作用。故对其性能要求通常较型 壳为高。为此，型芯应满足下列要求【1 0 】： 1 耐火度高型芯的耐火度至少应该高于合金的浇注温度，以保证在浇 注时和铸件凝固过程中不软化和变形。一般情况下型芯的耐火度应该达到 1 4 0 0 以上，在定向凝固和单晶铸造时，则要求能承受1 5 2 0 1 6 0 0 的高温 3 0 m i n 以上。 2 热膨胀率低、尺寸稳定为保证铸件内腔尺寸精度，型芯的热膨胀率 应尽可能小，且无相变，以免造成型芯开裂或变形。一般来说其线膨胀率系数 以小于4 1 0 4 k 4 为宜。 3 足够的强度型芯应具有足够的常温强度，以承受压注时蜡液的冲击 和挤压而不致断裂或破损。型芯还要有足够的高温强度，以承受浇注时金属液 的冲击力和静压力。 4 化学稳定性好型芯在与金属液接触过程中应不污染合金，也不与金 属液或金属的氧化物发生化学反应，以防止铸件表面产生化学粘砂或反应性气 孔。 5 易脱除铸件铸成后，型芯应便于从铸件中脱除。由于铸件中的陶瓷 型芯绝大多数采用化学腐蚀法溶失，为此，型芯必须有相当大的孔隙率( 约2 0 4 0 ) ，体积密度应比真密度小。 1 2 - 2 熔模铸造型芯的分类 目前熔模铸造用的精密型芯按成型方法和工艺特点可以分成几种，见表 1 1 。它们的脱芯方法和应用范围也各不相同。国内外应用仍以热压注陶瓷型 4 四川大学硕士毕业论文 芯和传递成形型芯为主，特别是前者应用最广【1 0 1 。 表1 - 1 各种类型熔模铸造型芯的工艺特点和应用 型芯种类成型方法工艺特点 脱芯方法应用 以热塑性材料( 如 内腔形状复杂 热压注硅基蜡) 为增塑剂配制陶 而精细的高温合 热压注成型化学腐蚀金和不锈钢铸 陶瓷型芯瓷料浆，热压注成型， 件，定向凝固和 高温烧结成型芯。 单晶空心叶片 将混有陶瓷 传递成形陶粘结剂的粉末制芯混合料中含有低主要适合真空 化学腐蚀 瓷型芯高压压入热芯 温和高温粘结剂熔铸高温合金 盒中成型 灌浆成形陶 陶瓷料浆中加入固 用水或稀酸内腔形状较宽 自由灌注成型化剂，注入芯盒后自 瓷型芯溶失 厚的铸件 行固化 以遇水溶解或溃散 内腔形状较宽 的材料作粘结剂配制 用水或稀酸 水溶型芯自由灌注成型厚的有色合金铸 料浆，注入芯盒后自溶失 件 行固化。 水玻璃砂型 以水玻璃为粘结剂 与水玻璃型壳 紧实型芯砂 配制芯砂，制成型芯机械方法 芯配合使用 后浸入硬化剂硬化 将特殊液体渗入冷 尺寸精度和表 替换粘结剂芯盒法制成的型芯 冷芯盒法成型 机械方法面质量要求较低 型芯 中，令其焙烧时转变 的民用产品 为高温粘结剂 将金属或玻 将金属或玻璃薄壁 化学腐蚀或主要适合有色 细管型芯 璃薄壁管材弯 管材弯曲，焊接成复 留在铸件中 合金细孔铸件 曲，焊接成型杂管道型芯 四川大学硕士毕业论文 但是上表中的多种熔模铸精密型芯都有其局限性，如热压注硅基陶瓷型芯 虽然可通过热压注成形各种形状复杂的型芯，但是型芯脱模时受到很大限制， 如带有弯扭等结构很可能造成无法脱模；而传递成形陶瓷型芯往往型芯强度不 高，应用范围比较狭窄；灌浆成形陶瓷型芯主要适合内腔形状较宽厚的铸件， 在遇到具有狭窄内腔的铸件时容易出现浇不满的缺陷；水溶型芯虽然精确度 好、强度高，也难以用于成形具有狭窄内腔的铸件；替换粘结剂型芯的尺寸精 度和表面质量较低；细管型芯的应用具有局限性。相对于传统各种型芯，本文 中研究的磷酸盐浇注成形芯料在固化后具有足够强度，可以通过蜡模浇注成形 各种复杂型芯，脱模时可熔去蜡模不受脱模限制，且可通过调整混合液体加入 量改善流动性以满足成形铸件狭窄内腔的需要，具有优秀的精密型芯性能。 1 2 3 硅基陶瓷型芯 在熔模铸造中，对内腔形状过于复杂或内腔截面窄小的铸件，必须使用预 制的精密型芯。喷气发动机的叶片、泵的叶轮、阀体、和许多特殊形状零件都 可以用精密铸造的铸件来制作，用精密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的有利条件。由 于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，总是首先考虑使用型科1 3 j 。 陶瓷型芯并非是真陶瓷，而是由各种颗粒、粉粒材料压制烧结后，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，类似于陶瓷材料。 目前，普遍用于定向结晶的型芯基体材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l l 。 陶瓷型芯是以高纯度优质耐火材料石英、熔融石英、刚玉、锆英粉等为基 体，利用它们的按适当比例混合后高温烧结能烧结( 陶瓷化) 的特性制成耐高温 的型芯，这种型芯有较少的热变形，稳定的热化学性，并且具有一定的常温及 高温强度，这些特性符合精密铸造对型芯的要求。 陶瓷型芯，是根据零件所需的孔或腔制造型芯模生产型芯，制蜡模时将型 芯一同压入蜡模内，直至铸件浇注成型后再去除l l ”。陶瓷型芯烧结成型后，压 6 四川大学硕士毕业论文 蜡时压入蜡模内露出芯头，直接制壳，熔蜡后模壳内即嵌有这陶瓷芯，送去浇 注金属，由陶瓷型芯直接形成铸件狭窄表面。使用这种方法可以制出非常复杂 的零件，但其成本很高，工序复杂，一般主要用于高温合金，用于制造精度高 的难加工铸件。对那些要求较低的有色合金零件，可以考虑用酚醛树脂砂芯或 水玻璃型芯代替陶瓷芯，制造一些具有很小的孔或狭缝等制壳困难的铸件。 1 2 , 3 1 陶瓷型芯性能要求 陶瓷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。 对陶瓷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。力学性能方面的要求有强度、刚度等， 工艺性能方面的要求有孔隙率、脱芯性、烧成收缩等【1 6 】。王乐仪先生主编的熔 模铸造工艺学1 2 】提到了以下几点： 1 ) 室温强度 陶瓷型芯的室温强度指的是在室温下测得的陶瓷试样的断裂强度。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陶瓷型芯的破坏，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 制模时陶瓷型芯的损坏，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，陶瓷型芯的烧结需要进行 强化以提高其室温强度。 2 ) 高温强度及抗激冷激热性 型壳的焙烧温度通常在1 0 0 0 。c 左右，有时会更高些。在浇铸时，金属包围 型芯，使陶瓷型芯迅速被加热到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。因此陶瓷型芯应 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的热冲击，能够经受熔融金属的静压力。 3 ) 热膨胀系数 陶瓷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。陶瓷型芯不应由于型芯材料中结晶 四川大学硕士毕业论文 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而使型芯损坏。但 是，型壳和陶瓷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，这时不发生反应。 因此，长度大一些的型芯与型壳的连接处需要有一个“滑动结合”，或称“自由 端”，也就是在型芯的一端需要一层薄的蜡覆盖，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 陶瓷型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 不发生能够引起铸件产生气孔的气体；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。型芯在与熔融金属接触时不发生能引起铸件 产生气孔的气体。 5 1 尺寸精度和表面光洁度 陶瓷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。 最重要的是保证陶瓷型芯的尺寸稳定性，因为陶瓷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。 6 ) 溶解性 溶解性指的是陶瓷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，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 面的晶界腐蚀超过某个规定的深度，则叶片就不合格。 7 ) 纯度 8 四川大学硕士毕业论文 近来发现，在陶瓷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，陶瓷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，陶瓷型芯应 具有良好的抗热变形能力，以防止型芯在高温下软化变形。而且陶瓷型芯还应 该保持有相当数量的空隙。一贝l j 使之具有一定的透气性，二则也便于从铸件中 脱出。 1 2 3 2 硅基陶瓷型芯材料1 0 1 2 , 1 7 ，1 嗣 硅基陶瓷型芯的基体材料有石英玻璃、氧化铝( 刚玉) 、氧化镁、氧化钙、 锆砂和氧化锆等。由于石英玻璃具有热膨胀系数最低，且有良好的溶失性，长 期以来是应用最广的陶瓷型芯基体材料。 矿化剂能促进型芯烧结，它的作用是降低陶瓷型芯的烧结温度，或缩短烧 结时间，并兼有提高型芯高温抗变形能力、以及提高石英玻璃析晶率等作用。 国内常用作陶瓷型芯矿化剂的材料有：工业氧化铝、铝硅系材料矿化剂、a c s 矿化剂及耐火粘士矿化剂等。 为保证陶瓷浆料能顺利压注成型，需加入增塑剂。用于陶瓷型芯的增塑荆 宜选用粘度低、流动性好的有机热塑性材料，如石蜡、蜂蜡、松香、硬脂酸等， 有时为了提高型芯坯体强度，也可加入聚乙烯或e v a 等高聚物。增塑剂的主要 作用是使制芯材料在加热状态下具有一定流动性，以便顺利充填型腔，并在加 温排蜡时，能被周围填料所迅速吸收，然后从中挥发逸出和燃烧掉。 为减小粉料颗粒与增塑剂间的界面张力，使两者能很好的混合、包覆，需 加入表面活性剂，又称润滑剂。在陶瓷浆料中使用的表面活性剂有油酸、脂肪 醇类等物质。它被陶瓷粉料吸附形成薄膜，减少增塑剂用量，增加粉料表面滑 动性，从而有利于型芯成形，一般用量为粉料质量的0 5 1 0 。 9 四川大学硕上毕业论文 1 2 3 3 制芯工艺流程 硅基陶瓷型芯大多采用热压注法成型，工艺参数控制类似于压注熔模。国 内、国外制作陶瓷型芯的工艺流程大体相同，但在生产水平和品质控制方面的 差距较大。在美国f a i r e y 工业陶瓷有限公司设计建造并安装了号称是世界上最 大的陶瓷型芯压注设备1 1 9 】。根据不同的工作条件，型芯应选用不同的耐火材料 作为基体。基体材料必须具备5 个条件：即足够的耐火度( 可以熔点作为参考 指标) ；与合金有较高的不相容性；能用化学方法脱除；与壳型相匹配的线膨 胀系数；烧成后没有过多的高低温晶型转变【2 0 1 。工业上具体陶瓷型芯制备流程 见图1 3 t 2 ”。 1 ) 浆料配制 陶芯浆料在制备前，需先将耐火材料粉料、矿化剂和油酸一起球磨1 2 小时，然后置于8 0 1 0 0 条件下烘干2 小时以上，使其中水分含量低于0 2 o 3 ，粉料中含水分将影响浆料流动性并使增塑剂的用量有较大增加。 制备浆料时，先将增塑剂加热熔化，并将已烘干的粉料边加入边搅拌混和， 使用蜡基增塑剂时可加热升温至1 2 0 ( 松香基增塑剂加热温度不要超过 1 6 0 ) ，经混和机充分搅拌混制，直至浆料成均匀细腻、具有一定流动性的糊 状膏体聊。 2 ) 型芯成型 陶芯的成形方法有热压注法，低一高温粘结剂传递成形法，挤压法，灌浆 法，干压法，五种方法。目前国内外仍以热压注法应用最为广泛。 3 ) 装钵和填充填料 装钵是将压制成型的陶瓷型芯装入盛有填料的匣钵中，防止型芯在焙烧过 程中变形