教学材料《熔模铸造》-第八章

导语在熔模铸造中，对内腔截面细小、形状特}!J复杂的铸件，必须使用预制型芯。形状比较简单的内腔也可用型芯直接做出。但有时为了制造空心熔模，需要采用特殊的方法，如在熔模中放置尿索等水溶性物质做成的型芯，这时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，在技术、经济上都是合理的，因此，预制型芯不仅广泛用于航空、航天工业，在一般机器制造工业中也得到普遍的应用。近年来，航空工业中广泛采用了气冷空心叶片，它不仅提高了涡轮前进日温度，而且使叶身温度分布均匀，热应力下降，因此可以大大改善叶片的工作条件，延长使用寿命。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。下一页返回导语采用预制型芯，可以铸出各种形状复杂的冷却孔道，厚度薄至0.5mm；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，即在叶片的排气边缘部位铸出上百个直径为0.5mm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，热稳定性及高温下化学稳定性好，此外还要求最后易于从铸件中清除。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。上一页下一页返回导语石英玻璃管型芯，是根据设计要求的形状和大小，选用外径和壁厚适当的透明石英玻璃加工制成的。异型陶瓷型芯的制造方法，大致可以分为：挤压法，干压法，注浆法及热压注法。本章将着重介绍国内常用的陶瓷型芯的制造工艺及其使用情况。上一页返回8.1熔模铸造型芯的基本要求、工艺特点和应用范围熔模铸造用的型芯除与普通铸造型芯一样，受熔融金属液的包围，凝固后还需从铸件中除去之外，还需考虑到型芯应能经受脱蜡时热水乃至蒸汽的蒸煮以及型壳焙烧时长时间的高温作用因此型芯应满足以下要求。8.1.1熔模铸造型芯的基本要求1.耐火度高型芯应具有较高的耐火度，以保证在浇注时和铸件凝固过程中不产生软化和变形一般情况下型芯耐火度应达到1400℃

以上，在定向凝固和单晶铸造时则要求在1520℃～1600℃下工作时间不少于30min。热膨胀率低、尺寸稳定。型芯在加热过程中热膨胀系数小且无相变，以免造成型芯开裂或变形。一般来说其热膨胀系数以小于1×10–6/℃为宜。下一页返回8.1熔模铸造型芯的基本要求、工艺特点和应用范围2.化学稳定性好型芯在与金属液接触的过程中不产生化学反应，防止铸件表面产生化学黏砂或反应性气孔。3.足够的强度型芯应具有足够的强度，在压射蜡模时不折断，浇注时能承受高温金属液的冲击和压力。4.易脱除为了便于脱除，熔模铸造用陶瓷型芯必须有相当大的孔隙率（约20%～40%），体积密度比真密度也要小许多表8-1列举了热压注成形硅质陶瓷型芯的基本要求。上一页下一页返回8.1熔模铸造型芯的基本要求、工艺特点和应用范围8.1.2熔模铸造型芯的工艺特点和应用范围一般情况下精密铸件的内腔最好是跟外形一道，通过涂挂涂料、撒砂等工序形成的，但如铸件内腔过于窄小或形状复杂。例如，航空发动机空心叶片的内腔就必须用预制的陶瓷型芯来成形表8-2列出了目前常用的各种类型熔模铸造型芯的工艺特点和应用范围。上一页返回8.2陶瓷型芯的基体材料和矿化剂由于陶瓷型芯的工作条件恶劣，需要它具有较好的综合性能，而这些性能主要取决于基体材料的性质和矿化剂的种类。8.2.1陶瓷型芯的基体材料陶瓷型芯的基体材料有多种，如石英玻璃、刚玉、氧化镁、氧化钙、锆石（锆英石）和氧化锆等，由于石英玻璃具有最低的热膨胀系数和良好的溶失性，应用最为广泛近十余年来由于更全面正确地认识了石英玻璃的析晶过程对陶瓷型芯性能的影响，进一步掌握了析晶规律，改进了配料和工艺，使陶瓷型芯高温性能又有较大幅度的提高，极限使用温度从1500℃提高到1650℃，成功地用于定向凝固和单晶铸造。多孔氧化铝、氧化钇和氧化杉型芯在国外（如美、俄等国）已取得突破性进展，已经用于定向凝固和单晶铸造生产。但目前国内陶瓷型芯的基体材料主要仍是石英玻璃。下一页返回8.2陶瓷型芯的基体材料和矿化剂石英玻璃分透明的和不透明的两种，前者密度为2.21g/cm3，后者介于2.02～

2.08g/cm3。石英玻璃在熔点以下处于介稳定状态，在热力学上是不稳定的，当加热到一定温度（透明的为1200℃，不透明的为1100℃，开始转变为方石英，同时体积增大，冷却到180℃～270℃时，方石英又由

型转变为

型，同时体积缩小，不难看出，在型芯生产过程中石英玻璃的析晶转变对于陶瓷型芯的性能将产生显著影响。研究表面石英玻璃的析晶转变受它的粒度，加热、保温时间，杂质含量和加热气氛等因素的影响。目前，国内外使用的基体材料主要有石英玻璃、电熔刚玉、锆英砂、氧化镁、碳化硅等。陶瓷型芯的基体材料应满足以下要求。①熔点或软化点高（应在1600℃以上），并且在高温下不与浇注的合金起化学反应。上一页下一页返回8.2陶瓷型芯的基体材料和矿化剂②晶型稳定，热稳定性好，线膨胀率小或与型壳材料相近。③易于除芯。①货源广而价廉。1.石英玻璃石英玻璃有透明和半透明两种，透明石英玻璃线膨胀系数极小，在20℃～1200℃时为（0.5～1.1）×10–6/℃，故透明石英热稳定性好。当石英玻璃加热到一定温度时（透明石英为1200℃，半透明石英为1100℃），将会由非晶态转变为晶态。这是由于玻璃状态较之结晶体状态含有较多的内能储量，因而玻璃体处于一种介稳定状态，它有自发地向晶体状态转变的趋势。在常温下，由于玻璃黏度极大，阻滞或实际上消除了玻璃的结晶作用。而在较高的温度下，玻璃体将会明显地转变为晶体，这一转变称之为析晶。上一页下一页返回8.2陶瓷型芯的基体材料和矿化剂如果透明石英与碳接触，在还原性气氛中，以及在氯化钠、碳酸钠和其他盐类的蒸汽中，结晶过程会加速，结晶产物为

方石英。透明石英玻璃在2kg/cm2

力的作用下，其荷重软化温度为1280℃。石英玻璃对大多数化学试剂无反应，任何浓度的有机酸和无机酸，甚至在高温下也不能侵蚀石英玻璃。但氢氟酸在常温下却能显著地侵蚀它，同时石英玻璃可为碱或碱金属的盐所侵蚀而形成可溶性硅酸盐。由于透明石英玻璃软化点高、线膨胀系数小、热稳定性好、且易被氢氟酸或碱所侵蚀，所以便于除芯，故在国内外被广泛的用来做陶瓷型芯的基体材料。2.氧化镁碳酸镁（菱镁矿）经焙烧后，在540℃分解成氧化镁，此时称为

型，是非晶态的白色疏松粉末，化学活性很强，可吸收大气中的水分。上一页下一页返回8.2陶瓷型芯的基体材料和矿化剂进一步焙烧时，相对密度增大，熔烧温度超过800℃开始形成方镁石，加热至1400℃～

1570℃以后，形成

型MgO。

型MgO是稳定晶型，熔点为2800℃，线膨胀系数为13.5×100/℃，因夹杂物的含量不同，比重在3.56～

3.65，它不吸水，在盐酸中也难以溶解据资料介绍，可以溶解在沸腾的20%NH4NO3

溶液中。3.碳化硅碳化硅又称金刚砂，是石英、焦碳或无烟煤，及少量的锯木屑、食盐在电弧炉中合成的产物。碳化硅外观呈绿色或黑色，比重为3.17～3.23，线膨胀系数为4.35×10–6/℃（20℃

～

1000℃，体积稳定性好，这对于获得尺寸稳定的陶瓷型芯非常有利它的导热性较好，热化学稳定性好，软化点为1750℃～1850℃。上一页下一页返回8.2陶瓷型芯的基体材料和矿化剂铸件中的碳化硅型芯，可溶于230℃的浓磷酸，或溶于硝酸或氢氟酸混合液中。8.2.2矿化剂能促进型芯烧结的添加剂，称为矿化剂。它的作用是降低陶瓷型芯的烧结温度或缩短烧结时间，或者兼有两种作用，这是由于它与基体材料可能发生反应，生成固溶体，促使晶格活化；或者可能在烧结温度下形成液相并将基体材料钻结；或者阻止基体材料发生多晶转化，有利于烧结。矿化剂是一种添加物，它能降低烧结温度，促成烧结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重要作用。矿化剂用量、使用温度和用途见表8-3。矿化剂的成分和处理方法见表8-4。上一页下一页返回8.2陶瓷型芯的基体材料和矿化剂1.矿化剂的种类适用于各种基体材料的矿化剂并不完全相同，目前应用较多的有以下几种。（1）工业氧化铝Al2O3

＞

98%，经1300℃以上煅烧4～6h后才可应用。（2）铝-

硅系矿化剂将各种原料混合球磨后，于1350℃煅烧，200目筛过筛后使用。（3）由Al2O3、CaO及SiO2

组成的矿化剂Al2O3–CaO–SiO2

三元相图的八个三元共熔点中，最低熔点是1170℃，其组成为：Al2O314.7%，CaO3.23%，SiO262.07%，这就是A、C、S矿化剂的成分。（4）耐火黏土耐火度应在1600℃以上。上一页下一页返回8.2陶瓷型芯的基体材料和矿化剂2.矿化剂的选择石英玻璃型芯通常采用氧化铝或铝-

硅系矿化剂。刚玉型芯通常采用A、C、S或耐火黏土矿化剂。A、C、S矿化剂对石英玻璃型芯也能获得较好的综合性能，但对碳化硅型芯则不适用碳化硅型芯通常采用氧化铝矿化剂。上一页返回8.3制芯工艺目前国内外较多采用热压注法本节主要介绍热压铸法陶瓷型芯的制造工艺热压注法制造陶瓷型芯的工艺流程，见图8-1常用陶瓷型芯的配方，如表8-5。8.3.1增塑剂增塑剂的作用是使粉料在加热状态下具有适当的流动性，以便顺利充满压型的内腔。一般以有机热塑性材料，如石蜡、松香等作增塑剂，它们在以后焙烧时熔化而被填料吸附，并挥发去}涂。常用增塑剂的组分和配比见表8-6增塑剂加入量对型芯性能有明显影响，制芯过程中应严格控制。下一页返回8.3制芯工艺配制增塑剂时，先将石蜡（包括硬脂酸）熔化，加热至60℃～80℃，然后将聚乙烯慢慢加入并不断搅拌，升温至120℃～160℃，直至聚乙烯全部熔化，再加入蜂蜡，搅拌均匀后，过滤备用如果不加聚乙烯可直接加入蜂蜡。蜂蜡可以提高浆料的流动性，而聚乙烯可以提高浆料的黏度，并增加型芯坯体的强度。蜂蜡和聚乙烯的加入量直接影响陶瓷浆料的性能与型芯的质量。增塑剂用量一般为粉料重的15%～

20%。当气温较高时，为防止坯体变形，可采用松香基增塑剂，如用松香50%、川蜡38%、地蜡5%，蜂蜡7%或松香60%、川蜡30%、地蜡10%用松香基增塑剂的坯体，由于松香基蜡料软化点高，故坯体不易变形，但因这种增塑剂流动性差，故必须增加用量，往往可达陶瓷粉料重量的25%。上一页下一页返回8.3制芯工艺8.3.2表面活性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，可以减少陶瓷粉料质点间的能量，增加颗粒表面的滑动性，减少增塑剂的用量，从而有利于型芯的成形一般用量为粉料质量的0.5%～

1.0%。由于石蜡是非极性物质，而陶瓷粉属于极性物质，两者不能相互吸附，制备浆料时会出现沉淀现象，所以必须加入表面活性剂油酸。通过油酸分子的桥梁作用，使陶瓷粉和石蜡间接地吸附，故加入表面活性剂可以使浆料混合均匀，由于油酸的作用，大大增加颗粒表面滑动性，明显提高陶瓷浆料的流动性，相应降低增塑剂的用量硬脂酸也具有表面活性剂的作用。上一页下一页返回8.3制芯工艺8.3.3浆料成分和配制配制浆料前将耐火材料粉料、矿化剂和油酸一起球磨1～2h混合均匀，然后在80℃～

100℃烘干2h以上，使含水量低于0.2%～

0.3%。粉料中的水分将影响增塑剂用量，1%的水量就足以使增塑剂用量提高6%以上，因此加入增塑剂前粉料必须充分烘干。混制时，将烘干后的混合料加入混合机，加热至80℃～85℃，开始加入增塑剂。用蜡基增塑剂时，加热温度不应超过120℃，用松香基增塑基时，加热温度不应超过160℃。经过充分的搅拌混合，浆料呈均匀的膏糊状，并具有适当的流动性。浆料的流动性是重要的基本性能之一流动性适当，可保证型芯结构均匀，尺寸稳定。上一页下一页返回8.3制芯工艺浆料的流动性与增塑剂的黏度、数量、混合均匀程度、粉料的细度及粉料的化学成分有关。增塑剂黏度小，浆料流动性好，型芯易于成型，但浆料易分层，表面析出一层蜡液而粉料沉淀在底部；反之，若增塑剂黏度过大，为保证适当的流动性，势必加大增塑剂的用量，做成型芯后，烧结时收缩增大，孔隙增多，强度降低，粉料的细度大小，将降低浆料的流动性。以锆英石或铬铁矿石作为粉料时，增塑剂用量可以减少。国内几种陶瓷型芯浆料配比、配制方法和型芯性能见表8-7增大型芯的孔隙度，唯一有利之处是可以提高铸件脱芯的速度。8.3.4陶瓷型芯的压制压制型芯可以用压制熔模的设备。型芯生产量大时，最好采用制造精密陶瓷制品的压注机。所用压力为3～5大气压。上一页下一页返回8.3制芯工艺保压时间根据型芯形状和大小可为10～30s，以求得坯体组织致密。浆料温度为80℃～120℃。压制型芯前压型需预热，并在其表面涂以分型剂。分型剂有两种一种是硅油；另一种是70%蓖麻油与30%酒精混合液。压制好的型芯坯体，已变形的，可以校正。方法是，将型芯浸入60℃～70℃的热水中，或用红外线灯泡照射以适当加热，待型芯开始变软，放回压型或校正模内校正，冷至室温后取出。对于易变形的型芯，应反复校正多次。上一页下一页返回8.3制芯工艺8.3.5陶瓷型芯的焙烧型芯坯体需修整飞边、毛刺，经检查确认无裂纹、缺肉或其他不允许的缺陷后，用经1400℃下保温4～6h焙烧过的工业氧化铝作填料，将型芯置于耐火材料制成的匣钵中，在振幅为0.2～0.5mm的振动台上造型后装炉焙烧。1.填料的选择在型芯焙烧过程中，型芯中的增塑剂为粉状填料所吸附，并在填料中挥发，因此粉状填料应满足以下几点要求。①吸附有机增塑剂的能力强。②不与陶瓷混合料起任何化学反应。上一页下一页返回8.3制芯工艺③在一定温度下填料本身不发生大的体积变化或烧结。目前国内多用工业氧化铝做填料。市场上供应的工业氧化铝，需经1200℃锻烧2～6h，或加入1%氟化钱，经1300℃锻烧6小时，以促使

-Al2O3

完全转变为稳定的

-Al2O3。否则，如采用末经处理的工业氧化铝粉作填料，在型芯焙烧过程中，都会不同程度的与填料反应，造成型芯黏砂，甚至产生裂纹或龟裂等缺陷。2.装钵注意事项焙烧前将型芯坯体整齐地置于耐火材料制作的匣钵中，然后装入高温炉内进行焙烧。上一页下一页返回8.3制芯工艺装钵时，型芯与匣钵底、壁之间的距离不得小于25mm；每层型芯中，二型芯之间的距离不得小于15mm；每两层型芯之间的距离不得小于25mm。每装一层型芯与氧化铝粉，均需在振幅小于0.5mm的振动台上振实1～2min。对于容易变形的型芯，需放在成型焙烧器中，然后装炉焙烧。3.型芯焙烧要点型芯的烧结可分为排蜡和终烧两个阶段。（1）排蜡阶段（600℃以下）主要是去除陶瓷型芯中的增塑剂。在低于200℃时将装入匣钵的陶瓷型芯进炉，然后分别在2～6个不同温度下保温一段时间（1～2h），此时的升温速度与陶瓷型芯的质量关系密切，不可忽视。上一页下一页返回8.3制芯工艺在此期间内增塑剂熔化，被填料吸附并在填料中扩散和挥发，故升温速度应慢，否则增塑剂来不及被填料吸附和扩散，而直接在型芯中挥发，影响型芯质量，严重时在型芯中会出现起皮与鼓泡等缺陷。当温度升到600℃

左右，陶瓷型芯中的增塑剂基本排出，此时型芯处于完全松散状态。（2）终烧600℃以后，升温速度可加快至终烧温度，并保温一段时间（石英玻璃基型芯为1200℃，保温4h），使型芯重新获得一定强度，然后随炉冷却至500℃～600℃方可稍开炉门，冷至200℃左右才可出炉取芯。上一页下一页返回8.3制芯工艺8.3.6陶瓷型芯的强化1.低温强化低温强化主要目的是提高型芯的室温强度，型芯应能承受压注熔模时的冲击力，以防止折断，为此需进一步提高型芯的常温强度。通常是将焙烧过的型芯浸入强化剂中（树脂），待没有气泡后取出。用强化剂时。自然干燥2～6h，放入180℃～200℃的烘炉中烘烤至变色，约需30min。含有酒精溶剂的强化剂，由于酒精容易挥发，应注意经常稀释强化剂。强化后，室温抗弯强度可提高3～4倍，达200kg/cm2

左右。强化方法是将溶有热固性树脂和固化剂的溶液渗入焙烧好的陶瓷型芯中，再经固化处理即成常用低温强化剂配比及固化处理方法见表8-8。上一页下一页返回8.3制芯工艺2.高温强化高温强化目的是提高型芯的高温强度。浇注时，型芯须能承受金属液的冲击，为提高型芯的高温强度，也可进行强化处理。处理方法：将型芯浸入硅酸乙酷水解液或硅溶胶中，待气泡消除后取出，自然干燥2～5h，也可反复一次。这样，高温强度可提高3000℃

～5000℃但线膨胀有增大的倾向。常用的高温强化剂和强化工艺参数见表8-9。8.3.7从铸件中脱芯的方法常用脱芯方法见表8-10。化学脱芯材料的腐蚀性很大，操作过程应特别注意安全。铸件放入碱槽前应预热，防止碱溶液及氢氟酸飞溅。氢氟酸有强腐蚀性和剧毒，应尽量避免使用。上一页下一页返回8.3制芯工艺1.石英玻璃基型芯的脱芯方法（1）氢氟酸腐蚀法为了防止铸件表面被HF腐蚀，可在HF中加适量的K1。此法由于氢氟酸腐蚀时产生的SiF4

气体，对人身有害，现已很少采用。（2）碱煮法一般采用400℃～500℃熔融苛性碱（NaOH35%+KOH65%），使石英玻璃成为可溶性的硅酸盐，然后把硅酸盐溶解于水，达一定浓度后，溶液中有无定形SiO2

析出。脱芯过程是将带型芯的铸件，放入400熔融的苛性碱中，2～3h后取出，再浸入沸水中以溶解硅酸钠（或硅酸钾）。必要时更换几次水，至无胶状SiO2沉淀析出时，取出铸件烘干。然后再投入熔融苛性碱中继续发生作用，如此反复几次，可将石英玻璃型芯脱尽。上一页下一页返回8.3制芯工艺脱芯后的铸件，用热水洗净，然后用5%～

15%HCl溶液中和处理，最后用清水洗净。2.刚玉基型芯的脱芯方法刚玉基型芯不能像石英玻璃基型芯那样可以采用化学脱芯方法，只能采用机械方法，且效率很低为提高清除效率，可采用电磁振动法。上一页返回8.4其他制芯方法陶瓷型芯的制造，除采用以蜡料为增塑剂的热压注法外，其他制芯方法在国内尚少采用，这里只简要地介绍几种国外专利资料，以供参考8.4.1注浆法将耐火材料粉料加钻结剂及硬化剂，均匀混合成浆料，注入型芯盒，自硬成型，再经焙烧后使用这种方法，较适用于形状较简单、截面较大的型芯。石英玻璃基型芯在浇注过程中，因析出

方石英而体积突然膨胀，从而引起铸件热裂，为了克服上述缺点，在制备型芯的陶瓷粉中，添加5%～20%（质量）的铝酸钙、铝酸钡或铝酸钮（铝酸钙价格更便宜些），可以有效地抑制浇注条件下熔融石英的析晶。制得的型芯尺寸稳定，对温度的变化不敏感。所用陶瓷粉的成分为80%～

90%的熔融石英，6%～

10%的铝酸盐及5%～

10%的锆英石。下一页返回8.4其他制芯方法加入锆英石是为了提高二氧化硅及铝酸钙的热稳定性。采用醋酸钱作为催化剂。浆料分两次混合，在第二次混合时，才加入催化剂。在型芯盒中硬化时间大约需要1h。