《铸造工艺及设计》-第 ８ 章　特种铸造方法简介

８.１熔模铸造８.１.１熔模铸造概述熔模铸造是在可熔材料制成的模样表面涂上３～７层耐火材料，待耐火材料干燥硬化后，加热使模样熔失而制成型壳，焙烧型壳后浇注金属液得到相应铸件的铸造方法。熔模铸造的工艺过程如图８－１所示，生产工艺流程如图８－２所示。８.１.２熔模铸造的特点及应用熔模铸造的可熔模样用蜡料制作，蜡模在型壳制好之后被加热熔失，所以熔模铸造又称为失蜡铸造。与砂型铸造相比，熔模铸造生产的铸件尺寸精度高、表面光洁，因此又被称为精密铸造。熔模铸造具有以下特点：下一页返回８.１熔模铸造（１）铸件尺寸精度高：精度可达ＣＴ４～ＣＴ７，表面粗糙度达到Ｒａ１.６～６.３μｍ，减少了铸件的切削加工余量，甚至可实现近终型铸造。（２）能生产形状复杂的薄壁铸件：铸件上最小的铸出孔直径为０.５ｍｍ，最小壁厚可达０.３ｍｍ，可生产质量只有１ｇ的铸件。（３）合金材料不受限制：可生产钢铁、铜、铝、钛、镁等几乎所有合金，包括高熔点的镍基高温合金以及低熔点的金属锌、锡等。（４）熔模铸造存在一定的局限性：工艺流程烦琐，生产周期长，影响铸件质量的因素较多。（５）熔模铸造存在铸件局部冷却速度慢、晶粒粗大而导致的力学性能下降问题。上一页下一页返回８.１熔模铸造（６）熔模铸造生产的铸件尺寸和质量不能太大：由于熔模型壳强度和耐火涂料的涂敷工艺的限制，铸件质量和尺寸不能过大；虽然熔模铸造方法生产的铸件最大接近１０００ｋｇ，但一般熔模铸造方法生产的铸件大多数在５ｋｇ以下。８.１.３熔模的制造熔模铸造生产的第一道工序为制造熔模，熔模的表面最终会成为铸件的型壳内表面，所以熔模的尺寸精度和表面粗糙度是获得高质量铸件的最基本要求；同时，熔模本身的性能也必须使后续的型壳制作质量可靠和工序简单易行。在制造好熔模压型的同时，选择合适的蜡模材料和制模工艺是生产合格铸件的保证。上一页下一页返回８.１熔模铸造１.对模料性能的要求１）熔化温度和凝固温度区间兼顾模料耐热性要求并考虑到工艺操作方便，熔化温度常选在６０℃～１００℃，凝固温度区间即开始熔化温度和熔化终了温度之间的大小，以５℃～１０℃为宜。如果凝固温度区间过大，熔化模料的温度与模料开始软化的温度差距较大，模料性能不一致；如果凝固温度区间过小，制模时模料凝固过快而不能成型。２）耐热性模料耐热性是指温度升高时其抗软化变形的能力，它影响着熔模和铸件的精度。通常用热变形量来表示，要求３５℃温度时模料热变形量ΔＨ３５－２≤２ｍｍ。上一页下一页返回８.１熔模铸造３）收缩率模料热胀冷缩小，才能提高熔模尺寸精度，也才能减少脱蜡时因模料膨胀引起的型壳胀裂现象。因此模料的线收缩率是模料重要的性能指标之一，一般应小于１％。优质模料线收缩率仅为０.３％～０.５％。４）强度为保证生产过程中不损坏，熔模需要有一定的强度，模料强度多以抗弯强度表示，一般模料抗弯强度应不低于２.０ＭＰａ，最好为５.０～８.０ＭＰａ。上一页下一页返回８.１熔模铸造５）硬度为保持熔模表面质量，模料应有足够的硬度，以防表面损伤。模料硬度常以针入度（硬度指标，２０℃和１００ｇ压力下５ｓ内标注针垂直插入模料的深度，以０.１ｍｍ为１度）表示，常为４～６度（１度＝０.１ｍｍ）。６）黏度和流动性为便于脱模和模料回收，模料黏度不能太大，在９０℃附近的黏度应为３×１０－３～３×１０－２Ｐａ·Ｓ。为得到清晰的熔模以及熔失模料时便于模料流出，模料应具有良好的流动性。７）灰分模料灼烧后残留的物称为灰分，灰分过大会使铸件出现夹渣缺陷，一般模料灰分的质量分数应低于０.０５％。上一页下一页返回８.１熔模铸造８）涂挂性模料对耐火涂料的润湿能力称为涂挂性。制壳时，要求熔模表面能被耐火涂料很好地润湿并均匀地涂敷一层厚度。模料的涂挂性对型壳内腔形状的完整及表面光洁具有直接的影响。２.模料原材料的种类和组成模料种类很多，通常按其熔点高低分为三类：一是低熔点模料（低温模料），其熔点低于６０℃，如石蜡－硬脂酸模料；二是中熔点模料（中温模料），其熔点在６０℃～１２０℃，如松香－川蜡基；三是高熔点模料（高温模料）。模料按其主要组成和性能分为蜡基模料、松香基模料、填料模料和水溶性模料等。上一页下一页返回８.１熔模铸造１）蜡基模料蜡基模料主要是以各种矿物蜡或动植物蜡为主体的模料。国内广泛采用的比较典型的蜡基模料是石蜡－硬脂酸模料。通常在石蜡－硬脂酸模料中添加地蜡、蜂蜡、川蜡、褐煤蜡、聚乙烯、低分子聚乙烯、乙烯醋酸乙烯醋共聚物、乙基纤维素及松香等，既能减少或取代硬脂酸，又可以改善蜡基模料性能并扩大应用范围。除石蜡基模料外，以地蜡或褐煤蜡为基体的模料在实际生产中也有使用。２）松香基模料松香的主要成分是松香酸，是一种玻璃状透明的天然树脂。松香能与石蜡很好地互溶，软化点高，收缩率小（仅为０.０７％～０.０９％），强度高，涂挂性好，但黏度大，流动性差。松香酸分子化学活性大，容易发生加氢、氧化和聚合反应，块状松香的表面在空气中氧化生成氧化松香，氧化松香的稳定性差，容易裂解和聚合，在模料中过多使用会使模料黏度增加并易老化。上一页下一页返回８.１熔模铸造３）填料模料为了减少蜡基或松香基模料的收缩，防止熔模表面变形凹陷，提高熔模表面质量和尺寸精度，在模料中加入充填材料以改善性能的模料称为填料模料。常用的固体粉末填料有聚乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、橡胶、尿素粉和炭黑等。４）水溶性模料可以被水溶解的模料称为水溶性模料。制作蜡模时，金属型芯在压型中很难起模，如果使用可溶型模料制作型芯，在注蜡后将含有水溶性模料型芯的蜡模部分浸入水中使型芯溶解而得到完整内腔的熔模。水溶性模料最为常用的是尿素模料。上一页下一页返回８.１熔模铸造３.模料配制熔模铸造的模料是由多种原料组成的，在使用前必须将各种原料按比例均匀混合，使模料的性能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并剧烈搅拌使其混合均匀，成为糊状供压制熔模使用。１）蜡基模料的配置蜡基模料配制前需按比例称量好各成分的质量，并粉碎为合适的小块后准备熔化。蜡基模料原材料的熔点低于１００℃，为防止模料熔化时温度太高所产生的分解问题，基本采用水浴式熔化装置使模料熔化。图８－３所示为一种利用电加热熔化模料的装置。若不使用该装置中的电加热器，使用水蒸气代替水，则成为用蒸汽加热熔化模料的装置。模料的熔化保温温度一般控制在７０℃～７５℃，最高不超过９０℃，否则模料颜色逐渐变成黑褐色，塑性降低，发脆，收缩率增大，模料性能降低。上一页下一页返回８.１熔模铸造２）松香基模料的配制松香基模料所用原材料熔点较高，成分复杂，有的原材料不能互溶，如聚乙烯不溶于松香，但它能和川蜡、地蜡溶在一起，但它们的溶合物却能溶于松香中。因此配制松香基模料时必须注意加料顺序，其配制工艺如下：（１）按比例称取松香、川蜡、地蜡和聚乙烯等。（２）将川蜡和地蜡各取一半放入不锈钢坩埚内熔化。松香基模料的熔化多采用工频化蜡炉或电阻坩埚炉，前者加热均匀，能准确控制模料温度，后者设备简单，但加热不均匀。（３）将川蜡和地蜡熔化后升温至１４０℃，在搅拌的情况下连续缓慢加入聚乙烯，使聚乙烯全部溶解并混合均匀后，再升温至２２０℃时加入松香并搅拌至全部熔化，最后加入剩余的川蜡和地蜡，搅拌混合均匀。上一页下一页返回８.１熔模铸造（４）熔化好的模料在２１０℃时静置２０～３０ｍｉｎ，以排除气体。冷却至１８０℃后用１４０＃筛过滤除去杂质。（５）最后在降温过程中对模料进行搅拌使其呈糊状（６０℃～８０℃）。如果模料溶合不好，会使黏度增大，晶粒粗大，模料质量降低。４.熔模制造工艺１）压型材料及组成熔模是在压型中成型的，压型是熔模的成型模具。熔模压型材料按材料和加工方法可分为石膏、塑料、低熔点合金、机械加工压型四种类型。上一页下一页返回８.１熔模铸造机械加工压型由成型部分、定位装置、锁紧装置、起模机构、压注系统组成，如图８－４所示。成型部分是压型的主要部分，它直接影响熔模的尺寸精度和表面质量。成型型腔的计算应考虑合金的收缩率、模料的收缩率和型壳焙烧时的膨胀率。压型的结构设计参考有关熔模压型设计手册。２）熔模的制造生产中制造熔模有自由浇注成型及压制成型两种方法。自由浇注成型常用于制造可溶性尿素模和要求不高的浇注系统熔模，多数熔模采用把糊状模料通过压入压型的方法制造熔模。在制模时，为易于熔模从压型中脱模和提高熔模表面质量，需先在压型的型腔表面涂一层分型剂，压制蜡基模料的分型剂常用变压器油或１∶１的酒精与蓖麻油的混合液；压制松香基模料的常用分型剂为低黏度的硅油或质量较好的乳化硅油。把模料压入压型的方法分为柱塞／活塞加压法、气压法。上一页下一页返回８.１熔模铸造柱塞／活塞加压法是通过压力施加于柱塞／活塞上把模料压入压型，柱塞法用于手工压制熔模，压力较小，适用于蜡基模料；活塞法是通过压力机加压，压力较大，适用于松香基模料。熔模从压型中取出后，应放在冷水中冷却２～３ｈ，并需检验和修整。熔模存放期间不应堆积，质量较大的熔模应放置平稳以防变形。熔模制造的主要工艺参数如表８－１所示。３）模组的组装将蜡模和浇注系统连接成为一个完整的模样系统称为模组的组装，通常采用电热刀把熔模和直浇道、横浇道、内浇道连接成为一个整体，准备涂挂涂料。模组上熔模相互间位置应排列整齐，为便于制壳和切割，熔模之间的距离应大于６ｍｍ；模组的焊接部位应平滑并具有一定强度，以避免熔模脱落或浇注时造成“冲砂”缺陷。上一页下一页返回８.１熔模铸造８.１.４型壳的制备熔模铸造的铸型通常采用多层耐火材料制成，制作工序一般是将模组浸涂耐火涂料（黏结剂）后，在耐火涂料上撒上粒状耐火材料，经过干燥、硬化后，耐火涂料将粒状耐火材料粘接形成一层型壳，如此反复数次直到耐火材料层达到所需的厚度，使模组上形成了型壳。型壳干燥一段时间充分硬化后加热熔失熔模，对型壳焙烧获得可以进行浇注的耐火型壳。型壳的质量和性能对铸件精度和表面质量影响很大，对制壳过程的工艺应进行严格控制以保证质量。对型壳的要求有以下几点：（１）足够的高温、常温强度。型壳在浇注、脱蜡、搬运、焙烧过程中受到各种力的作用，具有足够的强度是保证型壳完整并得到尺寸和质量合格铸件的保证。上一页下一页返回８.１熔模铸造（２）良好的透气性和较小的热膨胀系数。良好的透气性可以减少铸件的气孔缺陷，较小的热膨胀系数使型壳尺寸稳定。（３）较高的热稳定性和高温化学稳定型。较高的热稳定性和高温化学稳定性有利于型壳在焙烧或浇注时承受急剧的温度变化并保持稳定的化学性能，避免产生粘砂等缺陷。１.模组的清洗为了保证涂料对模组的涂挂性，需要清洗掉制模时的分型剂以及其他石蜡中的油脂类材料，以使涂料可以与模组表面结合良好。以水为溶剂的黏结剂通常使用肥皂水、表面活性剂或乙醇清洗，清洗后再用水清洗模组表面；以硅溶胶作为黏结剂的模组采用三氯乙烯、酒精、丁酮等或用乳化清洗剂进行清洗。上一页下一页返回８.１熔模铸造２.上涂料和撒砂１）上涂料涂料是粉状耐火材料和黏结剂配置成的悬浮液，主要组分为黏结剂、耐火粉料和其他辅助剂。涂料按其在型壳中的层次和作用可以分为表面层涂料和加固层涂料两种，表面层涂料是形成内层型壳的涂料，其对铸件表面质量具有直接的作用，一般要求耐火材料为细粉状，涂料黏度适中；加固层涂料主要用作型壳的外层涂料，对内层型壳起加固作用，所以黏度较大，耐火材料的粒度较粗。两种涂料分开配置，并在上涂料时也根据型壳的层次使用。上一页下一页返回８.１熔模铸造２）撒砂撒砂工序是在涂料层上黏附一层粒状耐火材料，经过涂料的黏结作用使粒状耐火材料成为型壳的骨架以承受浇注时金属液的冲刷和重力，保证铸件的成型过程顺利完成。撒砂方法一般有雨淋式撒砂和沸腾砂床撒砂两种。雨淋式撒砂是将粒状耐火材料靠重力自由落在均匀缓慢旋转的模组上，耐火材料黏附在模组的涂料层上；沸腾砂床撒砂是通过向盛有粒状耐火材料的容器下部通入压缩空气，使砂粒向上浮起而黏附在均匀旋转的模组涂料层上。上一页下一页返回８.１熔模铸造３.型壳的干燥和硬化蜡模模组每完成一次上涂料和撒砂后，必须经过干燥和硬化才可进行下一层的上涂料和撒砂。蜡模涂料使用的黏结剂一般为硅酸乙酯水解液、水玻璃和硅溶胶，相应形成的型壳分别为硅酸乙酯水解液型壳、水玻璃型壳和硅溶胶型壳。４.脱模及模料的回收１）脱蜡脱蜡就是熔失熔模的过程。脱蜡方法按加热方式不同可分为热空气、热水、蒸汽微波加热等方法，最常用的方法为热水法和高压蒸汽法。制好的型壳在脱蜡前要停放一段时间（２～４ｈ），使最后几层涂料干燥硬化充分。脱蜡前要切割和清理浇口端面，去除浮砂，以免脱蜡时落入型腔。上一页下一页返回８.１熔模铸造２）模料的回收由于高温以及与各种蜡模辅料发生化学反应，蜡基模料回收之后必须经过处理才能正常使用。各种模料的组成和脱模方法不同，回收处理工艺也有很大区别。５.型壳的焙烧脱蜡后的型壳存放一定时间后，需要进行高温焙烧。熔烧的目的是去除型壳中的挥发物，如水分、残余蜡料、皂化物、砂和黏土中的有机物和挥发物、钠盐等，以减少型壳的发气性和提高其透气性；在焙烧过程中，可进一步降低型壳中残留的Ｎａ２Ｏ并进行某些有利于提高高温强度的物理化学反应，焙烧可使型壳在工艺要求的温度下浇注，有利于提高液体金属的充填能力，并可防止石英砂型壳低温浇注时产生开裂和跑火等。型壳焙烧方法有填砂装箱法和不填砂法两种，前一种用于普通型壳，后一种用于高强度型壳。上一页下一页返回８.１熔模铸造８.１.５浇注和清理１.浇注最广泛的浇注方法是热型重力浇注法，即型壳焙烧完成后立即进行浇注。这种浇注方法的优点是型壳温度较高，金属的流动性好，得到的铸件形状清晰；缺点是铸件凝固时冷却缓慢，铸件的晶粒粗大，力学性能降低。为了改进热型浇注法的不利影响，采用以下其他浇注方法：（１）真空吸气浇注：除浇口外，型壳整体放置在真空浇注箱中，浇注后铸件在真空条件下凝固，金属的充型能力好，无气孔和浇不足倾向，铸件质量高。（２）高压下凝固：型壳在压力罐中进行浇注，浇注结束后封闭压力罐并通入惰性高压气体，使铸件在压力下凝固，铸件的组织致密。上一页下一页返回８.１熔模铸造（３）定向凝固：创造单向散热条件和恒定的散热速度，使铸件的组织沿一定方向生长，得到某一方向力学性能较高的铸件，如涡轮机叶片沿叶片方向的力学性能要求较高，可采用沿叶片方向的定向凝固方法。２.清理铸件的清理包括从铸件上清除型壳、分离浇注系统和铸件、清除铸件上的耐火材料等。浇注结束后，铸件温度降到４５０℃以下时可清理型壳。对于小批量生产的铸件，使用锤子或风锤敲打浇冒口系统，使型壳由于振动而破碎掉落；对于大批量生产的铸件，使用振击式脱壳机去除型壳。型壳去除后需使铸件从浇冒口系统分离，对于硬度较低的有色合金，使用手工锯或电动工具切割，硬度较高的钢铁铸件可采用气割、砂轮切割、液压切割方法进行。上一页下一页返回８.１熔模铸造８.１.６熔模铸造工艺设计熔模铸造也是铸造，尽管工艺过程与砂芯铸造有很大区别，但对铸造工艺的设计仍然遵循砂型铸造的基本原则，只是在具体的工艺参数选择上有所区别。熔模铸造工艺设计的基本特点包括以下几个。１.铸件工艺性（１）为了使制壳时的涂料和砂粒填充熔模的细孔并形成可铸出的型腔，铸件上的孔不能过细过长，孔的直径和槽的宽度应大于２ｍｍ，通孔的深度与直径之比不得超过４～６，盲孔不能超过２.５～３.０，槽宽与槽深的比值不能大于２～６。上一页下一页返回８.１熔模铸造（２）铸件的壁厚应适合顺序凝固的要求，以使用直浇道补缩。２.浇注系统和冒口设计在熔模铸造中，浇注系统除普通的引导金属液平稳充型和补缩作用外，还对熔模起支撑作用，熔失蜡模时为蜡液流出的通道。因此，熔模铸造的浇注系统应具有足够的强度，熔失蜡模时可顺利排出蜡液，可按以下几种典型结构进行设计。（１）直浇道和内浇道组成的浇注系统：如图８－５（ａ）所示，直浇道兼起冒口作用，金属液从内浇道补缩热节，适用于具有１～２个热节的小型铸件生产。（２）带有横浇道的浇注系统：如图８－５（ｂ）所示，此类浇注系统的横浇道起补缩作用，一般用于顶注式浇注系统。上一页下一页返回８.１熔模铸造（３）底注式浇注系统：此类浇注系统的金属液从底部进行充型，金属液流动平稳，有利于实现顺序凝固。（４）设专用冒口补缩：如图８－５（ｃ）所示，对于单件或具有较大热节的铸件，可设专用冒口进行补缩。上一页返回８.２离心铸造８.２.１离心铸造概述１.离心铸造的原理离心铸造是将液态金属浇入高速旋转的铸型中，液态金属在离心力的作用下充填铸型并在凝固后获得铸件的铸造方法。离心铸造时金属液受到的离心力要比重力大几十倍，其获得的铸件组织比普通砂型铸造致密。２.离心铸造的分类根据铸型旋转轴在空间的位置，离心铸造分为立式离心铸造和卧式离心铸造两类，两种离心铸造的方法使用的铸造机械分别为立式离心铸造机和卧式离心铸造机。下一页返回８.２离心铸造（１）立式离心铸造：在立式离心铸造中，铸型的旋转轴线为垂直轴，如图８－６（ａ）所示。立式离心铸造主要用来生产高度小于直径的圆环形铸件。（２）卧式离心铸造：在卧式离心铸造中，铸型的旋转轴线为水平轴，如图８－６（ｂ）所示。卧式离心铸造主要用来生产长度大于直径的套筒、管类铸件。３.离心铸造的特点（１）离心铸造的优点。①铸件在较大离心力的作用下充型，铸件致密度高，气孔、夹渣等缺陷少，力学性能高。②不使用型芯可生产中空铸件，简化套筒和管类铸件的生产工艺。上一页下一页返回８.２离心铸造③没有浇注系统和冒口系统的金属消耗，铸件工艺出品率超过９６％。④便于制造筒、套类双金属铸件，如钢背铜套、双金属轧辊等；成型铸件时，由于金属液在较大离心力的作用下充型，可生产薄壁管件。（２）离心铸造的局限性。①由于离心力的作用，铸件易产生比重偏析，因此不适合易产生比重偏析的合金铸件（如铅青铜），尤其不适合铸造杂质比重大于金属液的合金。②铸件内孔表面比较粗糙，需加工后使用。③只能生产中空的轴对称铸件，可生产的铸件形状有限。上一页下一页返回８.２离心铸造８.２.２离心铸造原理离心铸造中金属液的充型能力主要取决于离心力，离心力是离心铸造的主要参数之一。所有金属液都是在离心力的作用下完成充型、凝固、补缩过程的，即在离心力所作用的范围内，也就是处在离心力场中。１.离心力场离心铸造时，旋转着的液态金属占有一定的空间，若在这个空间中取液态金属的任一质点Ｍ，其质量为ｍ，旋转半径为ｒ，旋转角速度为ω，则在该质点上作用着离心力ｍω２ｒ。离心力的作用线通过旋转中心Ｏ，指向离开中心的方向，如图８－７所示。它使金属质点做远离旋转中心的径向运动。所有旋转的液态合金所占的体积作为一个空间，在这个空间中每一个质点都受到离心力的作用，把这个离心力作用的空间称为离心力场。上一页下一页返回８.２离心铸造２.离心压力在重力场中，由于重力的作用，处在不同高度上静止液体的质点会受到一定的压力。同样的，离心铸造中处在离心力场中的液体质点也会产生压力，这种离心力产生的压力称为离心压力。在旋转的离心力场中取微元体进行分析计算，可得离心力计算公式：３.离心力场中液态合金自由表面的形状离心铸造时，不必采用型芯就可获得中空圆柱形的铸件，这是由于浇入旋转铸型中的液态金属在离心力的作用下建立起来的自由表面，冷凝后最终成为铸件中空的内表面。因此，对液态金属自由表面的形状进行探讨可以有效解决实际中出现的与铸件内表面相关的工程问题。上一页下一页返回８.２离心铸造１）立式离心铸造液态合金的自由表面形状将液态金属浇入绕垂直轴ｙ旋转的立式离心铸造铸型中，其旋转角速度为ω，截取其轴向断面，则可得如图８－８所示的图形。设在液态金属自由表面上任取一质点Ｍ，其质量为ｍ，在离心力场的作用下，此质点在ｘ轴方向作用的离心力为ｍω２ｘ，在ｙ轴方向上作用的力为重力ｍｇ。自由表面上每一质点都与大气接触，所受压力为一个大气压，所以自由表面是一个等压面。上一页下一页返回８.２离心铸造２）卧式离心铸造液态合金的自由表面形状对于卧式离心铸造，如图８－９所示，截取液体横断面的图形，在自由表面任取一质点Ｍ，其质量为ｍ，若不考虑重力场的影响，则作用在该质点的离心力在ｘ轴方向上的分力为Ｆｘ＝ｍω２ｒ０ｃｏｓα＝ｍω２ｘ，在ｙ轴方向上的分力为Ｆｙ＝ｍω２ｒ０ｓｉｎα＝ｍω２ｙ，在旋转轴方向上的分力ｚ＝０。将Ｘ、Ｙ、Ｚ分别代入式（８－４），得ｍω２ｘｄｘ＋ｍω２ｙｄｙ＝０（８－７）将式（８－７）移项积分后，得如下方程式：ｘ２＋ｙ２＝ｒ２０（８－８）此为圆的方程式，其半径为液态金属的内半径ｒ０，圆的中心与液态金属的旋转轴线重合。因此，卧式离心铸造时，如果不考虑重力场的影响，则液态金属的自由表面为一以旋转轴为轴线的圆柱面。上一页下一页返回８.２离心铸造４.离心力场中金属液内异相质点的径向移动离心铸造时，浇入铸型的液态金属并不是均匀单一的，往往会夹有一些异相质点。液态金属中的异相质点主要有：浇注时随液态金属进入铸型的夹杂物或气体；液态金属中不能互溶的在合金凝固过程中析出的晶粒和气体等。这些异相质点与液态金属的重度不一样。８.２.３离心铸造工艺离心铸造的主要工艺内容包括铸型转速的计算、铸型结构设计和浇注工艺的设计等。为了保证离心铸件的质量，离心铸造工艺应注意以下几点：（１）首先根据铸件要求确定铸型转速，这是获得优质铸件的首要条件。浇注前调好转速，浇注过程中严格控制变速范围。上一页下一页返回８.２离心铸造（２）铸型需经过清理、预热，再上涂料。上涂料时要严格控制铸型温度和涂料厚度。（３）浇注时严格掌握合金液的温度，定量准确，控制好浇注速度。（４）铸件冷却要严格掌握水冷时间和冷却强度。１.铸型转速的计算在实际生产中，为了获得组织致密的铸件，可根据液体金属自由表面（相应为铸件的内表面）上的有效重度γ′值或重力系数Ｇ值来确定铸型的合适转速。因为铸件内表面上的γ′及Ｇ值为最小，若已能满足质量要求，则在其他部位的质量也能得到保证。上一页下一页返回８.２离心铸造２.铸型结构设计离心铸造的铸型在金属液浇注到凝固的整个过程都在高速旋转，同时承受金属液的离心力和热冲击，其要比普通铸造方法使用的铸型要求高。离心铸造的铸型包括金属型、砂型、壳型和熔模型壳等。１）金属型常用的离心铸造金属型分为单层和双层两种，单层如图８－１０（ａ）所示，其结构简单，只能生产一种规格的铸件，材质一般可选用ＨＴ２００、ＱＴ５００－７、ＺＧ２３０－４５０等；双层金属型如图８－１０（ｂ）所示，由内外两层型体组成，由于内层可以更换，所以可以在同一离心机上生产不同规格的铸件。上一页下一页返回８.２离心铸造２）砂型离心铸造使用的砂型和普通砂型铸造使用的砂型相同，但由于离心铸造的离心力要比重力大得多，因此，离心铸造使用砂型应特别注意以下事项：（１）砂型应具有较高的紧实度，可以采用芯骨增加砂芯强度，以提高砂型、砂芯承受较大的离心力作用的能力。（２）砂型和砂芯表面应刷涂料以防止粘砂和冲砂。（３）调整离心机旋转时铸型的平衡，以保证铸件壁厚的均匀性。（４）铸型和离心机采用可靠连接，如采用内壁为砂型的金属型，以保证铸造过程的安全生产。上一页下一页返回８.２离心铸造３.离心浇注工艺离心铸造时，除金属液的浇注温度外，特别应注意浇注的金属液的定量。因为离心铸件的壁厚与浇入的金属液的质量直接相关，浇入金属质量过多，铸件的壁厚增加，不仅浪费金属液，而且使铸件的加工工时增加；浇入的金属液过少，铸件壁厚不足，铸件报废。因此，离心铸造的金属液浇注应严格定量。１）金属液的定量离心铸造时的金属液定量方法有体积定量法、质量定量法和自由表面高度定量法三种。（１）体积定量法：按需要浇注的铸件体积选定所需要的浇包，或在浇包相应体积的高度上做标记，将适量体积的金属液用选定的或做好标记的浇包一次浇入旋转的铸型的定量方法。上一页下一页返回８.２离心铸造（２）质量定量法：按铸件毛坯的质量，将称量好的金属液一次浇入旋转铸型的方法。（３）自由表面高度定量法：采用电子装置使金属液面达到合适铸型高度时停止浇注的定量方法。２）浇注温度离心铸件一般为简单形状，充型阻力小，由于离心力较大，金属液的充型能力强，所以离心铸造的浇注温度可以比普通砂型铸造的低５℃～１０℃。对于有色金属离心铸件，浇注温度高易产生偏析，其浇注温度应严格控制。对铸铁件，浇注温度高导致金属铸型的寿命缩短和生产率降低；浇注温度过低易导致冷隔缺陷，所以必须严格控制浇注温度，普通灰铸铁浇注温度一般为１２８０℃～１３３０℃，合金铸铁一般为１３００℃～１３５０℃。上一页下一页返回８.２离心铸造３）浇注速度浇注速度应适当快些，以利于充型，并使铁液温度均匀，以利于顺序凝固和夹杂物的内浮。小缸套浇注速度为２～１０ｋｇ／ｓ，较大的缸套浇注速度也应大些。不同质量缸套的浇注速度如表８－２所示。４.离心铸造涂料离心铸造中使用涂料可以增加铸型的表面强度，防止粘砂缺陷，改善铸件表面质量。涂料的主要作用如下：（１）使金属液不直接接触模具，改善铸件的成型和凝固状况，改善铸件质量。（２）保护模具，减缓对铸型的冲击和热作用，延长模具使用寿命。（３）减少激冷，防止铸铁件产生白口。上一页下一页返回８.２离心铸造（４）填平模具上存在的小孔、裂纹，使存在模具表面小孔和裂纹中的气体消除，防止铸体产生气孔。为了满足离心铸造的使用要求，离心铸造用涂料必须具备以下性能：（１）较好的保温性，较低的导热性。（２）较好的高温性能和化学稳定性。（３）较好的高温强度，可经受高温合金的冲击，使铸件易脱模。（４）较高的透气性，有利于排出浇注过程中产生的气体。几种离心铸造用涂料的配方如表８－３所示。５.离心铸造工艺举例离心铸造承插铁管，直径为５０～９００ｍｍ，长度为１～６ｍ，主要用途为上下水管或输送煤气，此铸件的生产量较大，适合离心铸造方法生产。图８－１１所示为承插管的结构。上一页下一页返回８.２离心铸造有效重度值取４×１０６Ｎ／ｍ３，浇注温度为１３００℃～１３３０℃，采用卧式离心铸造机生产，生产工艺过程如图８－１２所示。因为为连续生产，铸型外壁用水冷却；采用较长浇注槽，使金属液均匀分布在铸型内表面；浇注前浇注槽伸入铸型，使金属液的出口位于承口型芯２的前端，如图８－１２（ａ）所示。将定量金属液导入扇形浇包７中，扇形浇包按设计的速度旋转，金属液由扇形浇包进入浇注槽６后从前端流出充填承口型腔；承口型腔充满后，铸型９向左等速移动，浇注继续，如图８－１２（ｂ）所示。浇注完毕，浇注槽刚好移出铸型，如图８－１２（ｃ）所示。铸管凝固后，离心铸造机停止旋转，用卡钳夹住铸管承口内表面，离心机向右移动，铸管从铸型中取出，离心机复位，准备下一轮生产，如图８－１２（ｄ）所示。上一页返回８.３消失模铸造８.３.１消失模铸造概述１.消失模铸造定义设计制作的铸件泡沫塑料模样在刷涂涂料并烘干后，放置在砂箱中用干砂造型，在负压条件下浇注，模型气化，金属液充满模样所占据的空间后凝固，在落砂后得到所需铸件的铸造方法，称为消失模铸造。２.消失模铸造工艺流程（１）制作泡塑气化模。（２）组合浇注系统。（３）气化模表面刷、喷特制耐火涂料并烘干。（４）将特制隔层砂箱置于振动工作台上。下一页返回８.３消失模铸造（５）填入底砂（干砂）振实，刮平。（６）将烘干的气化模放于底砂上，填满干砂，微振适当时间刮平箱口。（７）用塑料薄膜覆盖，放上浇口杯，接真空系统抽真空，干砂紧固成型后，进行浇注，气化模气化消失，金属液取代其位置。（８）释放真空，待铸件冷凝后翻箱，从松散的砂中取出铸件。３.消失模铸造的特点１）与传统砂型铸造相比的特点（１）消失模铸造的型腔中为泡沫塑料模样，砂型铸造为空型腔。（２）消失模铸造的造型材料为干石英砂，砂型铸造由黏土、水分、石英砂和附加物组成。上一页下一页返回８.３消失模铸造（３）消失模铸造浇注的模样在金属液浇注后气化，金属液占据模样空间；砂型铸造为金属液填充空型腔。（４）消失模模样制作不受形状限制，而砂型铸造的模样需考虑分型面及脱模等工序要求。２）消失模铸造的优点（１）铸件精度高。由于无传统铸造工艺中的分型面、型芯，也无须起模，铸件没有飞边和起模斜度；铸件尺寸精度高达ＣＴ７～ＣＴ９，加工余量最大为２ｍｍ，表面粗糙度可达Ｒａ３.２～１２.５ｍｍ。（２）模样设计无传统铸造的结构和形状限制。由于无须起模，模样无分型面和起模斜度要求，可制作复杂的模样，传统铸造方法难以生产的复杂形状铸件也可生产。上一页下一页返回８.３消失模铸造（３）提高了铸件合格率和生产率。由于只有干砂造型，无须水分和黏结剂，减少了因水分和黏结剂引起的铸件缺陷，简化了砂处理系统和生产工序，降低了工人的技术熟练程度要求，提高了铸件合格率和生产率。（４）易于实现自动化生产。由于生产工序简化，生产环节减少，便于实现机械化和自动化生产。（５）建厂投资少。与砂型铸造生产相比，由于工序简化，消失模铸造建厂固定资产投资可减少３０％～４０％，建筑面积减少４０％左右，动力消耗减少１０％～２０％。上一页下一页返回８.３消失模铸造３）消失模铸造的缺点（１）由于泡沫塑料模具生产周期长，成本较大，只有大批量铸件时才适合选用消失模生产。（２）每次浇注需要消耗一个泡沫塑料模样，泡沫塑料模的消耗量大。（３）泡沫塑料尺寸不能过大，否则易变形。（４）泡沫塑料模气化产生的气体对环境有污染。上一页下一页返回８.３消失模铸造８.３.２消失模铸造的泡沫塑料模样的生产１.泡沫塑料模材料及其特点消失模模样所用的原材料主要有可发泡聚苯乙烯（ＥＰＳ）、可发泡聚甲基丙烯酸甲酯（ＥＰＭＭＡ）、苯乙烯和甲基丙烯酸甲醋的共聚物（ＳＴＭＭＡ）等。ＥＰＳ模样具有发气量低、残留物量少、密度小、气化迅速、价格适中等优点，但ＥＰＳ模样容易引起铸铁件表面产生光亮碳缺陷和使铸钢件表面增碳，而采用ＥＰＭＭＡ模样对解决增碳、皱皮、黑渣等缺陷非常有效。但是，ＥＰＭＭＡ的发气量大，约是ＥＰＳ的１.５倍。ＳＴＭＭＡ是苯乙烯和甲基丙烯酸甲醋的共聚物，兼有ＥＰＳ和ＥＰＭＭＡ两者的优点。上一页下一页返回８.３消失模铸造２.制模工艺过程采用ＥＰＳ、ＥＰＭＭＡ和ＳＴＭＭＡ任何一种珠粒制模，其制模工艺过程都是相同的。制模工艺过程如下：原料→预发泡→珠粒熟化处理→制模→模样的熟化→模样组合。（１）原料（ＥＰＳ、ＥＰＭＭＡ、ＳＴＭＭＡ等）采用聚苯乙烯珠粒，聚苯乙烯塑料具有发气量低、残留物量少、密度小、气化迅速、价格适中等优点。（２）预发泡：聚苯乙烯在制模之前，必须经过预发泡处理，来调整并获得所需的粒度和密度。（３）熟化：预发泡后的珠粒在使用前需在空气中进行十几小时的熟化处理，让空气渗透到珠粒的泡孔内，使其状态稳定，恢复弹性和再膨胀能力。上一页下一页返回８.３消失模铸造（４）制模：制模在制模机上进行，将熟化后的聚苯乙烯珠粒用压缩空气发送到模具内，通入蒸汽使其软化膨胀，珠粒间受热熔合，黏结成型，模具冷却后开模，取出模样。（５）组模：将制成的模样与切割的浇道、浇口等模样黏结在一起，形成完整的浇注模样。８.３.３消失模铸造用模样涂料１.涂料的作用在消失模铸造生产中，涂料是影响铸件质量的三大因素之一。涂料能增强型砂抵抗金属液的冲刷和侵蚀能力，防止铸件表面产生机械和化学粘砂，以获得表面光洁的优质铸件。其主要作用有：（１）提高泡沫塑料模样的刚度和强度，防止模样在搬运、填砂紧实过程中破坏或变形。上一页下一页返回８.３消失模铸造（２）隔离作用：涂料层是液态金属与干砂之间的一层重要的隔离介质，如图８－１３所示。涂层将金属液与铸型分开，防止金属液渗入干砂中，保证铸件不产生粘砂，使表面光洁。同时，也能有效防止干砂流入金属液与泡沫的间隙中，造成铸件塌箱。涂层厚度一般为０.５～２.０ｍｍ。（３）透气作用：涂料层能让泡沫塑料热分解产物（大量的气体或液体）顺利地排到干砂中去，然后被真空泵吸出，有效地防止铸件产生气孔、炭黑等缺陷。２.消失模涂料的基本组成消失模铸造用涂料通常包括耐火材料、黏结剂、载体、悬浮剂以及其他改进涂料性能的助剂，各种组成及其作用如下：上一页下一页返回８.３消失模铸造（１）耐火材料：耐火材料是涂料的骨干材料，它决定材料的耐火度、化学稳定性和绝热性能。常用耐火材料有刚玉、锆砂、硅砂、铝矾土、高岭土熟料、氧化镁、硅藻土等。（２）黏结剂：可以提高涂料的强度和透气性。黏结剂大致可分为有机黏结剂和无机黏结剂。使用最多的有机黏结剂有糖浆、纸浆废液、树脂、聚乙烯醇、羧甲基纤维素（ＣＭＣ）、淀粉、糊精等。常用的无机黏结剂有膨润土、水玻璃、硅溶胶和磷酸盐等。（３）载体：一般用水或乙醇。（４）悬浮剂：悬浮剂的主要作用是防止涂料中的固体耐火材料发生沉淀，也起到调节涂料的流变性和改善涂料工艺性能的作用。上一页下一页返回８.３消失模铸造３.涂料的配方１）通用涂料通用涂料可作为有色合金涂料，也可作为铸铁件或小型铸钢件的水基涂料。（１）耐火材料：石英粉作为耐火材料。（２）黏结剂：选用糊精作为低温黏结剂，硅溶胶作为高温黏结剂。两者结合使其成为复合黏结剂。（３）悬浮剂：以钠基膨润土与ＣＭＣ复合作为复合悬浮剂（ＣＭＣ的质量分数为２％），溶剂为水。为改变涂料对气化模的润湿性，需加入微量的表面活性剂聚异丙二醇醚及消泡剂正丁醇等。上一页下一页返回８.３消失模铸造２）高锰钢消失模水基涂料高锰钢消失模水基涂料以高铬刚玉为耐火骨料，黏结剂选用氧化淀粉溶液（低温黏结剂）和某一磷酸盐溶液（高温黏结剂）组成的复合黏结剂。悬浮剂选用优质膨润土，溶剂为水，助剂采用微量表面活性剂、消泡剂（正辛酸）等。为获得较高铸件表面粗糙度，有利于清理铸件，还加入了熔剂ＣａＦ２。用球磨机混碾，混制工艺为：高铬刚玉＋膨润土＋熔剂＋氧化淀粉溶液＋磷酸盐溶液＋助剂＋水→出料。用正交法试验求得该涂料配方：膨润土３０％＋氧化淀粉２％＋磷酸盐５％＋熔剂４％。上一页下一页返回８.３消失模铸造３）高锰钢件消失模醇基涂料高锰钢件消失模醇基涂料大都采用水基刚玉、锆英粉涂料或醇基镁砂粉涂料。使用水基刚玉涂料成本偏高，且涂料性能也不理想。高锰钢醇基涂料用耐火骨料为铁合金厂生产铬铁的副产品———铬铁渣，经破碎研磨成粉状（料度２００目）。醇基涂料的配制工艺：钠基膨润土＋助剂＋ＰＶＢ＋酚醛树脂＋耐火填料＋熔剂＋适量工业酒精＋酒精→出料。４.涂料的干燥模样上好涂料后，涂料层厚度为一般为０.５～２.０ｍｍ，模样涂料需进行干燥处理，干燥方法有自然干燥、快速干燥和微波干燥等。上一页下一页返回８.３消失模铸造（１）自然干燥：在阳光充足的条件下，醇基涂料可在１５～６０ｍｉｎ内自然干燥；水基涂料一般需要８～１６ｈ才能干燥固化。（２）快速干燥：生产中水基涂料一般采用烘房或干燥炉进行干燥。烘干温度为４０℃～６０℃，烘干为４～６ｈ可使涂层干燥固化。ＥＰＳ模样的软化点为７０℃，所以干燥温度不能高于６０℃。在烘干过程中除了严格控制温度外，还应该控制湿度，湿度不能大于３０％。如果能配备良好的通风设备，烘干效果会更好。烘干设备有鼓风干燥炉、干燥室；热源可采用电热和暖气供热。（３）微波干燥：采用ＨＭＺ系列微波真空干燥炉，可在３０℃～１００℃内快速干燥，采用微波烘干的均匀性好，能效比高，可保持物料原有理化特征，占地面积小，无环境污染。上一页下一页返回８.３消失模铸造８.３.４消失模浇注系统的设计铸件典型浇注系统由浇口杯（外浇口）、直浇道、直浇道窝、横浇道和内浇道等部分组成。能否获得健全的铸件，与浇注系统结构和形式有很大的关系。除普通砂型铸造方法可能产生的气孔、缩孔和冷隔等缺陷，消失模铸造还会出现特有的皱皮、冷隔状夹杂和铸钢件的渗碳等缺陷。消失模铸造在浇注过程中泡沫塑料模气化产生的气体压力较大，如图８－１４所示，因此，其浇注系统设计应该具有良好的浮渣和排气能力，以利于金属液顺利平稳地充满整个型腔，获得无缺陷的优质铸件。消失模浇注系统的位置安放自由，不受起模、合箱、抽芯的限制，因此可以放在最理想的位置上。上一页下一页返回８.３消失模铸造１.浇注系统设计的原则（１）保证金属液能充满型腔。（２）浇注系统的安排要考虑到模样在砂箱中的位置，便于填砂紧实。（３）浇注系统的设计要保证模样的整体强度。（４）浇注系统多采用简单的形式。（５）金属液压头应超过金属前沿的界面气体压力，以防呛火（反喷）。２.浇注位置的确定确定浇注位置在很大程度上着眼于控制铸件的凝固顺序。实现顺序凝固的铸件，可以消除缩孔、缩松，保证获得致密铸件，在这种条件下，浇注位置的确定应有利于安放冒口。上一页下一页返回８.３消失模铸造埋型操作时，需考虑气化模在砂箱中的合理位置，使它与箱壁之间有合理的距离，即吃砂量。只要具备一定厚度的吃砂量，在抽真空后才能产生足够的强度，形成坚固的铸型，使其能承受住金属液静压力的作用。确定浇注位置时应注意以下几点：（１）重要的加工平面要朝下或垂直放置。（２）模样的大平面应垂直或倾斜放置。（３）尽量将气