特种铸造之熔模铸造

1、1. 熔模铸造熔模铸造通常是在可熔模样的表面涂覆多层耐火材料，待其氧化干燥后，加热将其中模样熔去，而获得具有与模样形状相应空腔的型壳，再经过焙烧，然后在型壳温度很高的情况下进行浇注，从而获得铸件的一种方法。Investment castingLost wax casting/Lost-wax castingLost pattern castingPrecision casting The technique of investment casting is both one of the oldest and most advanced of the metallurgical arts.Th

2、e ceramic mold, known as the investment The history of lost-wax casting dates back thousands of years. Its earliest use was for idols, ornaments and jewellery, using natural beeswax for patterns, clay for the moulds and manually operated bellows for stoking furnaces. Examples have been found across

3、the world in Indias Harappan Civilisation (25002000 BC) idols, Egypts tombs of Tutankhamun (13331324 BC), Mesopotamia, Aztec and Mayan Mexico, and the Benin civilization in Africa where the process produced detailed artwork of copper, bronze and gold.Foundry cup, Early fifth century BCThe Gloucester

4、 Candlestick, early 12th centurySculpture of the Benin Kingdom. Lost-wax cast bronze, Nigeria, late 15th-middle 16th centuryLate Cycladic (17th cent. BCE) gold ibex sculpture about 10cm long with lost wax cast feet and head 在我国古代金属加工工艺中，铸造占着突出的地位，具有广泛的社会影响，像“模范”、“陶冶”、“熔铸”、“就范”等习语，就是沿用了铸造业的术语。劳动人民通过世

5、代相传的长期生产实践，创造了具有我国民族特色的传统铸造工艺。其中特别是泥范、铁范和熔模铸造最重要，称古代三大铸造技术。 泥范铸造泥范铸造我国自新石器晚期，就进入铜石并用时代。河北唐山等地出土的早期铜器，有锻打成形的，也有熔铸成形的，说明范铸技术在我国源远流长，很早就发展起来。 熔模铸造熔模铸造传统的熔模铸造一般称失蜡、出蜡或捏蜡、拨蜡。它和用来制造汽轮机叶片、铣刀等精密铸件的现代熔模铸造，无论在所用蜡料、制模、造型材料、工艺方法等方面，都有很大不同。但是，它们的工艺原理是一致的，并且现代的熔模铸造是从传统的熔模铸造发展而来的。战国的青铜尊盘，1978年随县曾侯乙墓出土，酒器，尊盘口沿的镂空附饰

6、采用熔模铸造工艺制成。 曾侯乙墓尊盘底座为多条相互缠绕的龙，首尾相连，上下交错，形成中间曾侯乙墓尊盘底座为多条相互缠绕的龙，首尾相连，上下交错，形成中间镂空的多层云纹状图案。这些图案用普通精密铸造工艺很难制造出来，而用失镂空的多层云纹状图案。这些图案用普通精密铸造工艺很难制造出来，而用失蜡法精密铸造工艺，蜡法精密铸造工艺，可以利用石蜡没有强度、易于雕刻的特点可以利用石蜡没有强度、易于雕刻的特点，用普通工具就，用普通工具就可以雕刻出与所要得到的曾侯乙墓尊盘一样的石蜡材质的工艺品，然后再附加可以雕刻出与所要得到的曾侯乙墓尊盘一样的石蜡材质的工艺品，然后再附加浇注系统，涂料、脱蜡、浇注，就可以得到精

7、美的曾侯乙墓尊盘。浇注系统，涂料、脱蜡、浇注，就可以得到精美的曾侯乙墓尊盘。 19世纪末期，牙科用熔模铸造工艺，结合离心浇注技术生产牙科铸件。20世纪初为生产出更粗密的牙科件，人们开始研究影响蜡模和型壳尺寸稳定性的因素，以及一些金属和合金的凝固收缩性能，20世纪30年代初调整了熔模使用的材料。从1900年到1940年这方面的专利就多达400件以上。珠宝首饰行业也广泛采用熔模铸造技术。described by Dr. D. Philbrook in 1897accelerated by Dr. William H. Taggart of Chicago in 1907 In the 1940s,

8、 World War II increased the demand for precision net shape manufacturing that could not be shaped by traditional methods, or that required too much machining. Industry turned to investment casting. After the war, its use spread to many commercial and industrial applications that used complex metal p

9、artsGo to video1.1 熔模铸造工艺No. 1 Wax Injection 熔模铸造生产中的第一道工序就是制造熔模。p 型壳内表面光滑，尺寸精确的型腔是由熔模形成的，因此熔模本身必须有高的尺寸精度和细的表面粗糙度。熔模材料本身还要满足随后型壳制造工艺的一系列要求。p 熔模是在压型（制造熔模的模具）中形成的，熔模材料（简称模料）还需适用于制造熔模的工艺。 制模材料的性能不单应保证方便地制得尺寸精确和表面光洁度高，强度好，重量轻的熔模，它还应为型壳的制造和获得良好铸件创造条件。模料一般用蜡料、天然树脂和塑料（合成树脂）配制。凡主要用蜡料配制的模料称为蜡基模料，它们的熔点较低，为607

10、00C；凡主要用天然树脂配制的模料称为树脂基模料，熔点稍高，约701200C。1.1.1 模料模料 熔模铸造用蜡品种主要有低温模料、中温模料和高温模料低温模料、中温模料和高温模料，目前主要使用的模料是低温模料和中温模料。我国进口的模料也主要是中温模料。 近年来，我国引进了许多现代化的熔模精铸设备和高质量的模料，而且随着与海外的往来与日俱增，进口模料品种、规格日益增多。由此可见，我国模料的生产面临着改进模料产品质量和扩大模料品种等艰巨任务与挑战。 我国大部分熔模铸造厂使用的模料是熔模铸造厂自制的石蜡硬脂酸低温模料。质量低、成本高严重影响铸件质量的提高所生产的铸件在国际市场上竞争力小 然而，我国许

11、多熔模铸造生产厂希望生产的铸件用于出口。铸件要出口，就要提高铸件产品质量：需要先进的熔模铸造设备先进的熔模铸造设备需要高质量的模料高质量的模料我国于20世纪五六十年代开始将熔模精密铸造应用于工业生产。与国外相比，国内熔模精密铸造工业生产较早，但模料精密铸造蜡的开发相对滞后。90年代以前，我国熔模制造厂大都采用石蜡硬脂酸模料、水玻璃型壳石蜡硬脂酸模料、水玻璃型壳工艺工艺，生产质量要求不高的熔模铸件。2006年前，全国该类精铸厂约有1350家，年产15万吨铸件，消耗以石蜡硬脂酸为主要组分的精密铸造蜡约3750吨。2007年国内部分地区精密铸造蜡用量如下。西北地区：宁夏、西安地区低温精密铸造蜡用量约

12、500800吨/年，中温精密铸造蜡100200吨/年。其中，宁夏吴忠仪表厂和西安航空发动机有限公司低温精密铸造蜡自己调制，中温精密铸造蜡主要靠进口。华东地区：低温精密铸造蜡市场用量较大，在10002000吨/年左右，中温精密铸造蜡用量约100300吨/年，主要为国外加工铸件，铸造蜡以台湾地区较多。中原地区：熔模精密铸造企业较少，以低温精密铸造蜡为主，大多为自调产品，洛阳第一拖拉机厂用量100多吨/年。加上其它地区，精密铸造蜡国内市场容量达到5000吨/年。近几年来，我国许多单位研制成功了许多系列模料且产品质量较高。我国北京正大德技术开发中心研制生产了WM系列模料。该系列模料品种多，可提供用于不

13、同制壳材料、不同脱蜡温度、不同尺寸形状的模料，可用于替代进口产品。上海市金山模料厂生产WM系列模料，十余个品种，年产量约200吨。沈阳铸造研究所研制生产F-01等中温模料和填料模料。另外，沈阳风动工具厂、北京油泵油嘴厂、太原晋西机械厂和成都化工所也生产质量较高的蜡基中温模料。国外熔模铸造用蜡的生产品种主要有美国生产的CL-162系列和Master系列模料、英国Dussek Campbell公司生产的Castylene系列模料、日本生产的K系列模料(如K512)和前苏联生产的P-3模料等。模料性能的优劣是由其配方决定的，因此各生产厂非模料性能的优劣是由其配方决定的，因此各生产厂非常重视模料配方的

14、研究。常重视模料配方的研究。1.1.2 模料的配制和回收模料的配制和回收1） 模料的配制 配制模料的目的是将组成模料的各种原材料混合成均匀的一体，并使模料的状态符合压制熔模的要求。 配制时主要用加热的方法使各种原材料熔化混合成一体，而后在冷却情况下，将模料剧烈搅拌，使模料成为糊膏状态供压制熔模用。有时也有将模料熔化为液体直接浇注熔模的情况。 2）模料的回收。 使用树脂基模料时，由于对熔模的质量要求高，大多用新材料配制模料压制铸件的熔模。而脱模后回收的模料，在重熔过滤后用来制作浇冒口系统的熔模。 使用蜡基模料时，脱模后所得的模料可以回收，再用来制造新的熔模。可是在循环使用时，模料的性能会变坏，脆

15、性增大，灰分增多，流动性下降，收缩率增加，颜色由白变褐，这些主要与模料中硬脂酸的变质有关。因此，为了尽可能地恢复旧模料的原有性能，就要从旧模料中除去皂盐，常用的方法有盐酸（硫酸）处理法，活性白土处理法和电解回收法。美国熔模铸造技术水平较高，得益于三大支柱：先进的技术先进的技术优质的原材料优质的原材料严格认真的操作严格认真的操作如美国熔模铸造厂每次使用的模料均是模料厂生产的新模料。熔模铸造厂不对使用过的模料回收处理，回收的模料送到模料专业生产厂统一处理。由于模料厂出厂的模料质量较高且均一，保障了熔模铸造厂蜡模的尺寸精度和表面质量，蜡的灰分和杂质也得到了控制。国外通常有专业公司，汇集相关技术专业生

16、产熔模铸造模料。所生产的模料具有稳定性好、收缩率低、表面光洁、强度高、成型性好并针对不同的零件生产不同性能的模料。国外所生产的模料种类有加填料模料和非加填料模料，并细分为模型用蜡、修补蜡、可乳化蜡、浇口用蜡、嵌封用蜡的粘结蜡等。 1.1.31.1.3 熔模的制造熔模的制造 生产中大多采用压力把糊状模料压入压型的方法制造熔模。压制熔之前，需先在压型表面涂薄层分型剂，以便从压型中取出熔模。压制蜡基模料时，分型剂可为机油、松节油等；压制树脂基模料时，常用 麻油和酒精的混合液或硅油作分型剂。分型剂层越薄越好，使熔模能更好地复制压型的表面，提高熔模的表面光洁度。压制熔模的方法有三种，柱塞加压法、气压法和

17、活塞加压法。柱塞加压法柱塞加压法活塞加压法活塞加压法气压法气压法 熔模的组装是把形成铸件的熔模和形成浇冒口系统的熔模组合在一起，主要有两种方法： 1、焊接法 用薄片状的烙铁，将熔模的连接部位熔化，使熔模焊在一起。此法较普遍。 2机械组装法 在大量生产小型熔模铸件时，国外已广泛采有机械组装法组合模组，采用此种模组可使模组组合和效率大大提高，工作条件也得到了改善。No. 2 AssemblyNo. 3 Shell Building熔模铸造的铸型可分为实体型和多层型壳两种熔模铸造的铸型可分为实体型和多层型壳两种目前普遍采用的是目前普遍采用的是多型壳多型壳。 将模组浸涂耐火涂料后，撒上料状耐火材料，再

18、经干燥、硬化，如此反复多次，使耐火涂挂层达到需要的厚度为止，这样便在模组上形成了多层型壳，通常将近其停放一段时间，使其充分硬化，然后熔失模组，便得到多层型壳。制造型壳用的材料可分为两种类型一种是用来直接形成型壳的，如耐火材料、粘结剂等，构成涂料另一类是为了获得优质的型壳，简化操作、改善工艺用的材料，如熔剂、硬化剂、表面活性剂（润湿、消泡）等。1）耐火材料目前熔模铸造中所用的耐火材料主要为石英和刚玉，以及硅酸铝耐火材料，如耐火粘土、铝钒土、焦宝石等。有时也用锆英石、镁砂（MgO）等。2）粘结剂在熔模铸造中用得最普遍的粘结剂是硅酸胶体溶液（简称硅酸溶胶），如硅酸乙酯水解液、水玻璃和硅溶胶等。组成它

19、们的物质主要为硅酸（H2SiO3）和溶剂，有时也有稳定剂，如硅溶胶中的NaOH。硅酸乙酯水解液是硅酸乙酯经水解后所得的硅酸溶胶模铸造中用得最早、最普遍的粘结剂；水玻璃壳型易变形、开裂，用它浇注的铸件尺寸精度和表面光洁度都较差。但在我国，当生产精度要求较的碳素钢铸件和熔点较低的有色合金铸件时，水玻璃仍被广泛应用于生产；硅溶胶的稳定性好，可长期存放，制型壳时不需专门的硬化剂，但硅溶胶对熔模的润湿稍差，型壳硬化过程是一个干燥过程，需时较长。1.2.1 制壳用材料制壳用材料制壳过程中的主要工序和工艺为：1）模组的除油和脱脂在采用蜡基模料制熔模时，为了提高涂料润湿模组表面的能力，需将模组表面的油污去除掉

20、。2）在模组上涂挂涂料和撒砂涂挂涂料以前,应先把涂料搅拌均匀,尽可能减少涂料桶中耐火材料的沉淀,调整好涂料的粘度或比重，以使涂料能很好地充填和润湿熔模，挂涂料时,把模组浸泡在涂料中,左右上下晃动,使涂料能很好润湿熔模，均匀覆盖模组表面。涂料涂好后，即可进行撒吵。3）型壳干燥和硬化每涂复好一层型壳以后，就要对它进行干燥和硬化，使涂料中的粘结剂由溶胶向冻胶、凝胶转变，把耐火材料连在一起。1.2.2 制壳工艺制壳工艺1.2.3 Case Study The company entered the investment casting market in 1957, when Nalco Compan

21、y was granted a patent for methods to manufacture colloidal silica with improved properties for high temperature applications. In 1959, Nalco patented the use of colloidal silica as a water-based binder for the investment casting industry. In 2001, Nalco introduced Gray Matter, the first totally opt

22、imized system for investment casting. Gray Matter was designed as a system of colloidal silica, polymers and a pre-blended package of refractories that complement the qualities of each of the ingredients, resulting in one of the strongest and most crack-resistant shell systems on the market.Colloida

23、l Silica二氧化硅胶体二氧化硅胶体Keys:Particle size and particle size distribution criteriashell strengthrheologyslurry lifeevaluationBiocideprotect it from microbiological contamination in the bulk tank and in the slurry.PolymerProvide substantial process improvementsdrying timesshell thicknessGreen strengthshe

24、ll flexibilitySlurry rheologysurface quality productivityWax Cleaners蜡清洗剂蜡清洗剂Chill Coating助冷涂料助冷涂料Un-clean surfaceslurry is unable to adhere to the wax surfaceThe final casting can have lifting defects, cracking用于型壳外部用于型壳外部Increases the heat emittance of the shell surfacehelps the metal to cool fast

25、er through radiant heat transfersolidification ratemicrostructure, strength and quality of a cast componentcontrol shrinkage and microstructureWetting Agents, Antifoam and Biocides润湿剂、消泡剂和抗菌剂润湿剂、消泡剂和抗菌剂Refractories耐火材料耐火材料The other big component表面活性表面活性物质物质No.4 De-wax/Burnout/Pre-heat常用加热方法：热水法和高压蒸汽

26、法。脱蜡脱蜡De-wax热水法热水法：95未沸腾适用于蜡基模料熔模缺点：砂粒易落入型壳内引起铸件夹砂缺点：砂粒易落入型壳内引起铸件夹砂溶化不均匀引起型壳开裂溶化不均匀引起型壳开裂粘接剂吸水回溶引起型壳破粘接剂吸水回溶引起型壳破热水中模料易皂化热水中模料易皂化高压蒸汽法高压蒸汽法：350600kPa,150,1015min适用于松香基和蜡基模料熔模焙烧预热焙烧预热Burnout/Pre-heat型壳强度足够直接进行高温焙烧需要精密度较高的铸件将型壳埋入装有填充物的箱中再进行焙烧No. 5 Gravity Pouring熔模铸造技术的核心是型壳的制造，浇注过程可以和其他各种铸造方法相结合：热型重力

27、浇注真空浇注离心浇注真空吸铸（CLA法）定向凝固利用冷却水循环系统等建立单向散热条件普通铸造浇注过程普通铸造浇注过程特种铸造特种铸造No. 6 Knock-out/Cut-off 敲打振击电液压清理高压水清理No. 7 Finished Castings型壳浇冒口残留耐火材料等1.2 熔模铸造工艺设计Alloy Selection Because service conditionscorrosion, local high-wear areas, weight limitations, appearance, etc.may require characteristics in additi

28、on to strength, the alloy should often be selected after establishing the parts strength.在确定工艺方案、工艺参数（如熔模分型面、铸造圆角、拔模斜度、加工余量、工艺肋，浇冒系统的设置）时，除了具体数字有所不同外，其设计原则与砂型铸造完全相同。Design Information1 Overall size2 Wall thicknessSome areas of the part require thicker walls and, wherever possible, it is better to ha

29、ve the walls go from thin to thick in all directions, rather than from thin to thick to thin to thick again. In other words, avoid thicker sections surrounded by thinner ones. Figure 1 shows recommended ways of changing wall thickness.Joining wallsCornersIsolated bossesInternal featuresLinear tolera

30、nces for cast dimensions Holding closer tolerances requires more expensive tooling, more extensive process control and often additional operations all of which increase cost. Assure you get such tolerances at the lowest possible cost8 Wall thickness tolerances Due to the nature of the process, inves

31、tment castings need more allowance for wall thickness variation, regardless of the wall thickness dimension. For lowest to highest cost, the wall tolerances are 0.015 inch (0.38mm), 0.010 inch (0.25mm), and 0.005 inch Hitchiner Manufacturing Co., Inc. 9 Geometric surfaces Tolerances required for pro

32、files, contours, perpendiculars, etc. depend on their length, so the table for linear tolerances can generally be used. For example, for lowest cost, a contour could be held to within 0.010 inch (0.25mm) if it is one inch (25mm) long (or one by one inch (25-by-25mm), 0.013 inch (0.33mm) if it is 2 inches long, etc.10 Artwork11 Machining stocklettering, knu