毕业论文（设计）非加工零件精密铸造工艺设计

1、诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 非加工零件精密铸造工艺设计 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 112011438 学生： 指导教师（含职称）： （工程师） 1课题意义及目标 学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识。深入了解机械设计的各个过程。及设计规范、计算方法、设计思想等内容。为学生在毕业后从事产品设计、制造等技术工作打好基础。2主要任务（1）根据题目要求，查阅相关资料。（2）进行详细的结构设计、计算、控制内容

2、设计。（3）按照毕业设计说明书撰写要求，完成毕业论文的撰写。（4）绘制结构设计相关的零件图及工艺设计卡片或控制部分设计。（5）设计过程要按标准要求执行。3主要参考资料 1张世昌.机械制造技术基础M.高等教育出版社,2006. 2陈才金.朱锦伦.熔模精密铸造技术M.浙江大学出版社.4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1根据题目要求，确定设计方案。3月 3日 3月23日2结构设计，计算。3月24日4月13日3完成50%以上的工作任务，准备中期检查。4月14日 5月 4日4完成图纸的绘制，程序调整。5月 5日 6月 1日5撰写毕业论文，准备答辨。6月 2日 6月22日审核人： 年 月 日非加工零件

3、精密铸造工艺设计摘 要：船舶行业、电力、汽车等行业大型装置上的重要组成部分就包括叶轮，叶轮对这些行业异常重要。简单的叶轮生产起来很方便，但结构复杂的叶轮仍有许多问题正在探寻中，对这类铸件的生产还存在困难。这类铸造问题一直是一项难以逾越的障碍。我要做的就是根据实际情况和任务要求，来分析叶轮铸造过程的部分问题，以及解决途径。在对叶轮结构和用途进行分析后选用铸造过程中的的各种材料以及各种设备，根据需求再对模具进行设计。最后，详细研究整个铸造工艺过程，对该工艺进行工艺说明书的撰写。 在整个过程中，分析了熔模铸造从古自今的发展经历及以后的发展方向，熔模铸造与其他铸造方法的对比结果；给叶轮铸造过程选择了合

4、适的工艺流程。 本设计显示，选择合适的工艺流程可制造出质量较好的叶轮铸件，并且提高了生产效率；关键词：熔模铸造；叶轮；型壳质量；工艺优化 Non-machined parts Precision Casting Process DesignAbstract：Casting impeller is a key component which is used for many large equipments, such as ship building, electricity, pharmaceuticals, pump and valves and transportation, etc.

5、And it will play a decisive role in the whole equipments integrated performance. A certain difficulty for the complicated impellers casting craft still exists in the current production. So on this aspect research has always been a hot topic in the casting Industry. To begin with, the parting face ar

6、e determined according to the shape characteristics, then to drawing parts graph and cavity figure. Besides, selection pressure wax machine, analysis of the technology of casting, design the system structure of mould and calculating its size. At last, analysis of the investment casting process parti

7、cularly, writing the designing instruction, the translation and so on. In the process of casting process analysis, mainly introduced casting the historical heritage and development situation, then analysis the advantages of the investment casting. In addition, introducing the process of casting proc

8、ess and shell of manufacturing process very carefully. The final results show that improving the process scheme could raise the quality of the casting.Key words：investment casting;impeller;shell quality;process optimization目 录1 绪论11.1 熔模精密铸造11.2 熔模精密铸造国内外发展状况22 熔模的制造42.1 薄壁类铸件叶轮结构分析42.2 模料42.2.1 对模料

9、性能的要求52.2.2 模料的种类和性能52.3 模料的熔化102.3.1 蜡基模料熔化102.3.2 树脂基模料熔化102.4 糊膏状模料制备102.5 制模工艺及质量控制112.6 熔模的组装122.7 模料的回收与再生132.7.1 蜡基模料的回收132.7.2 树脂基模料的回收142.8 压型设计143 制壳原材料163.1 耐火材料163.1.1 熔融石英173.1.2 电熔刚玉173.1.3 锆砂173.1.4 铝硅系耐火材料183.1.5 特种耐火材料183.2 黏结剂193.2.1 硅溶胶黏结剂193.2.2 硅酸乙酯水解液黏结剂203.2.3 水玻璃黏结剂203.3 其他附加

10、物214 制壳工艺224.1 硅溶胶型壳224.2 硅酸乙酯型壳254.3 水玻璃型壳264.4 硅溶胶水玻璃复合型壳294.5 陶瓷型芯制备295 熔炼与浇注325.1 ZG1Cr18Ni9Ti铸造不锈钢熔炼设备325.2 ZG1Cr18Ni9Ti铸造不锈钢配料325.3 ZG1Cr18Ni9Ti熔炼345.3.1 ZG1Cr18Ni9Ti筑炉工艺345.3.2 ZG1Cr18Ni9Ti熔炼355.4 浇注365.4.1 浇注结构对铸件质量的影响365.4.2 浇注速度对铸件质量的影响395.4.3 浇注温度铸件质量的影响395.4.4 外加冷铁对热节部位的影响406 叶轮铸件的后处理426

11、.1 叶轮铸件的清理、修补及精整426.2 ZG1Cr18Ni9Ti叶轮铸件的热处理426.2.1 固溶处理426.2.2 稳定化处理437 总结44参考文献45致谢46II太原工业学院毕业设计1 绪论1.1 熔模精密铸造 熔模又被称为蜡模，把熔模铸造称为失蜡铸造。熔模铸造得到的铸件是一种近净形的铸造工艺，每个铸件都要经过很多工序，多种材料，得到的铸件尺寸精度高，表面质量好，所以此工艺又叫熔模精密铸造，也常有人简称此法为精密铸造。熔模铸造工艺流程图1.1。图1.1 熔模铸造工艺流程图与其它零件成型方法和铸造方法相比较，熔模铸造具有以下显著特点: （1）熔模铸造可对产品进行大批量生产，也可进行单

12、件生产。 （2）金属利用率高，熔模铸造件的金属利用率是一般锻造件的3倍左右。 （3）铸件尺寸精度高，铸件的切削加工余量会大幅减小，因此该铸造方法可大量节省原材料。 （4）采用型腔表面粗糙度低的压型来制作熔模，熔模的表面粗糙度就会比较低。熔模铸件的表面粗糙度也就比较低。 （5）多种金属材料都可用于熔模铸造生产。 （6）可生产形状复杂的铸件。熔模铸造可制造航空航天、燃气轮机和涡轮增压器类的各种叶轮叶片及其他复杂、精密的熔模铸造工艺生产的铸件。还可进行整体设计铸造成形，减轻零件重量。1.2 熔模精密铸造国内外发展状况 约4000年前就有了熔模铸造，埃及、中国和印度是最早的起源国家。盟军驻云南保山的美

13、国工程师在二战期间发明了现代熔模技术，他是看了中国失蜡铸造工艺后诞生的想法，在此想法基础上研究出了现代熔模铸造。以前的熔模在加工机械零件上用的最多，但后来发现它不单单可以加工机械零件，而且可以生产很多东西，所以开始发展，经过后人的不断琢磨研究，形成了一门工业基础工艺。现在运用于各领域各行业。我国早在3000年前就有了熔模铸造，但当时还不太成熟，还未形成工艺。在我国1978年湖北出土的青铜器中很多都是运用了熔模铸造工艺做出的饰品。可见古人对此铸造法已有了一定的水准。世界上对熔模铸造记录最早的文献是中国南宋的洞天清禄集，欧洲的最早记录文献是在公元925年，也就是说我国对此工艺的运用比欧洲早了二百多

14、年，足见中国古人的聪明与伟大。而后在明朝的文献天工开物中，对熔模铸造技术又有了详细的叙述。研制出的快速铸造（FastCAST），此种方法能快速得型壳，缩短了制壳时间以及其中的很多工艺，所得到的事一种高质量的塑料模，进而提高生产效率。近年来熔模铸造在生产低成本件和快速生产上有了新的突破。计算机技术的发展为熔模精密铸造数值模拟提供了条件。熔模铸造的应用也越来越广泛。 我国于20世纪50年代初期，通过引进前苏联技术，开始发展现代熔模精密铸造技术。1976年，我国引进英国斯贝MK202发动机是我国从英国引进的，这种发动机设备和技术开辟了新的时代，生产迅速，质量高，精密铸造从此到来。我国熔模铸造发展到了

15、一定的新高度，生产出的产品质量大大提高，生产效率也大大提高。起初熔模铸造生产出的产品只是用于比较低端的领域，现在逐渐走向高大上，现在好多发达产业如航空航天，军工领域的精密零件都用熔模铸造来生产。我国面层耐火材料多用锆砂，水玻璃粘结剂，这样得到的铸造质量不好，生产周期也长，所以应该尽量研制出新型材料代替这些老的劣质材料。国外已经运用新的黏结剂如熔融石英和新型硅溶胶，这样得到的铸件粗糙度低，表面光滑，颜色好看，质量好，并且生产环境也好了许多，生产成本降低。另外，国外采用计算机数值模拟技术对熔模铸造过程进行预测，可以提前知道铸造中会出现的问题，以及产品容易出现的缺陷，经过分析后进行工艺参数优化，以此

16、避免了很多不必要的麻烦，这样做信息化程度高，效率自然得到提升；而国内依然采用传统的“”的方法，各项参数不好控制，效率低下，产品质量不太好。熔模精密铸造产品应用情况如表1.1。 表1.1 领域国家美国/欧洲/英国/日本/中国/航天与军工6055701512.5民用4045308587.5 2 熔模的制造2.1 薄壁类铸件叶轮结构分析 薄壁铸件的壁厚一般在1.55mm，这些铸件制作时要求较高，因为金属液不易填充到薄壁处，且冷却速度较快，补缩困难。 叶轮为泵的主要部件，决定了泵的使用性能及寿命。图a为叶轮的整体视图，图b为叶轮的下图。从图a中可以看出，上下圆形盖和轮毂组成的闭式叶轮。从图b中共有5个

17、叶片，叶片状态如下。该铸件外形尺寸为190mm×86.5mm，其中叶片为该铸件最薄处，但厚度并不均匀，由外至内，厚度逐渐。图2.1 通过以上结构分析可发现，铸件的内腔很狭小，形状很复杂，用常规的涂料工艺来完成不容易，因此其内腔需使用准备好的型芯来形成，然后在金属浇注后，进行清理型芯。2.2 模料选用好的制模材料和制模工艺可以制的精度要求高的熔模：蜡质材料：矿物蜡、动植物蜡、人造或合成蜡。树脂：天然、人造或合成树脂。高分子聚合物：主要是聚烯烃。2.2.1 对模料性能的要求 （1）模料一般在6080温度熔化，在810凝固。 （2）开始熔化温度终了熔化温度 610。 （3）为使熔模保持形状

18、，模料一般选高于40温度进行软化。 （4）为了得到尺寸精确，表面质量好的熔模，应选用流动性好的模料。 （5）为了提高叶轮表面质量，选择收缩率小于0.5%1%的模料。 （6）硬度为46度（1度=10-1mm）的模料所制得的熔模质量较好，不易被损坏。 （7）我们一般控制模料中的灰分低于0.05%。另外，所选模料所制的型壳应该便于后续工序的进行，而且尽量选环保，便宜的模料等。 2.2.2 模料的种类和性能 （1）蜡基模料常用蜡质材料有矿物蜡包括石蜡、地蜡、微晶蜡人造蜡包括蜂蜡、虫白蜡等。上述蜡料配制成蜡基模料，最常用的蜡基模料是由石蜡和硬脂酸蜡配制的。石蜡是从原油的蜡馏分中分离而得的含有17个以上碳

19、原子烷烃混合物，其分子通式为CnH2n+2，式中n=2036。n愈大，石蜡的熔点就愈大高，如n=32，称熔点为72石蜡即为72石蜡。生产中常用5862石蜡。石蜡的化学活性低，呈中性，在140以下不易，塑性好，常采用该材料，但它的软化温度只有30左右，收缩量大，表面硬度小，故常和硬脂酸配合作为模料。硬脂酸是固体的饱和脂肪酸，分子式为C17H35COOH，是用动植物油脂加压蒸馏，水解而成。硬脂酸属弱酸，能起中和反应，生成皂盐（皂化反应）。常压时，在120以上会分解碳化。常用蜡基模料的成分及性能见下表2.1。表2.1 常用蜡基模料的成分和性能成分/性能石蜡硬脂酸褐煤蜡地蜡松香聚乙烯或EVA滴点/热稳

20、定性/线收缩率/抗弯强度/MPa5050505431350.81.02.53.095566341.043.398.51.558310.644.4952362320.824.79233262360.801.940204060330.72.0为使模料的软化温度高、增强流动性和涂挂性，增强其表面硬度，可在石蜡中溶入硬脂酸。当硬脂酸溶入量在50左右时，提高硬脂酸的比例，模料强度会略有下降，所以生产中常用石蜡和硬脂酸的含量往往各占一半。因为硬脂酸价格较贵，而且软化温度很低，所制熔模在温度稍高是就易变形，所以常在度数高的模料中加入EVA或蜂蜡来提高软化温度。现在很多企业再配制蜡基模料时尝试用收缩率较低的褐

21、煤蜡代替硬脂酸，效果不错。 （2）树脂基模料常见的树脂有松香及其衍生物、紫胶、琥珀树脂等，其中常用松香及其衍生物、造树脂是常用的树脂材料。 （3）填料模料为了防止熔模变形和表面出现缩陷，就需要加入填料。蜡模中加入空气填料会卷入气泡，影响熔模质量，所以常采用液体填料。 （4）水溶性填料像尿素、硫酸盐这种水溶性材料不怎么收缩、刚度大、耐热性好，其缺点是比重大、易潮湿、熔点高、质脆、自由浇注温度较高，生产很慢。多采用SUP法所得的熔模质量好，制得铸件尺寸精度高。实际生产中因为考虑到尿素价格便宜，压注方便，所以经常使用。 （5）商品系列模料 商品模料是为了生产各种精密铸件而专门生产的一种树脂基模料。

22、商品系列模料：模样蜡、浇道蜡、粘结蜡、修补蜡、浸封蜡、水溶蜡、样件蜡等。模样蜡是常用的蜡料，水溶型芯常用硬度和强度都很大的水溶蜡来制；浇道蜡的流动性好；粘结蜡黏度较大，熔模组装时常用；修补表面缺陷常用质软的修补蜡；封填焊隙常用低熔点的浸封蜡。模料蜡（型蜡）浇道蜡水溶蜡 粘结蜡修补蜡样件蜡2.3 模料的熔化2.3.1 蜡基模料熔化 碳氢化合物是蜡基模料基本组成部分，温度过高加热时，会被氧化、热分解或热裂解，降低了模料性能。例如：用高于140温度加热石蜡时，会产生氧化，用高于140加热虫白蜡（川蜡）、蜂蜡时即发生变质；用高于160温度加热松香时，其老化变质，不太与蜡相溶。水浴加热是蜡基模料熔化时经

23、常用的方法，因为蜡基模料导热性差，有较低熔点，过热易被氧化。2.3.2 树脂基模料熔化树脂基模料及商品系列模料采用不超过90的油浴加热，因为其熔点较高。根据各组元的性能，选择加料顺序的原则是：作为溶剂的模料先加入，再加其他材料。2.4 糊膏状模料制备 熔模铸造生产中，蜡基模料和树脂基模料平凡用料压注熔模，糊膏状模料比其他态模料收缩小、凝固快、生产率高，虽然糊膏状模料的流动性较差，但压力适当，仍能很快的充满型腔。表2.2 化蜡90蜡锭截面尺寸140mm×140mm6580，4852，蜡液/（质量分数）1/（12）回性恒温箱温度4852，保温0.5h以上 表2.3 工序名称设备操作要点化

24、蜡油浴化蜡缸化蜡温度90蜡膏制备保温箱和小蜡缸（蜡缸容积：7L）恒温（视模料种类而定，约5060）保温24h以上供蜡机（蜡桶容积：120L）恒温保持（约5260），慢速均匀搅拌射蜡输送设备（蜡桶容积：120L）恒温保持（约5260），慢速均匀搅拌，压力泵（14MPa）送蜡 蜡基模料的制膏过程是：先在模料桶中加入约80的液态蜡料，然后再加入一定比例的刨蜡片或蜡屑，经快速搅拌制成。旋转式叶轮搅拌机、活塞式、螺杆式等是制备糊膏状模料的设备。叶轮式搅拌机很常用，而且简单方便，操作时快速均匀搅拌获得质量高的糊膏状模料。液态压注模料并不全是液态，而是一种液、固共存但仍具有流动性的浆状模料，为使其成分和温度

25、均匀，需慢速搅拌，这样制成的熔模表面精度高。 2.5 制模工艺及质量控制 用一定压力下将糊膏状模料注入压型，经凝固后制成熔模。决定熔模尺寸精度、表面粗糙度及表面缺陷等表面质量的有模料性能、制模工艺和设备。选用压注、压型温度、及分型剂直接影响熔模粗糙度： （1）注蜡温度熔模的表面粗糙度受注蜡温度的影响，采用60的精白蜡与一级硬脂酸配成的蜡基模料，通常应用糊膏状模料压注；若将注蜡温度提高到55左右时，模料呈浆状，此时所得熔模的表面光滑，表面粗糙度可与压型表面大致相同，Ra可达1.250.30m（相当于79）。当注蜡温度降至4852时，模料中固态组分增加，流动性消失，模料渐成糊膏状，注蜡后所得熔模的

26、表面粗糙度增大至Ra1.52.5m（相当于6）。注蜡温度下降至48以下时，表面粗糙度将继续增大，Ra4m（相当于45），浇不足或冷隔等现象也极有可能出现。收缩率随注蜡温度升高而变大，此现象发生在熔模从液相到固相转变阶段。收缩率的变化情况因模料类型而异，有些材料注蜡虽可获得表面粗糙度小、表面光滑的熔模，但液态自由浇注的收缩率高达2以上，如石蜡硬脂酸模料，影响熔模的表面质量，液态压注是不宜选用它，要获得表面质量好的熔模可采用收缩率好液态模料制模。 （2）压注压力 膏状模料压注压力与熔模组成、模料性能及射蜡温度有关，熔点和黏度越低，所需压力越低。 模料线收缩率越小，所需压注压力越大，但压力过大，很容

27、易对压型产生破坏。而且压力过大会使熔模中的水溶型型芯断裂或变形。所以要选择合适的注蜡压力。 （3）压型温度一般压型的温度宜选择在2025左右。若温度超出范围，熔模的表面质量变差，而且产生冷隔，浇不足等现象。 （4）保压时间和开型时间熔模的线收缩率随保压时间变大而减小。注蜡温度、熔模壁厚及冷却条件等影响熔模保压时间。体积不大的熔模保压时间通常约为26min。若时间过长或过短都会影响熔模表面质量。必要的话可在厚壁部位放置冷蜡块对压型进行强制冷却，这样减少收缩。 （5）分型剂（脱模剂）薄而匀分型剂是涂在压型的型腔表面，其作用是防止熔模粘附压型型腔，提高熔模表面质量。常用的分型剂是雾化硅油。 （6）熔

28、模存放多数熔模要经8小时以后，才不会继续收缩。取出后熔模平整放在控温的地方，或放在专用托架上，以获得尺寸精度好的熔模。2.6 熔模的组装铸件和浇冒口组合的过程叫熔模的组装，其方法有： （1）焊接法 是目前广泛使用的方法，采用低压电热刀片在熔模焊接处局部加热后，把焊接对象粘结后冷接在一起。 （2）粘接法 把两个拟组合的熔模的接合处做出卯榫结构，即在一个熔模上做出凹下的卯眼，在另一熔模的相对应处做出凸起的榫头，在卯眼、榫头表面上涂上黏结剂，把榫头插入卯眼，把两个熔模粘接在一起。 （3）机法 能快速组装小铸件的熔模。2.7 模料的回收与再生从模料中除去约5%15%的水分、约0.5%的陶瓷类夹杂物的工

29、艺过程称为模料回收，回收模料时应针对各种模料的组成和物理、化学性质采取不同的方法。回收得到的旧蜡通常还需要补充质量分数为10的新蜡或其他添加剂，使模料质量和性能恢复到原有水平，此过程称为再生。再生模料性能经过认真检测（灰分、酸值尤为重要）方能投产使用。2.7.1 蜡基模料的回收 石蜡硬脂酸模料回收过程主要是去除使用过程中产生的皂化物。这皂化物无法通过沉淀、过滤或蒸馏等物理方法除去。常用酸处理法、电解法和活性白土处理法三种方法处理。酸处理法效果明显且方法简单，故应用最普遍。电解法效果虽好但需要电解槽等专门设备，活性白土处理法所得回收蜡中残留的白土不易除净，故目前很少使用。 （1）酸处理法 此法是

30、在回收模料中加入强酸，发生反应（RCOO）2Me+H2SO4 = 2（RCOOH）+MeSO4Me代表某种金属离子。生成的盐大多属于水溶性盐，处理时加适量水即可与模料脱离。 （2）电解处理法 常用于除去模料中的硬脂酸铁，其原理如图2.2，电解工艺参数如下： 图2.2 1电源； 2变压器； 3硒整流器； 4阳极； 5阴极； 6蜡液； 7电解液； 8耐酸槽电解液：（HCL）= 23（表示质量分数）。电解电压：1520V，电流150200A。电解温度：8090。电极：阳极石墨电极，阴极铅板，两极间距400420mm。每次处理回收蜡5080kg，每千克蜡中加浓硫酸2.5mL，电解处理时间约2h。 （3

31、）活性白土处理法 活性白土又称漂白土，是陶土的一种。因为活性白土孔多，表面积大（比表面积约100300m2/g），从而具有良好的吸附能力，可将蜡液中的夹杂物吸附在其表面，在沉淀除去。处理方法是将经酸处理过的模料加热至110，加入质量分数1015粒度200号（即200目）预先烘干的活性白土。边加边搅拌，加完后继续搅拌0.5h左右，保温静置沉淀45h，或保温11.5h后再进行真空抽滤。2.7.2 树脂基模料的回收树脂基模料回收过程的主要任务是去除脱蜡时夹杂在模料中的水分、粉尘、砂粒。与蜡基模料相比，树脂基模料通常黏度较大，故分离这些夹杂物需要较长时间和较高温度。回收流程：静置脱水搅拌蒸发脱水静置去

32、污。2.8 压型设计 此设计模具的壁厚从下而上逐渐变薄是为凝固铸件时按从上到下的顺序，从而使铸件还没有凝固的部位得到很好补缩。熔模铸造浇注时液体是从模具底部充型，直至充满整个型腔。所以，铸件的形状、尺寸不同，压型的形状、尺寸也不同。为使溶体能够很好充型，会在模具下方设置浇注系统，该设计压型的材质选用45钢。图2.3 该设计所采用的是配比都是50%的石蜡和硬脂酸的石蜡基模料。 要将蜡料制成蜡膏状，用0.30.5MPa 的压力将温度约为50的蜡料压入压型中，压注时应根据零件的大小来调整合适的压力使蜡模的轮廓清晰。压注完成后，压力保持46s，保证蜡模表面质量良好。然后将蜡模放入冷却水冷却定型。 蜡模

33、表面如果某些部位凹陷或出现飞边毛刺，就要对蜡模进行检修。用蜡液填补凹陷区域，刀片清除毛刺。尺寸偏差太大的熔模应回收再用。 为了得到表面光洁的蜡模，应该清楚掉其表面的蜡屑，这样便于后序的进行。为了蜡模沾浆和撒砂均匀，要将合格的蜡模组装在一起，相邻的蜡模间距大于1.5cm。3 制壳原材料3.1 耐火材料 耐火材料影响型壳的性能很大，因此耐火材料很重要。耐火材料耐火度要足够高，使型壳抗变形能力好，为了不与金属液发生化学反应，耐火材料应稳定性好，脱壳性好等性能。耐火材料还应热膨胀系数低、粒度合适，无污染等。熔融SiO2、锆砂、熔融Al2O3是用的较多的面层型壳材料。瓷土熟料是用的较多的加固层材料，熔融

34、石英、氧化芯耐火材料常用。常见耐火材料的性能如表3.1。表3.1 3.1.1 熔融石英 熔融石英是比较好的制造型壳型和型芯用耐火材料，其熔化温度大概是1720，有较低导热系数，较小热膨数，因此热定性好。 熔融石英异常纯净，稳定性好，在高温下要使型壳有较好抗蠕变能力，就用熔融石英，可以得到质量较高的铸件。但是由于熔融石英不便宜，只有生产精密昂贵铸件时采用。3.1.2 电熔刚玉 化学式为Al2O3的白刚玉即为电熔刚玉，熔融的高温氧化铝，经冷却结晶后，再经一系列加工筛选得到的。电熔刚玉是两性氧化物，其结构紧凑、导热性能好、热小、密度大、有高熔点，化学性能稳定，在高温下基本呈中性。因此是熔模铸造用优质

35、耐火材料。电熔刚玉的化学成分、粒度如下表：表3.2 成分Al2O3Na2OFe2O3SiO2灼烧物质量分数(%)98.50.60.10.20.3表3.3 粒度/m55202040408080含量(质量分数，%)826471813.1.3 锆砂 在4.05.0 g/cm3之间，莫氏硬度68，较纯的锆砂热化学稳定，导热性好，热较小，是很好的耐火材料。生产中锆砂粉的化学成分和粒度有如下规定，其中含水量不大于0.3%。表3.4 (质量分数，%)表3.5 3.1.4 铝硅系耐火材料 铝硅系耐火材料是混合成的铝硅酸盐，其含量多、制备容易、不贵，其化、耐火度高、很少线膨胀系数、其应用非常广泛。高岭石、铝矾土

36、及莫来石就是铝硅系耐火材料，前者大多存在于粘土砂中，便宜、易得，莫来石必须人工制得。铝矾土化学性能不太稳定，因此很少使用。3.1.5 特种耐火材料 用传统的耐火材料，用高活性金属合金生产质量要求较高的零件时，会与合金液发生反应，无法得到稳定型壳，因此生产时需采用特种耐火材料。 图3.1 3.2 黏结剂 黏结剂的选用在熔模铸造中举足轻重，其影响生产周期、产成本。常用的三种黏结剂如下：3.2.1 硅溶胶黏结剂 硅溶胶是1960年引入熔模铸造用的纳米级的二氧化硅颗粒在水中或溶剂中的分散液。硅溶胶黏结剂也是一种优质的黏结剂，其化学性能稳定且含少量杂质，其制好的型壳在高温下有不错的强度。要改善涂料的涂挂

37、性能，就需要加额外物质，因为其润湿性较差。硅溶胶黏结剂有一个缺点就是其水分较多，所以型壳湿强度低，型壳生产效率低下。但总的来看，硅溶胶在熔模铸造中充当优质黏结剂，其技术要求如表3.6。表3.6 熔模铸造用硅溶胶技术要求(HB53461986)3.2.2 硅酸乙酯水解液黏结剂 要使硅酸乙酯具有黏结性能，就要对它进行水解。水解过程要稳定水解液pH，就要在其中加入乙醇对硅酸乙酯进行稀释。另外，为增强背层型壳的渗透能力，可加一定的，为提高型壳韧性，可加定量甘油。 硅酸乙酯水解液是，其涂料的粉液比高，制的，得到型壳性能好，是常用的优质黏结剂。其技术要求如下，见表3.7。表3.7 3.2.3 水玻璃黏结剂

38、 水玻璃不是单一的化合物，而是多种化合物组成的混合物，水玻璃黏结剂是溶于水后制成的胶体，钠水玻璃时最常用的黏结剂。与其他型壳相比，制水玻璃型壳更困难。 和硅酸乙酯水解液和硅溶胶黏结剂相比性能较差，黏结剂一般不选它。 3.3 其他附加物 （1）表面活性剂：液体渗透压、表面张力、浊度等会因为表面活性剂的添加而得到改善。 （2）消泡剂：消泡剂是具有破泡作用的有机添加剂，加入表面活性剂可降低涂料表面张力。 （3）晶粒细化剂：用于细化铸件晶粒，提高熔模铸件质量。 （4）湿强度添加剂：可使型壳的湿强度提高，使型壳的高温强度降低，提高了型壳透气性。4 制壳工艺 4.1 硅溶胶型壳 硅溶胶型壳是以硅溶胶为黏结

39、剂通过复杂的理化反应将耐火粉料、撒砂材料黏结而形成得型壳。硅溶胶制壳过程就是让SiO2溶胶转变成胶凝态。硅溶胶通过水分蒸发使硅溶胶胶凝。每层型壳需以下步骤：浸涂料、壳干燥，根据所需要的型壳厚度来选择上述步骤的次数。 （1）模组清洗 按一定比例乳化水清洗剂与自来水混合配制成的液体对组模进行清洗以保证更好的涂挂性能。该清洗剂应用非常广泛，每次可清洗模组1000组以上。 （2）涂料配制 硅溶胶涂料有三种：面层涂料，严格的选择面层涂料使涂层具备足够的表面强度。耐火材料根据铸件合金的种类来选择，电熔刚玉是常用的耐火材料。耐火材料和黏结剂组成的背层涂料。根据铸件质量要求选择不同过渡层涂料。配制涂料时要确保

40、为了使耐火粉料与黏结剂混合充分，应正确的搭配涂料种类。图4.1是L型沾浆机，配涂料用设备。要对涂料进行测定，检测其密度、黏度、成分满足要求即可使用。 图4.1 （3）撒砂 撒砂系指在所挂涂料层上一层耐火砂粒，其目的是为了迅速增厚型壳，使砂粒层成为型壳的骨架，分散型壳在随后工序中可能产生的应力。 图4.2 图4.3 撒砂方法：雨淋法也称淋砂法，其工作原理如图4.2所示沸腾法又称浮砂法，其工作原理如图4.3所示。 （4）干燥 硅溶胶型壳通过蒸发水分进行干燥，该过程失水约85%，干燥不良的型壳质量不好，干燥程度密切相关。严格控制影响干燥的因素。 （5）脱蜡 脱蜡就是将易熔模熔失形成型壳空腔的过程，脱

41、蜡时，模料与型壳会随温度的提高而膨胀，但模料的热膨胀系数高于型壳材料，因此脱蜡时要避免型壳的预热，尽量保证高速脱蜡，这样就降低了型壳胀裂的可能性。常见脱蜡方法有两种：高压蒸汽脱蜡、热水脱蜡；高压蒸气法是硅溶胶型壳制备过程中常用脱蜡法，电热蒸汽脱蜡釜如图4.4。 图4.4 （6）型壳焙烧 如浇注金属液时产生大量气体，是因为型壳脱蜡后，没有清除蜡料、水分等残余物。通常用9501100来焙烧型壳，并保温30min以上，型壳会因为好的焙烧具有良好的透气性，型壳看起来是浅白色。 焙烧设备：液化气炉、燃油焙烧炉、电焙烧炉、天然气炉等，图4.5是电热焙烧炉，有些企业用此设备来焙烧硅溶胶型壳。图4.5 4.2

42、 硅酸乙酯型壳 （1）配制硅酸乙酯涂料为使硅酸乙酯成为工艺性能良好的黏结剂，首先要对它进行水解，常用的硅酸乙酯水解工艺是一次水解法。硅酸乙酯黏结剂配制涂料所用耐火材料与硅溶胶涂料基本相同，用于配制面层涂料的有电熔刚玉、硅石，今年来也使用锆英粉。硅酸乙酯加固层涂料较多用的有铝矾土、莫来石等铝硅系耐火材料。由于黏结剂的表面张力低，具有较好的润湿渗透能力，因而不用另外加润湿剂。表4.1 面层涂料耐火粉料锆英粉刚玉粉石英粉高铝矾土粉粉液比3.54.02.42.72.02.22.4密度（g/cm3）2.52.82.02.21.71.81.72.0流杯黏度25±525±525±

43、;525±5加固层涂料耐火粉料铝矾土粉粘土熟料粉刚玉粉粉液比2.02.21.61.72.02.2密度（g/cm3）1.72.01.621.651.752.0流杯黏度9±29±29±2 （2）上涂料和撒砂 涂料的涂挂性较好，为了进一步提高其对熔模表面的润湿能力，模组在浸涂前仍需进行脱脂工序，以有利于型壳及铸件表面质量的提高。由于硅酸乙酯涂料中溶剂挥发较快，所以要迅速进行浸涂料和撒砂，防止涂料干燥过快，粘不上砂粒。砂的粒度，表面层为50100目，加固层自3040目，逐渐加粗至20目左右。 （3）型壳的干燥和硬化 硅酸乙酯制壳工艺在模组上涂料和撒砂后，须进行充

44、分的干燥和硬化，才可涂挂下一层。若涂层在空气中干燥硬化一段时间后，再在氨气中干燥和硬化，可显著缩短硅酸乙酯型壳的硬化周期，使黏结剂立即胶凝。如涂料只用氨气干燥，虽然硬化较快，但溶剂仍保留在黏结剂中。当凝胶收缩体积发生变化，主要表现为线收缩一旦受阻，涂层内将会产生应力，就会使型壳出现裂纹。有时在涂4层后，或在型壳制成后，浸入硅酸乙酯水解液中进行强化处理以提高型壳强度。处理方法是：型壳浸入强化剂数分钟，再在空气中通风干燥3小时以上，再氨干40分钟。4.3 水玻璃型壳 水玻璃制壳是每层型壳需经浸涂涂料、撒砂、空干、硬化和晾干这些复杂工序，为了使二氧化硅起到粘结作用，硬化就显得尤为关键。（1）模组脱脂

45、 熔模要进行脱脂处理的原因是要清除油脂类物，也可提高表面质量。润湿剂（JFC）水溶液是常用的脱脂剂，其重量比是0.3%。 （2）涂料配制 涂料配制过程中要搅拌，是为了将粉料中的小块搅碎，使黏结剂与耐火材料混合均匀。该过程还需回性处理，黏结剂与耐火粉料充分润湿的过程叫回性，这样也可去除料里混入的气体。边搅拌边将耐火材料和润湿剂慢慢加到水玻璃中，继续搅拌一小时，回性4小时以上。为了使涂料混合均匀，选用L型沾浆机。回性时间的确定非常重要，密度、模数、粉液比和环境温度等因素影响回性时间。在配制水玻璃涂料时降低水玻璃的密度，这样可以降低其黏度，进而得到表面光滑整洁的铸件。 （3）撒砂 为使型壳具有足够的

46、，防止型壳硬化时出现表面缺陷，就需要进行撒砂。撒砂材料的粒度选择非常重要。撒砂方法和上述所讲硅溶胶撒砂方法类似，这里不再论述。 （4）空干 干燥消除壳的一些水分，减少凝胶收缩，连续性和密实度变得更好，表面缺陷减少，铸件表面质量和尺寸精度提高。 （5）硬化 水玻璃型壳要得到硅凝胶就要进行硬化，这样能提高型壳的湿强度。硬化过程分为界面硬化和渗透硬化。界面硬化比渗透硬化过程更快。结晶氯化镁、氯化铵、结晶氯化铝是水玻璃型壳常用的硬化剂。 （6）晾干 为了将硬化过程残留的硬化剂除净，需要对型壳进行再次干燥。晾干使涂层紧密结合。根据结构、熔模温度、硬化工艺和硬化剂种类来选择晾干时间。 （7）脱蜡涂料层硬化

47、过程中,随着时间的增加,壳的湿强度增加,并伴有脱水、凝胶更致密,强度增加,水阻力增加。型壳脱蜡的方法有多种。常用的有热水法，高压蒸汽法及微波脱蜡法等。国内水玻璃型壳由于普遍应用熔点较低的蜡基模料，如石蜡硬脂酸模料，故较多采用热水脱蜡法及蒸汽脱蜡法。热水脱蜡法工艺如下：清理浇口脱蜡前要将浇口杯顶部浮砂及涂料清除刮净，以免在脱蜡过程中跌入型腔内。添加剂为使水玻璃型壳得到补充硬化，在脱蜡水中加入37的氯化铵，或加入46的结晶氯化铝，也可以加入工业盐酸1（以上均为重量比）；其中加入1工业盐酸的热水脱蜡效果最好，它不仅使型壳得到补充硬化，并可防止模料在脱蜡时皂化，且有利于旧蜡的回收利用，但加盐酸脱蜡须采

48、用耐酸脱蜡槽，并应及时补加盐酸以控制pH值。 水温控制 热水脱蜡的水温宜控制在9598之间，但应该避免沸腾，以免将槽底的砂粒及脏物翻起而进入型腔。为了减少脱蜡时间，要提高脱蜡槽的加热速度，每框型壳装入量不应太多，不然会使型壳胀裂。故型壳的脱蜡时间应控制在1520min，不超过30min为宜。 型壳冲洗 型壳经脱蜡后，内腔可能存有残余蜡料并粘附有皂化物，所以用热水冲洗。脱蜡后的型壳可倒置存放。 槽液换新及清理 型壳在脱蜡时会有较多盐分和脏物进入脱蜡水中，故应定期更换脱蜡水，并同时清理槽底砂粒及脏物。 （8）型壳焙烧 水玻璃型壳在脱蜡后，型腔内含有水分、残余蜡料、皂化物、盐类以及耐火材料中的有机物

49、等，这些物质若未除去，在高温浇注时会溢出大量气体，使铸件产生气孔。因而在型壳浇注前须进行高温焙烧。 水玻璃型壳在脱蜡后停留数小时，即可入炉焙烧，大多是采用型壳低温入炉。型壳焙烧的温度主要根据型壳中各种有害物质已基本挥发除净的温度而定。以氯化铵硬化的型壳，其适宜的焙烧温度应为800850，保温0.52h，焙烧良好的型壳表面呈白色或浅色。若表面颜色呈较深的颜色，则表明型壳中残留较多的碳分，属焙烧不良，浇注时发气量大。用硅砂做耐火材料的型壳，由于在加热和冷却时的膨胀和收缩较大，若进行多次焙烧就会使型壳产生微裂纹而使型壳的强度下降，故要控制硅砂型壳的重复焙烧次数，不宜超过两次。4.4 硅溶胶水玻璃复合

50、型壳 （1）复合型壳制壳工艺 随着社会发展需求，单一水玻璃型壳黏结剂做的型壳已经满足不了生产需求，所以要采用复合型壳来进行生产。 下表4.2是硅溶胶水玻璃复合型壳的制壳工艺。表4.2 （2）脱蜡与焙烧由于硅溶胶水玻璃复合型壳工艺所采用的为蜡基模料，即主要是石蜡硬脂酸模料，因此其脱蜡与焙烧工艺均与水玻璃型壳相同，采用热水脱蜡工艺，脱蜡水中添加1工业盐酸或添加37的氯化铵，脱蜡水温度控制在9598，脱蜡时间不宜长，一般适宜的脱蜡时间在1520min，最多不超过30min。复合型壳的焙烧温度宜控制在950左右，并保温0.51h，即可进行金属浇注。4.5 陶瓷型芯制备该设计制作工艺采用的粘结剂为硅溶胶

51、(GRJ-30)，其技术要求见表3.6所示。该型壳制备工艺由以上论述可知。将耐火材料与粘结剂、消泡剂以及润湿剂均匀混合后，浇灌到型芯模具中，干燥后经过高温倍烧即可制成陶瓷型芯。铸造时由于环境恶劣，所以对型芯要求较高。陶瓷型芯应满足以下要求 （1）耐火度高,至少高于注射温度的合金,通常耐火度达到1400以上。 （2）热膨胀率小，尺寸稳定性好，避免型芯裂纹和变形。 （3）型芯有足够的常温强度和高温强度。 （4）型芯不与金属发生反应，化学稳定性好。 （5）型芯要有很大孔隙率，比真密度小，型芯从铸件很容易去除。选陶瓷作为型芯材料，因为陶瓷与硅溶胶能很好结合，也有好的致密性，同时陶瓷型芯尺寸精度好。表4

52、.3 按照表4.3的比例第二组制备陶瓷泥浆,泥浆和粘性均匀混合超过24小时,使陶瓷泥浆完全润湿。硅橡胶模刷蘸陶瓷浆料均匀涂在硅橡胶模具表面。用刷子轻轻涂刷陶瓷泥浆，由于叶轮核心部件尺寸很小,其厚度不均匀,防止裂缝,可用在薄厚联合和大小地方均匀的撒上一层薄薄的fiberglass。fiberglass长度为35毫米,可以起到连接的作用。干燥后，再涂刷浆料和撒砂，反复几次，当厚度达到要求。型芯干燥后，模具上取下。制成陶瓷型芯无裂纹、尺寸精度好、无缺陷。然后将型芯放到电阻炉，加热950高温。焙烧时间达到30分钟上，自然冷却到室温，将型芯取出，这样就制成了型芯。所得陶瓷型芯如图4.6； 图4.6 5 熔炼与浇注5