熔模铸造基础

第1章绪论熔模铸造是用易熔材料制成尺寸精确、表面光洁的可熔性模样，在模样上涂以若干层耐火材料，经过干燥、硬化后，将其中的模样熔失而制成型壳，再经过焙烧制成耐火型壳，然后进行浇注，待冷却后获得铸件的一种方法。其铸件精密、复杂，接近于零件最后的形状，可不经加工直接使用或经很少加工后使用，熔模铸造是一种近净形成形工艺。在近几十年新模料、新钻结剂及制备型壳的新工艺不断涌现，在制模、制壳、焙烧、浇注等方面则向着机械化、自动化生产线方向发展，铸件的质量逐步得到提高。现在熔模铸造不仅用于航空、军工，几乎应用于所有工业部门，特别是电子、石油、化工、能源、交通运输、轻工、纺织、制药、医疗器械、泵和阀等部门。下一页返回第1章绪论1.1熔模铸造的发展概况1.2熔模铸件的尺寸公差、工艺流程1.3熔模铸造应用实例上一页返回1.1熔模铸造的发展概况1.1.1发展概况熔模铸造的历史可以追溯到3000年前，埃及、中国和印度是最旱的起源国家。中国古代留下很多熔模铸件精品，如春秋晚期的王子午鼎、铜禁，战国的曾候乙尊、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。在16世纪时，熔模铸造工艺被艺术家和雕刻家们广泛运用。19世纪末期，牙医用熔模铸造工艺，结合离心浇注技术生产牙科铸件。20世纪初，为生产出更精密的牙科铸件，人们开始研究影响蜡模和型壳尺寸稳定性的因索，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。下一页返回1.1熔模铸造的发展概况在恶劣环境中工作的航空发动机零件如涡轮增压器，若采用传统合金，则不能满足性能上的要求。20世纪30年代末，人们发现研制的钻基合金在高温下有优异的性能，可用于涡轮增压器。但这类合金很难加工，熔模铸造就成为该类合金成形的工艺方法，迅速地发展成工业技术，进入航空、军工部门，并迅速地应用到其他工业部门。半个多世纪中熔模铸造工业一直以较快的速度在发展着。20世纪末，世界熔模铸造业年产值约70亿美元。20世纪90年代美国熔模铸造业年产值从23.2亿美元增至34.2亿美元，增长47.4%。英国1999年的产值为1993年的1倍多。而中国2000年产值是1988年的11.5倍。可见熔模铸造业发展之迅速。从产品看熔模铸造分为两大类：军工、航空类产品和民品类产品。但民航、大型电站及工业涡轮发动机的发展，使得军工、航空类产品所占比例变化不大（见表1-1）。上一页下一页返回1.1熔模铸造的发展概况1.1.2发展现状与高新技术熔模铸造的迅速发展是依靠技术发展和进步取得的。对熔模铸造发展有较大影响的新材料、新工艺、新技术很多，如水溶型芯、陶瓷型芯、金属材质改进、大型铸件铸造技术、铁合金精铸、定向凝固和单晶铸造、过滤净化、热等静压、快速成形等。随着技术发展，熔模铸造已可以生产更大、更精、更薄、更强的产品。1.更大更薄的产品熔模铸造不仅可生产小型精密铸件，也能生产较大型精密铸件，最大轮廓尺寸可达1.8m，而最小壁厚却不到2mm，最大铸件重接近1000kg。大型熔模铸件的生产技术是建立在制模、制壳、熔炼等工艺发展，以及优质材质、先进设备的基础上的。上一页下一页返回1.1熔模铸造的发展概况除钻结剂、耐火材料改进外，在涂料、制壳工艺研究上也取得较大进展，同时石膏型熔模铸造等新工艺的兴起也促进了大型精密铸件的生产。2.更精的产品熔模铸件已越来越精确，除线性尺寸公差外，铸件还能达到较高的形位公差。如ISO标准中的一般线性尺寸公差是CT4～CT6级，特殊线性尺寸公差高的可达CT3级，而熔模铸件表面粗糙度值也越来越小，可达到Ra0.8

m，甚至Ra0.2

m。3.更强的产品由于材质的改进和工艺技术的进步使得铸件的力学性能越来越好。上一页下一页返回1.1熔模铸造的发展概况同时因凝固技术的发展和应用，使所生产的涡轮叶片从传统的等轴晶到定向凝固的柱状晶，再发展到单晶叶片，加上设计改进，从而使涡轮叶片的工作温度大为提高，由980℃提高到120℃以上，钛合金强度高，已成为现代工业中一种重要的结构金属，钛合金精铸技术使生产复杂钛合金铸件成为可能，特别是制造大型复杂钛合金铸件可代替很多零件的组装件，大大减轻产品的重量而又提高了产品的强度。另外，熔模铸件内部常存在缩松等缺陷，为获得致密的熔模铸件，热等静压技术已被广泛用于涡轮叶片及其他熔模铸件上。热等静压处理可使镍基高温合金、钛合金和铝合金的高温低周波疲劳性能提高3～10倍；使镍基高温合金和钛合金的应力断裂寿命提高2倍；使铸件性能波动和分散程度降低到原来的六分之一。上一页下一页返回1.1熔模铸造的发展概况热等静压是利用高温和高压，靠金属蠕变和塑性变形让铸件内部缩松热裂等缺陷愈合。从而降低铸件废品率，减少焊接后产生的裂纹，改善熔模铸件性能，使之可取代锻件。钛合金熔模铸造技术的发展，使现代工业中的重要结构材料钛合金能用熔模铸造方法生产出精密复杂零件，特别是大型整体钛熔模铸件的出现，它代替组装件减轻机器的重量、提高寿命，取得很好的效果。为缩短生产周期，简化工序，熔模铸造与20世纪80年代出现的快速成形技术（RPT）结合，使用RPT的立体光刻法（SLA）、选择性激光烧结法（SLS）、熔融堆积制造法（FDM）或分层实体制造法（LOM）等工艺所制塑料、蜡和纸原型代替传统蜡模，或使用直接型壳生产法（DSPC）工艺生产的陶瓷型壳进行熔模铸造生产，增强了市场竞争力。上一页返回1.2熔模铸件的尺寸公差、工艺流程1.2.1熔模铸件的尺寸公差铸件尺寸公差是指铸件公称尺寸的两个极限尺寸之差。G13/T6414-1999《铸件尺寸公差与机械加工余量》规定铸件尺寸公差分16级，即CT1～CT16级，CT1级精度最高。表1-2为铸件尺寸公差值，通常公差带对称分布，即公差的一半取正值，另一半取负值。不同的铸造方法所得到铸件公差不同。熔模铸造属精密铸造一般铸件可达到CT4～CT6级，高精度铸件可达CT3级铸件壁厚、铸孔及转接圆弧半径公差也可参考表1-3～表1-5。影响熔模铸件尺寸精度的因索归纳起来分为四大方面：铸件结构形状、大小、压型和生产工艺。下一页返回1.2熔模铸件的尺寸公差、工艺流程铸件收缩是否受阻与铸件结构形状有关，复杂铸件的不同部位分}!J存在着受阻、半受阻和不受阻状态，因而要细加分析，并给以不同的收缩率，才能获得高精度铸件。收缩率的大小不仅取决于合金的收缩，还取决于蜡模的收缩及型壳的膨胀，故常称之为综合收缩率。另外，熔模铸造工序多，每个工序参数的波动均会影响到铸件尺寸精度，为不断提高铸件精度，降低因尺寸超差造成的废品，始终是熔模铸造工作者应予重视的课题。1.2.2熔模铸造的工艺流程（图1-1）上一页返回1.3熔模铸造应用实例熔模铸造几乎应用于所有工业部门，特别是航空航天、造船、汽轮机和燃气轮机、兵器、电子、石油、化工、核能、交通运输、轻工、纺织、制药、医疗、仪器仪表、机械、泵和阀、运动器械、家用电器等。熔模铸件按其服务对象可分为两类：一类用于航空、航天及军品；一类用于其他行业现将典型熔模铸件应用实例列举如下。1.定向凝固和单晶叶片近年来，用控制凝固技术得到定向凝固的铸件和单晶铸件。图1-2（a）是等轴晶叶片（b）是定向凝固叶片，（c）是单晶叶片，材质是高温合金。2.工业涡轮叶片GE燃气轮机MS90FA工业涡轮一级叶片（图1-3（a））和二级叶片（图1-3（b）），其尺寸分别为431.8mm×216.5mm及558.8mm×203.2mm，重量分别为13kg和12.6kg，材质为高温合金。下一页返回1.3熔模铸造应用实例3.前机匣前机匣见图1-4。原为用17–2PH马氏体不锈钢（美国牌号）生产的较小的不锈钢铸件，经机械加工和焊接成一部件，现用一个整体钛合金精铸件，最外轮廓尺寸为1320.8mm，代替88件组装部件，零件强度得到改善，尺寸控制好，重量减轻。前机匣是装在通用电器公司GF–6–80C发动机上，该发动机用于A310、A300、波音747、767和MD–11多种飞机上。用此支撑涡轮叶片的部件，并将之连接固定于压缩机部分。4.主屏蔽罩火箭发射器的铝合金主屏蔽罩，见图1-5其轮廓尺寸为381mm×355.6m×190mm。上一页下一页返回1.3熔模铸造应用实例该件采用了大量薄壁结构，最薄处1.02mm。用它代替三个需加工、再组装的组装件，使重量由2.16kg减至1.22kg，几乎减轻了一半这是大型薄壁箱体件的代表。5.传动机匣图1-6为V–22直升机传动机匣，为大型整体的钛合金精铸件。6.显示器框架M1A2坦克用显示器框架（见图1-7），此件质量要求高，需经X射线探伤，原分成两件用砂型铸造方法生产，经机械加工后组装起来。加工工作量大。改成铝合金整体精铸件后，可靠性增加，性能提高，并减少机械加工量，显著地减轻了重量。上一页返回表1-1熔模铸件产品结构比例%返回表1-2铸件尺寸公差数值（GB/T6414-1999）返回表1-3熔模铸件壁厚公差（前苏联）mm下一页返回表1-4铸孔参考公差上一页下一页返回表1-5转接圆弧半径的尺寸公差值上一页返回图1-1熔模铸造的工艺流程返回图1-2等轴晶叶片、定向凝固叶片、单晶叶片返回图1-3工业涡轮叶片返回图1-4前机匣返回图1-5主屏蔽罩返回图1-6传动机匣返回图1-7显示器框架返回第2章制模材料及工艺熔模铸造工艺的显著特点是采用可熔性模型（简称熔模）制造铸型，且每生产一个铸件就需消耗一个熔模。由此可见，熔模的材料种类、质量的优劣将直接影响铸件的表面质量和尺寸精度。因此，了解制模材料性能、配比，合理地选择熔模材料和正确地掌握制模工艺，是保证熔模铸件质量的重要前提。2.1模料性能的基本要求2.2模料的成分及性能2.3模料的制备2.4熔模制造工艺及模组的组合2.1模料性能的基本要求制造熔模的材料称为模料。为了得到优质的熔模，必须选择合适的模料。由于熔模铸造的工序较多，因此对模料性能的要求也是多方面的。用于熔模铸造的制模材料应在下述性能方面满足一定的要求。1.熔点适合熔模铸造生产所用的模料其熔点不宜过高或过低一般在60℃～100℃范围内。因为根据模料的一般性能，熔点适中时，熔模具有一定的强度和热稳定性；同时便于配制模料、制备和熔失熔模、适应生产机械化和自动化以及缩短生产周期的要求。2.热稳定性标准试祥在加热时，以变形挠度达2mm时的温度为模料的软化点即热稳定性。模料的软化点一般不宜低于35℃～20℃，否则在夏季将很难保证熔模的强度和精度。下一页返回2.1模料性能的基本要求根据实际经验，模料的软化点应比制模及制壳工作场地的温度高出10℃～15℃为宜。3.流动性模料在一定的条件下充填压型型腔的能力称为流动性。模料应具有良好的流动性，这样有利于完满而清晰地复制出压型型腔的表面，从而得到形状准确和表面光洁的熔模；同时也便于模料从型壳中熔出4.收缩率模料的收缩率以“圆饼试样”在一定的温度范围内冷却时的直径变化百分率表不。对模料收缩率的要求一般希望小于1.2%，使熔模上不出现缩凹等缺陷，而且其值稳定。模料收缩率小，能使熔模的尺寸更接近于压型型腔的尺寸，并能减少冷却时的扭曲变形，从而保证熔模的精度。上一页下一页返回2.1模料性能的基本要求5.强度和塑性模料的强度通常以标准试样的抗弯和抗拉强度表不。为保证熔模在组合、储存及制壳等过程中，受搬动、震动、冲击的作用下不损坏、不变形或少变形，这就要求模料在常温下有足够的力学性能。用于小件的模料其抗拉强度最好大于1.4MPa，而大件模料则应不小于2.5MPa。6.焊接性模料的焊接性表不模料相互之间的接合性能。将单个的熔模组合成模组时，要求模料有良好的焊接性能和较高的焊接强度，这样便于熔模的组合，并避免模组在运输和制壳时自焊接处发生断裂。7.涂挂性模料对耐火涂料的润湿亲和性能称为涂挂性。上一页下一页返回2.1模料性能的基本要求制壳时，要求熔模表面能被耐火涂料很好地润湿，均匀地涂覆一层模料涂挂性的好坏直接影响到型壳内腔形状的完整及表面光洁。8.灰分模料熔烧后的残留物称为灰分。型壳焙烧后，模料的灰分遗留在型壳内，如果不清除干净，就会降低铸件的内部质量和表面质量。因此，模料中灰分含量越少越好。一般应小于0.05%（质量分数）。对模料性能的要求，除上述几点外，生产上还要求模料的密度要小、导热性好、表面硬度高、配制容易、存收方便、复用性好、无公害、资源丰富及价格低廉等。上一页下一页返回2.1模料性能的基本要求我国的模料资源极为丰富，品种繁多，仅就蜡质材料而言，除石蜡、地蜡、褐煤蜡等矿物蜡外，还生产了优质的蜂蜡、川蜡及其他动植物蜡，这为研制更多更好的新模料提供了充分的物质条件国内常用的各种模料原材料的种类及技术数据、物理性能见表2-1。上一页返回2.2模料的成分及性能熔模铸造所用的制模材料旱期主要是蜡质混合料，故有“‘蜡料”与“‘蜡模”之称。但随着这项工艺应用范围的不断扩大及生产的迅速发展，蜡料在性能和数量上已越来越不能满足要求。因此，各种有机物、天然的或人造的树脂材料及无机盐类等陆续得到应用，或作为添加物以改善蜡料性能，或取蜡料而代之，而“蜡料”一词亦逐渐被含义更广泛的“模料”所代替。实际生产中所应用的模料种类很多，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℃之间，如松香-川蜡基；三是高熔点模料（CIAI温模料），其熔点高于120℃。近年来，随着熔模铸造生产的迅速发展，原材料的选用范围不断扩大。下一页返回2.2模料的成分及性能模料按其主要组成和性能分为蜡基模料、树脂基模料、填料模料和亲水填料模料，下面分别介绍它们所用的原材料、配比及其性能特点。2.2.1蜡基模料所谓蜡基模料主要是以各种矿物蜡或动植物蜡为主体的模料。目前国内广泛采用的比较典型的是石蜡一硬脂酸模料。如果在石蜡一硬脂酸模料中添加其他成分，如地蜡、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、乙基纤维索及松香等，则能减少或取代硬脂酸，改善其性能，扩大应用范围。除石蜡基模料外，国内外还应用以地蜡或褐煤蜡为基体的模料，迄今为止，在熔模铸造生产中，蜡基模料仍然是一种最重要的制模材料。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能石蜡是炼制石油的副产品，是饱和的碳氢化合物，属于烷烃蜡，按其熔点分为48℃、50℃、52℃、54℃、56℃、58℃、60℃、62℃、64℃、66℃、68℃、70℃等多种规格，石蜡的外观是白色或淡黄色结晶体，故有白蜡和黄蜡之分。熔模铸造通常采用58℃～62℃的白蜡。石蜡的化学活性低，呈中性，在140℃以下不易分解碳化，具有一定的强度和塑性，能与其他材料均匀混合，价格便宜，是模料中最基本的组成。石蜡的缺点是软化点低（约30℃），凝固收缩大，具有产生表面收缩的倾向，在熔化状态或黏度低时易形成气泡，故不宜单独使用。地蜡是饱和的固体烷烃混合物，其外观为白色或黄色的均匀物质。其熔点可分为67℃、75℃、80℃几种规格。地蜡的熔点和软化点比石蜡高，热稳定性好，制得的熔模不易变形，是蜡基模料的基本成分其缺点是强度、硬度及塑性较低，收缩率较大。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能硬脂酸是固体脂肪酸的混合物，学名十八烷酸。硬脂酸属于弱酸，能直接与比氢更活泼的金属起置换反应，也容易与碱或碱性氧化物起中和反应，生成皂盐（即皂化反应）。熔模铸造生产中使用的硬脂酸熔点为60℃。硬脂酸与石蜡能很好地互溶，硬脂酸加入石蜡中能提高模料的流动性、涂挂性及软化点，但会降低模料的强度，加入过量易形成裂纹。精制褐煤蜡外观呈浅黄色，熔点82℃～85℃，热稳定性好，强度和硬度较高，是一种比较好的制模材料。蜂蜡和川蜡热稳定性好，强度和硬度都较高对涂料的润，湿性较好，并具有良好的流动性，但收缩率较大，化学稳定性差。在蜡基模料中作为改善性能用的调整成分，能显著改善模料的某些性能。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能2.松香类及其性能特点松香类原材料主要有松香、聚合松香和改性松香等。松香的主要成分是松香酸，是一种脆性的、浅黄色（或褐色）呈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。通常块状松香的表面在空气中会自由氧化，生成氧化松香。模料中氧化松香的数量越多，则黏度越大。氧化松香的稳定性差，容易裂解和聚合，使模料老化。聚合松香的相对分子质量大，软化点高，稳定性好，收缩率小，有良好的混溶性，但与石蜡的互溶性较差。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能改性松香是为改善松香的性能，对松香进行改性处理而制得的。模料中加入改性松香可提高模料强度、韧性和热稳定性、硬度，并能降低熔模的表面粗糙度。3.热塑性高聚物及其性能特点热塑性高聚物主要有低分子聚乙烯、高分子聚乙烯、聚苯乙烯、EVA和乙基纤维索等。低分子聚乙烯的相对分子质量为3000～5000，呈蜡状，化学结构与石蜡相似。其熔点较低（约65℃），强度较高，收缩率较小，流动性较好，与烷烃蜡的互溶性良好，其热稳定性和硬度都比高分子聚乙烯低。在石蜡一硬脂酸模料中，可用低分子聚乙烯代替硬脂酸，降低成本，提高强度和韧性。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能高分子聚乙烯的相对分子质量大于6000，常温下为白色晶型结构。通常用作增强剂。聚苯乙烯熔点高，强度高，热稳定性好，对水、酸、碱有很高的稳定性收缩率小。加入模料中可提高模料强度和软化点。可单独制作熔模，也可作为添加成分来改善模料的性能。EVA是乙烯-醋酸乙烯脂共聚物的英文缩写。其熔点约为80℃，具有良好的冲击韧度和化学稳定性，耐老化，但收缩率较大一般用作模料的添加成分，以提高模料的强度、热稳定性、韧性，降低表面粗糙度。乙基纤维索是一种白色粒状热塑性固体，其熔点为165℃～185℃，强度高，不溶于石蜡而溶于硬脂酸中，可借助硬脂酸把石蜡和乙基纤维索互溶在一起。在石蜡一硬脂酸模料中加入乙基纤维索，可提高模料的强度和软化点，并改善模料的涂挂性。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能4.蜡基模料的组成及性能蜡基模料通常由两种或两种以上的原材料组成。其基本组兀应具有良好的综合性能，而添加组兀一般含量不多，仅作为改善或补充基本性能之用。蜡基模料主要以各种蜡料为主体材料，属于低温模料其配比多样，应用广泛。（1）石蜡-硬脂酸模料石蜡一硬脂酸模料是生产中用的最广泛的蜡基模料。石蜡和硬脂酸能互溶，但当模料中硬脂酸含量（质量分数）超过80%时，模料的强度特别低；而当硬脂酸含量（质量分数）低于20%时，模料涂挂性不好，熔模表面易起气泡。当硬脂酸含量（质量分数）在20%～80%时，随硬脂酸增多，模料强度略有降低。生产中广泛采用石蜡和硬脂酸各50%的配比。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能这种模料配制简单，制模容易，收缩率小，但软化点和强度低，可根据季节适当调整配比，如夏季增加硬脂酸含量5%～10%，改善热稳定性；冬季增加石蜡含量，提高强度并克服模裂倾向。石蜡-硬脂酸模料适用于制造精度要求不高的小型铸件的熔模，要求制模和制壳场地室温保持在15℃～25℃范围内，以防熔模变形。为改善石蜡-硬脂酸模料的强度和热稳定性，可在配比中外加1%的聚乙烯或5%的乙基纤维索。（2）不含硬脂酸的蜡基模料因硬脂酸容易与碱或碱性氧化物起皂化反应而使模料性能降低、回收工艺复杂，所以近年来国内外开始研制并使用不含硬脂酸的蜡基模料。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能例如，用低分子聚乙烯和褐煤蜡取代硬脂酸，可提高模料强度、流动性及涂挂性，降低收缩率，使用时不会皂化，模料回收容易，降低成本。也可以用松香、地蜡、褐煤蜡取代硬脂酸配成蜡基模料，以提高模料强度和热稳定性，降低收缩率。蜡基模料的配比及技术特性见表2-2、表2-3。2.2.2树脂基模料树脂基模料是以松香和改性松香为主要成分配制成的模料，属于中温模料，主要用来生产精度要求高、形状复杂的薄壁铸件。松香具有比蜡高的强度和表面硬度，比蜡小的线收缩率，及良好的涂挂性。同时它的熔点又比普通热塑性高聚物要低，因此属于中温模料，但松香性脆易碎，黍占性大，流动性和成型性差，热稳定性不好。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能由于蜡具有良好的流动性、成型性和塑性，并能与松香互溶，因而常在松香基模料中加入适当比例的蜡，与松香组成复合基体。可供选择的蜡有川蜡、褐煤蜡、地蜡或它们的混合物，有时还需添加一种或几种附加组元，以进一步提高和改善模料的性能。树脂基模料的配比见表2-4。树脂基模料的技术特性见表2-5。在树脂基模料的成分中，用EVA代替聚乙烯、用石蜡和褐煤蜡代替川蜡、用聚合松香和改性松香代替松香配制的模料，其性能良好，可用作精铸无余量叶片等零件的模料。2.2.3填料模料和亲水填料模料1.填料的作用国外制作蜡模的模料通常分为填料模料和无填料模料两大类。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能与国内不同的是填料模料应用相当普遍，在精铸模料市场中大约要占一半以上的份额，近期主要研究内容是填料的种类及其对模料性能的影响。填料在模料的作用主要是减小收缩，防止熔模变形和表面缩陷，以提高蜡模表面质量和尺寸精度。尽管无论是固体、液体或气体物质均可用作填料，但应用最多的还是某些粉末状固体（如某些呈固态的有机酸、多元醇、双酚化合物、邻苯二甲酸胺、尿素或某些热塑性和热固性树脂制成的粉末），加入量（质量分数）为20%～40%。目前国际市场上流行的4种常用填料（枝链型聚苯乙烯XLPS、丙烯酸酷XLA、对苯二酸ACID和水）对模料性能的影响见表2-6～表2-8和图2-1（前三种填料加入的质量分数分别为20%和40%；水为12%和24%）。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能由表2-6～表2-8可见，加入填料后模料体膨胀、线收缩和蜡模表面缩陷均明显减小；熔化温度变化不大；黏度有不同程度增加；灰分虽有所增加，但仍保持在标准规定的范围内（≤0.05%）；加入固体填料后模料强度、硬度提高，刚性增大，但塑性下降，见图2-1曲线2，加入液体填料则相反。虽然不同填料对模料性能都有类似的影响，但相互之间仍存在某些差异。例如，XLA填料模料制蜡模的尺寸稳定性最好，但价格较高；ACID填料模料价格便宜，性能也不错，但密度较大，填料容易从模料中沉淀分离；水基填料模料力学性能虽不及固体填料模料，但价格便宜，有利于环保。总之没有一种模料十全十美，关键是精铸厂家要善于根据本厂的具体需求适当选择。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能2.亲水填料模料用水作填料的模料又称乳化蜡，具有收缩小，制成蜡模尺寸精度较高，与涂料的润湿性良好，成本较低等特点。但由于水分容易蒸发，蜡膏的稳定性较差。针对这一问题，20世纪90年代初，美国着手开发以某种亲水物质为填料的模料并取得成功。与传统的乳化蜡不同，这种亲水填料在任何一种蜡或树脂中都能保持均匀的分散状态，而且蒸发速度慢，因而具有优良的稳定性。试验表明，不断搅拌的条件下，模料可以保持原始状态达16天之久，亲水填料的质量分数经实际测定仅在66℃并减少了1%。其收缩小，灰分极少，能用现行的压注工艺参数压制各种蜡模，而且容易起模，减少了脱模剂的用量，蜡模质量进一步改善，目前已成功用于生产航空、军品、医疗以及某些商用铸件。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能目前大多数精铸厂家都是采用蒸汽脱蜡法。脱出的蜡中常含有质量分数5%～15%的水分、15%～35%填料（对填料蜡）和大约0.5%的陶资类夹杂物。回收处理过程的关键环节是将这些陶瓷类夹杂物从模料中除去，因为它们是模料中残留灰分的主要来源。国内目前绝大多数使用树脂基模料的精铸厂回收处理方法不外乎除水和静置沉降，更先进的方法是采用高效优质多次过滤和离心分离。2.2.4其他模料的组成及性能为进一步解决蜡基模料和松香基模料因软化而引起的熔模变形问题，生产中研制和使用了塑料模料、可溶性模料和填充模料。塑料模料多数使用聚苯乙烯塑料。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能聚苯乙烯塑料模分为聚苯乙烯压制塑料模和聚苯乙烯泡沫塑料模。聚苯乙烯压制塑料模尺寸精度高，抗变形性好，但在烧失塑料模时型壳易产生裂纹。聚苯乙烯泡沫塑料模密度小，强度高，热稳定性好，收缩率小，但制模工艺复杂，模组组合不便，塑料模表面较粗糙，适用于制造大型铸件的熔模。可溶性模料多用尿素。在制造内腔形状比较复杂的铸件熔模时，在压型中不能或难以用金属芯来成型，此时可用尿素制成可溶性型芯，在压注熔模之前把尿素芯定位于压型中，制模后将带有尿素型芯的熔模放入溶解介质（水或酸液）中，尿素型芯被溶解掉而获得空心的熔模。上一页下一页返回2.2模料的成分及性能填充模料用的最多的是固体颗粒或粉末状模料。固体填料的种类较多，其中有聚乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、橡胶、尿素粉和碳黑等，填料占模料重量的10%以上。固体填料能减少模料在凝固时放出的潜热，加快模料的冷却，减小收缩，提高强度和热稳定性。使用固填料能解决一般模料在制模时产生的熔模表面凹陷、变形及尺寸精度不高等问题。上一页返回2.3模料的制备模料的制备主要包括配制模料和调制糊状模料，它的全过程是：按照模料的成分及配比，将原材料熔融和混合，搅拌均匀，滤去杂质，浇成块状或调制成糊状待用。2.3.1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，而后在冷却条件下，将模料剧烈搅拌，使模料成为糊膏状态供压制熔模用有时将模料熔化为液体直接浇注熔模。1.蜡基模料的配制石蜡一硬脂酸模料的配制工艺是熔化、过滤和搅拌成糊状。下一页返回2.3模料的制备（1）称料按比例称取石蜡和硬脂酸，破碎成小块。（2）熔化因为蜡基模料原材料的熔点都低于100℃，为防止模料熔化时温度太高所产生的分解碳化现象，大多采用水浴式熔化装置，利用电或蒸汽加热水，以水为媒介，把热量通过蜡桶传给模料，使模料熔化。图2-2为一种利用电加热器加热熔化模料的装置。若将该装置中的电加热器拆除，往水箱中通入蒸汽，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℃。否则石蜡会发生“树脂化”，模料颜色逐渐变成黑褐色，使模料塑性降低，发脆，收缩率增大，从而降低模料性能。蜡桶最好用不锈钢板制成，也可用铝合金板制成。上一页下一页返回2.3模料的制备（3）过滤对熔化后的模料要搅拌均匀用100目或140目筛过滤去除杂质。（4）搅拌成糊状模料由熔融状态冷却到糊状时必须搅拌，否则压制出的熔模表面不光（如出现“白点”、“皱皮”等）及凹凸不平。将1/3左右的熔融蜡料和2/3的固态小块蜡料放在搅拌机的料桶内，旋转的浆叶把固态蜡块充分粉碎，并与液态模料均匀混合成糊状。搅拌机常用转速为750～3000r/min。搅拌过程中不可避免有气体混入模料中，少量的混入气体有助于熔模的轮廓清晰和减少熔失熔模时模料的膨胀，但过多的混入气体会导致熔模内产生气泡。所以搅拌时应尽量保持模料表面平稳，制模时最好少搅拌模料。上一页下一页返回2.3模料的制备2.树脂类原材料的配制主要是指某种天然或人造的玻璃态有机物。常见的有松香及其衍生物、砧烯树脂、墟拍树脂、达玛树脂，以及紫胶等。模料中常用的树脂类材料主要有松香及其衍生物和砧烯树脂等天然或人造树脂。它们在常温下都是玻璃态非晶质材料，基本特征是硬而脆。这类材料是树脂基模料的基本组元，因为它们在石蜡中的溶解度很小。树脂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，并且它们的溶合物又能溶于松香中。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。上一页下一页返回2.3模料的制备②将川蜡和地蜡各取一半放入不锈钢柑祸内熔化。松香基模料的熔化多采用工频化蜡炉或电阻柑祸炉，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将川蜡和地蜡化清后，升温至140℃，在搅拌的情况下徐徐加入聚乙烯，使聚乙烯全部溶解并混合均匀。再升温至220℃，加入松香，搅拌至全部溶化，最后加入剩余的川蜡和地蜡，搅拌混合均匀。①溶化好的模料在210℃时静置20～30min，以排除气体。冷却至180℃，用140目筛过滤去除杂质。⑤最后在降温情况下对模料进行搅拌，使成糊状（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。上一页下一页返回2.3模料的制备3.水溶性模料的配制采用诸如尿素、硝酸盐或硫酸盐等水溶性材料制作模样，这类材料收缩小，刚性大，耐热性好，脱模用水或稀酸溶解而无须加热熔化，脱蜡时胀裂型壳的可能性小。但也存在密度大，易吸潮，熔点高，质脆等缺点此外，此类模料只能在较高温度下自由浇注成形，生产效率低20世纪70年代瑞士Sulzer公司首先提出将尿素粉与热塑性树脂（如聚乙二醇）和某些憎水添加剂（如煤油、硅油、植物油或脂肪等）混合，在低于尿素熔点的温度下高压压注成形，常称为SUP法。用此法所得的溶模变形极小，还可用机械加工方法精确修整，因此尺寸精度高。由于尿素价格比蜡便宜，又可在较低温度下压注成形，适合大批量制模，在日本应用相当普遍。上一页下一页返回2.3模料的制备另一种水溶性模料是以水溶性高聚物聚乙二醇为基的模料，用这种模料制成的型毖俗称“碳芯”。这种模料也可在较低温度下压注成形，但由于聚乙二醇价格较贵一般只用作型芯而不用作模样。值得指出的是，无论哪种水溶性模料都有潮解的趋向，所以用它制作的模样或型芯都必须保存在干燥的环境中（如相对湿度40%以下）。此外制壳用涂料还应选用硅酸乙酷类醇基涂料而不宜用硅溶胶等水基涂料。4.尿干粉充填模料的配制（1）尿素的处理①把尿素块放在清洁干净的容器内粉碎，并用24目筛过筛。②将过筛的尿素在120℃烘烤5小时以上，去除水分。③用40～50目筛过筛后放入干燥的容器内备用。上一页下一页返回2.3模料的制备（2）配制模料①按配比称取尿干粉、失水苹果酸树脂、硬脂酸和地蜡。②先将硬脂酸和地蜡放入干净的不锈钢柑祸内，通电熔化，然后加入失水苹果酸树脂，待全部熔化后升温至200℃，用120目筛过滤，去除杂质。③将过滤的混合物冷却至130℃～135℃在不断搅拌的情况下，徐徐加入尿干粉，继续搅拌20～30分钟，直到模料混合均匀，无气泡为止。配制这种模料时，应注意防止过热，控制尿干粉加入时的温度，避免产生大量气体（NH3）该模料配好后应直接用于压制熔模，不宜制成锭块。上一页下一页返回2.3模料的制备5.商品化模料的种类国产模料中以北京正大德技术开发中心的DDW和上海康沂模料厂的WM系列模料最具代表性。北京PBD公司代理的MASTER模料（美国Kindt-CollinsCo.生产）、深圳FOSECO公司代理的CASTYLENE精铸用蜡（英国Yates.Co生产）以及厦门金远佳公司代理的K512模料（日本石蜡株式会社生产）已于20世纪90年代后先后进入国内市场。其他还有BlaysonOlefinesLtd生产的BlaysonOlefines精铸用蜡、德国M.Arguiesog&Co.Inc.的CERITA精铸用蜡等在国际上都有一定的影响。上一页下一页返回2.3模料的制备2.3.2石蜡-硬脂酸模料的回收和处理1.目的石蜡的活性很低，它基本上属于中性。硬脂酸属于弱酸，在液态时有明显的酸性特征，温度愈高酸性也愈强。所以石蜡-硬脂酸模料能和一些金属起置换反应，和一些碱性物质起中和反应，也能和一些盐溶液起复分解反应。这些反应统称之为皂化反应，反应产物就是通常所说的皂化物。例如，用铝质容器化蜡时，生成硬脂酸铝：与水玻璃中的Na2O反应生成硬脂酸纳；与硬化剂中的NH4OH反应生成硬脂酸钱；与来自水中的Ca2+、Mg2+离子发生反应生成硬脂酸钙和硬脂酸镁；与铁质容器或工具接触时生成硬脂酸铁。上一页下一页返回2.3模料的制备上述反应生成的硬脂盐都能与模料均匀混合，因而使性能逐渐恶化。这表现在灰分增大（＞100℃），凝固点增高（＞60℃），收缩率增大（＞200℃），流动性降低，涂挂性变坏，强度低，脆性大。使蜡模表面光洁度降低，模料颜色由黄白色变成黄褐色至红褐色。此外，模料中的低沸点物质挥发，高沸点物质组织上也发生变化。如石蜡过热（＞90℃）时开始树脂化并析出碳分，使用过程中还会混入各种杂质等，所有这些就使模料变质。在化蜡、制模、制壳和脱蜡过程中，模料总不免要同一些工具和容器接触，因而皂化以及其他一些污染因索是不可避免的。为了使模料恢复性能，继续使用，减少原材料消耗，降低成本，就需要进行再生处理。常用的处理方法有酸处理法、电解法和活性白土法等。上一页下一页返回2.3模料的制备2.酸处理法酸处理法的原理是在回用模料中加入硫酸或盐酸，使硬脂酸盐还原为硬脂酸。生成的盐多属水溶性的，因此处理时加适量水即可使之与模料分离。处理工艺是：在处理缸中加入占回收模料25%～35%的水，然后通蒸汽升温，加浓硫酸（2%～3%）或工业盐酸（3%～5%），加入旧蜡。全熔后在沸腾状态下保持1～2小时，使蜡液中无白色皂化物并呈褐色或黄色纯净液体。静置2小时左右，使杂质下沉到底部。将上部清液用泵或搪瓷勺取出过滤，浇入瓷盘或专用锭模中冷却。容器底部的污物待凝固之后清除干净。处理温度控制在100℃左右。加热最好用蒸汽，因沸腾作用好，可使模料与酸充分接触，处理后模料的质量好。但蒸汽会带入水分，故须根据生产经验适当调整酸和水量。用电加热时，模料易过热而碳化发黑，质量较差。上一页下一页返回2.3模料的制备多数硬脂酸盐是可以用酸处理法去除的，但对硬脂酸铁是无效的。因为硬脂酸同三价铁离子的亲和力特别强，复分解反应的可逆性大。加酸后很容易达到平衡；非但如此，甚至酸中的少量铁离子也会与硬脂酸作用，生成更多的硬脂酸铁。要使反应继续向右进行，必须打破上述化学平衡，这用一般化学方法是难以做到的，比较有效的方法就是电解。3.电解处理法电解法处理旧蜡是用盐酸做电解质。当电压超过盐酸的电解电压（1.36V）时，在电解槽的阳极上就产生活性很强的新生态氯，在阴极上产生新生态氢。上一页下一页返回2.3模料的制备由于新生态氯有很强的氧化能力，就从硬脂酸铁中夺取Fe3+，形成FeCl3。阴极上的新生态氢还可使Fe3+还原成Fe2+，即不断使FeCl3还原为FeCl2，从而使硬脂酸铁还原为硬脂酸的反应能充分进行，蜡料得以净化。电解处理后的蜡料性能和色泽都比较好。此法的缺点是设备比较复杂，生产率低。处理过程产生刺激性味道，需加强通风。4.活性白土处理法活性白土也称漂白土，它是一种膨润土，有天然和人工活化的两种。膨润土的矿物组成主要是蒙托石，其单位晶层是由两层硅氧四面体中间夹着一层铝氧八面体组成。两相邻的单位晶层间不形成氢键，靠一般分子力相结合，所以蒙托石单位晶层之间结合不牢，存在着间隙，因而具有一定的吸附能力，但须加入多量才有显著的吸附效果。上一页下一页返回2.3模料的制备膨润土经稀硫酸或盐酸处理后，其中的铝、铁等金属氧化物部分溶于酸中，而SiO2不溶于酸。由于这些金属氧化物的溶出，孔隙度增大，表面积也大大增加了。故具有很好的吸附能力，此外，酸化处理后形成的一些铝盐或铁盐都是良好的凝聚剂。因此，旧模料用活性白士处理，可将蜡料中的杂质吸附在它周围并凝聚沉淀从而使模料得以净化。处理工艺是先用盐酸处理模料，然后加热至110℃。再加入占模料质量10%～15%的200目干活性白土（活性白土必须干燥），边加边搅拌。加完之后继续搅拌20分钟左右。使土与蜡充分接触。然后保温沉淀1～1.5小时以上，再进行真空过滤。若无真空设备时，也可以长时间（4～5小时）保温静置。处理后的模料呈乳白色，涂挂性能良好。为防止模料变脆，处理温度最好不高于110℃。上一页下一页返回2.3模料的制备此法的优点是工艺简便，成本低廉，模料质量也好。有的工厂日常处理是用酸法，使用一定时间后（通常为半年左右）用活性白土处理一次。此法很宜于处理长期使用的下脚蜡料。需要指出，旧蜡处理虽然可以恢复性能，解决回用问题，但毕竞是增加了工序。电解法回收时，尚需特殊设备为减少对模料的污染，尽量不与铁质容器和工具接触，以简化工艺。2.3.3树脂基模料的回收和处理国内目前绝大多数使用树脂基模料的精铸厂回收处理方法不外乎除水和静置沉降。为了使其中的夹杂物最大限度地分离出去，通常需要在高温下长期滞留，因此模料容易氧化变质，灰分也会越集越多，以致最终无法正常使用。上一页下一页返回2.3模料的制备如果沉降物不够密实，回收处理的收得率也不会很高。更先进的方法是采用高效优质多次过滤和离心分离，以加快处理过程并获得更纯净的模料。由此所得模料仍应视为“回收模料”，还不能算作“再生模料”。只有添加适当组分，使模料性能经严格检验达到标准规定的要求后才能视为再生模料。上一页返回2.4熔模制造工艺及模组的组合2.4.1熔模制造工艺影响熔模质量的主要工艺参数有：压注时模料温度、（压射蜡温）、压射压力、充型时间或充型速度、保压时间以及取模时间等。1.压注时模料温度蜡基和树脂基模料压注时模料温度对熔模尺寸均有明显影响，在压射温度范围（膏状或糊状区）影响更大两者相比，蜡基模料影响更为严重。2.压注压力对熔模尺寸的影响蜡基和树脂基模料压注时压力对熔模尺寸均有影响，而这种影响在压力较小时（小于1MPa）较显著。下一页返回2.4熔模制造工艺及模组的组合3.充型时间（即充型速度）对熔模尺寸的影响充型越快（充型时间短）熔模收缩越大。目前国产压蜡机一般不能在保持压注压力的前提下控制充型速度，增大压力就一定会加快充型速度，反而可能使熔模收缩率增大。4.保压时间对熔模尺寸的影响保压时间对熔模尺寸有明显影响，熔模越厚影响越大。5.取模时间对熔模尺寸的影响取模时间越长熔模收缩率越小，但超过一定时间后这种效果就不明显了。6.压型温度对熔模尺寸的影响压型温度越高熔模收缩率越大。上一页下一页返回2.4熔模制造工艺及模组的组合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，而多数采用把糊状模料压入压型的方法制造熔模。在制模时。为便于从压型中取出熔模及提高熔模表面质量，需先在压型的型腔表面涂一层分型剂，应做到涂层稀薄均匀，不可过调或局部堆积，以防产生“油纹”及“钻模”等。压制蜡基模料时，分型剂常用变压器油或1∶1的酒精与蓖麻油的混合液。压制松香基模料时，常用低黏度的硅油或质量好的乳化硅油，把模料压入压型的方法分为柱塞加压法、气压法和活塞加压法。（1）柱塞加压法如图2-3所示，把压蜡桶装满模料，对准压型的注蜡口，加力于柱塞上，把模料压入压型内此法最简单，用于手工压制熔模，但所加压力较小，只适用于压制蜡基模料，生产率较低。上一页下一页返回2.4熔模制造工艺及模组的组合（2）气压法原理如图2-4所示，将模料装入密封的保温罐中，向罐内通入0.2～0.3MPa的压缩空气，将模料经导管压向蜡枪。制模时，只需将蜡枪的压蜡嘴压在压型的注蜡口上，压下蜡枪，进出蜡管接通，模料在气压下压入压型。当放松蜡枪时，由于弹簧的作用切断了模料通道。压射模料停止此法适用于压制蜡基模料。（3）活塞加压法如图2-5所示，压力机向活塞上加压，把模料压入压型中。因所加压力较大，常用于压制松香基模料。熔模从压型中取出后。应放在冷水中冷却2～3h，再经过检验和修整，合格的熔模要妥善存放，以防变形制模主要工艺参数见表2-9。上一页下一页返回2.4熔模制造工艺及模组的组合对于浇直口棒多采用浸挂法制作把木棒或铝棒浸入55℃～60℃的模料中，形成一层蜡壳后取出，冷凝后再浸挂一层，每层厚0.5～1.0mm，一般挂3～4层，总厚度为2～3mm，如图2-6所示。2.4.2模组的组装1.熔模的检验和修整熔模在组合前必须经过清理和修整，将熔模上的毛刺及飞边用刀刮修，用毛刷刷去表面脏物。清理后的熔模应仔细进行外观、几何形状及尺寸检验，不符合要求的熔模必须经过修补，校正或作报废处理。（1）熔模的外观及尺寸检验熔模应按照工艺规范进行表面质量检验。为便于检验表面质量，可在模料中附加油溶性染料，将模料染色，制备带色熔模。上一页下一页返回2.4熔模制造工艺及模组的组合熔模上不应有外露缺陷，如“缩陷”、“气泡”等，同时不应有蜡滴或其他脏物。对需要进行荧光检验的铸件，其熔模要用放大镜（一般为16倍）检验表面质量，不允许有小凹坑和微裂纹存在。对于尺寸精度要求高的熔模，如叶片类铸件，都要进行几何形状和尺寸检验。一般的检验方法是采用卡尺、千分尺、样板及专用测具进行逐个检验，或者按比例抽查。要求高的带型芯熔模需经过X光透视或穿孔检查，检验熔模中型芯位置是否正确等。（2）熔模的修补和校正熔模表面的凹坑和微裂纹，可用同种模料修补平整，或采用地蜡及其他混合模料修补，如石蜡、酒精（或丙酮）和二氯乙烷乙烯的混合物等。对于熔模表面不光处，可用纱布浸渍四氯化碳后，用手工抛光。上一页下一页返回2.4熔模制造工艺及模组的组合为校正变形的熔模，必须将熔模放入温水中浸泡或用红外线、酒精灯加热，待其变软后，用手小心地将熔模变形部位按照校正样板的形状进行校正。熔模经一次校正后还会变形，因此须待其充分冷却后，再重复校正1～2次。2.熔模的组合模组是将挂有模料的直浇日棒放在卡具上，用电热刀把熔模、内浇道和直浇道焊成一体。组装模组是设计浇冒口系统工作的一部分，因而除应考虑浇冒口系统设计的基本原则外，还应注意以下几点。①模组上熔模沿直浇道的轴线要有一定的倾斜角（一般为60°～80°），以使熔失熔模时模料便于流出。②模组上熔模相互间位置应排列整齐，熔模之间应有一定距离（一般不小于6mm），使制壳及切割工作便于进行。上一页下一页返回2.4熔模制造工艺及模组的组合③模组的焊接部分不得有尖角及毛刺，焊接处应平滑且具有足够强度，避免熔模脱落或造成“冲砂”缺陷。上一页返回表2-1模料原材料的种类及技术数据返回表2-2蜡基模料的配比返回表2-3蜡基模料的技术性能返回表2-4树脂基模料的配比返回表2-5树脂基模料的技术性能返回表2-6填料对模料物理性能的影响返回表2-7填料对模料的影响返回表2-8填料对模料力学性能的影响返回图2-1填料对模料力学性能的影响1-无填料模料；2-填料模制返回图2-2熔化蜡基模料的加热槽1-绝热层；2-温度计；3-盖；4-模料；5-水；6-蜡桶；7-加热器返回图2-3柱塞加压法返回图2-4气压式压蜡机及手压式蜡枪（a）压蜡机不意图；（b）乎压式压蜡枪1-压蜡枪；2-气管；3-压盖；4-电热器；5-蜡浆；6-软管；7-进水管；8-手柄；9-弹簧；10-蜡管；11-水管；12-回水管；13-进蜡管返回图2-5活塞压法压制熔模返回图2-6浸挂模料的直浇口1-直浇口棒芯；2-模料层返回表2-9制模主要工艺参数返回第3章制壳材料及其基础知识导语3.1对型壳性能的要求3.2制壳耐火材料3.3制壳黏结材料3.4耐火涂料的配制导语熔模铸造的铸型目前普遍采用的是用多层耐火材料制成的型壳。将模组浸涂耐火涂料后，撒上粒状耐火材料，经过干燥、硬化，如此反复多次，使耐火材料层达到所需的厚度为止，这样就在模组上形成了型壳，将其停放一段时间，使其充分硬化，然后熔失熔模、焙烧，便获得无分型面的耐火型壳。型壳的质量和性能对铸件精度和表面质量影响很大，因此，制壳是熔模铸造中很关键的一个环节。在熔失熔模时，型壳会受到体积正在增大的熔融模料的压力；在焙烧和浇注时，型壳各部分会相互牵制而产生不均匀的膨胀和收缩，使型壳内产生应力；在浇注时，型壳受高温金属液的冲力、压力及热冲击；金属还可能与型壳材料发生化学反应。下一页返回导语因此，要求型壳具有一定的性能，如小的膨胀率和收缩率；高的机械强度、耐火度和高温下的化学稳定性；型壳还应有一定的透气性，以便在浇注时型壳内的气体能顺利逸出。型壳的这些性能都与制壳时所用的材料及制壳工艺有关。制壳材料包括耐火材料、黏结剂、溶剂、硬化剂、表面活性剂等。其中耐火材料和黏结剂直接形成型壳，是主要的制壳材料。熔模铸造铸型大体可分为实体型和多层型壳两种，目前普遍采用的是多层型壳。多层型壳有的需要装箱填砂，有的不必装箱填砂，经焙烧后就可直接进行浇注，后者我们通常称之为高强度型壳。型壳最本质的特点是具有整体的、无分型面、发气性低的、光洁的型腔表面。熔模铸造能够获得表面光洁、尺寸精确的铸件，与型壳质量有着直接的关系，而型壳的质量又与制壳材料及制壳工艺有关。上一页返回3.1对型壳性能的要求优质的型壳对于获得优质的铸件是必不可少的。根据型壳的工作条件，对型壳提出了一些基本性能的要求。这些性能是：强度、透气性、热物理性能、热稳定性和高温下化学稳定性等。3.1.1强度强度是型壳最重要、最基本的性能。型壳应具有足够的常温和高温强度才有可能顺利地完成制壳过程并进行浇注。在脱蜡、焙烧和浇注时，型壳将受到各种应力的作用，若强度不够，型壳就会发生变形、裂纹或破碎从浇注开始至铸件凝固之前，由于高温液体金属的直接作用，型壳的工作条件极差，因此，对型壳的高温强度要求就显得更为重要。壳较长时间处于高温状态下，则还要求具有持久的高温强度。下一页返回3.1对型壳性能的要求随着铸件冷凝成形后，则要求型壳有好的退让性，也就是残留强度主要低，以免阻碍铸件收缩和便于脱壳清理。此外，型壳还应具有高的表面强度，以免因液体金属流的冲刷作用或搬运型壳时，内、外表层酥松、脱落。型壳的常温强度，主要是根据黏结物对颗粒材料的附着力和黏结物本身的内聚力以及型壳的宏观结构而定。对同一种黏结剂而言，型壳的强度随黏结剂与耐火材料的配比、耐火材料的粒度以及型壳的干燥硬化程度而变。不同的黏结剂型壳的强度也不同，在胶体SiO2含量相同的情况下，水玻璃型壳常温强度一般要比硅酸乙酯型壳高些。型壳的高温强度，除了与影响常温强度的因素有关外，在加热过程中强度发生变化主要与黏结剂和耐火材料的性质及其组成有关。上一页下一页返回3.1对型壳性能的要求例如采用水玻璃作黏结剂时，由于在加热过程中有液相出现而引起型壳软化，这时型壳强度显著下降。化学硬化愈不充分，这一现象愈严重。在以水玻璃作黏结剂的涂料中加入耐火黏土作增强剂时，就可显著地提高型壳的高温强度。又如采用石英作耐火材料时，在加热过程中因石英发生多晶转变伴随着体积变化，也会使型壳强度降低。3.1.2透气性透气性是指气体通过型壁的能力。尽管型壳的壁厚不大，但由于结构比较密实，因此，其透气性远比普通砂型来得小。虽然型壳是经过焙烧后热型浇注的，但因型腔中及型壁孔隙中充满着空气，或残存着某些发气物质，浇注时空气或发气物质产生的气体发生膨胀，如果型壳透气性不好，则气体不能顺利地迅速自型腔向外排出，就可能使铸件形成气孔或浇不足等缺陷。上一页下一页返回3.1对型壳性能的要求总的来说，透气性主要取决于型壳结构的密实程度。而黏给剂的性质及含量、耐火材料的性质及粒度等均是影响型壳透气性的主要因素。随着温度升高，型壁中孔隙度增大以及裂纹的产生，会提高透气性；而高温烧结及因温度升高气体黏度增大，则会使透气性下降。必须指出，对提高型壳透气性有利的因素，往往是对型壳强度不利的因素。图3-1、图3-2所不为某些因素对型壳透气性的影响。3.1.3热膨胀性物体受热时发生体积膨胀的现象称为热膨胀。型壳的热膨胀性主要取决于所用耐火材料的化学矿物组成。随着温度升高，膨胀增长量可能是均匀的，如电熔刚玉；也可能是不均匀的，如石英砂，在加热过程中由于发生多晶转变而引起体积变化的不均匀。上一页下一页返回3.1对型壳性能的要求试验表明，在制壳时，若配制涂料所用粉料与撒砂材料为两种不同的耐火材料，型壳的热膨胀性主要受膨胀量大的那种耐火材料的影响。应当指出，热膨胀性是型壳的一个重要性能，它与铸件精度有着直接的关系，精铸不精很重要的一个原因是由于制壳耐火材料热膨胀量大而不均匀所造成的。为了保证铸件有足够高的精度，往往要求采用热膨胀量小而均匀的耐火材料（如电熔刚玉、硅线石、莫来石等）。此外，热膨胀性还对型壳的热稳定性有着决定性的影响。3.1.4热稳定性热稳定性亦称抗急冷急热性或抗热冲击性，它是指型壳抵抗因温度急剧变化而不开裂的能力。上一页下一页返回3.1对型壳性能的要求型壳在焙烧或浇注时，要求具有良好的热稳定性。因为此时内表层同高温液体金属直接接触，受到剧烈的热冲击瞬时间内表层温度突然升高，而型壳的外层温度上升较慢（升温速度取决于型壳的导热能力）。这样，沿着型壁厚度上就存在着温度差，相应地各层间的热膨胀量也不同，因而就产生了热应力，内层受压应力，外层受拉应力当应力超过型壳在该温度下的强度极限时，就产生自外表面向内的裂纹，严重时则贯穿于整个型壁而造成型壳破裂。热稳定性是型壳的一个重要性能，而应力的产生是使型壳破裂的主要原因。型壳发生破裂的可能性是随着热膨胀系数、弹性模数以及液体金属和型壳的温差之减少而减少；随着型壳的导热系数和强度极限之增大而减少。上一页下一页返回3.1对型壳性能的要求实践证明，影响型壳热稳定性的主要因素是型壳的热膨胀性以及浇注时液体金属与型壳的温差。石英的热膨胀系数大，且在加热过程中发生多晶转变时伴随着体积膨胀，因此，用石英砂（粉）制成的型壳热稳定性差，浇注时型壳的温度不宜太低。如要进行低温或冷型壳浇注，就应采用热稳定性好的制壳耐火材料（如铝-硅系耐火材料）。此外，型壳的结构也对应力有一定的影响。例如，采用粒度较粗的撒砂材料，因使型壁中的孔隙增大，这样，当型壳受热膨胀时，颗粒之间可作微小的位移，从而减少内应力。3.1.5高温下化学稳定性高温下化学稳定性是指型壳与高温液体金属接触时不发生相互化学作用的性能。型壳的高温下化学稳定性如果不好，浇注后容易与金属发生相互化学作用而造成铸件某些表面缺陷，如黏砂、麻点等。上一页下一页返回3.1对型壳性能的要求型壳的高温下化学稳定性主要取决于制壳原材料的性质及其中有害杂质的含量。既然是由于相互作用的结果，因而也与浇注金属本身的性质有关，此外，还与浇注过程中周围的气氛有关。例如，用水玻璃-石英砂（粉）制得的型壳，当原材料中氧化铁及碱性氧化物（如CaO、MgO、K2O及Na2O）等有害杂质含量不超过许可范围时，浇注碳索钢铸件并不发生黏砂，然而浇注高锰钢铸件，就会产生化学黏砂。这是由于型壳中的SiO2在高温下的化学性质是属于酸性，而高锰钢因氧化所形成的MnO会与SiO2形成一系列的低熔点化合物。又如用石英砂（粉）的型壳浇注含镍、铬的合金钢铸件很容易产生麻点。但当以刚玉或锆英砂代替石英砂制壳时，则麻点就显著地减少。因此，在选用制壳原材料时，应同时考虑到浇注合金的种类及其性质。上一页返回3.2制壳耐火材料耐火材料是制造型壳的基本材料。型壳的一些主要性能都与耐火材料的物理、化学性质有关。按其定义来说，耐火材料的耐火度应不低于1580℃，且具有一定的热稳定性、高温下化学稳定性和结构强度。作为熔模铸造的制壳材料，除了耐火材料这些应有的性质之外，还应有合适的粒度、强度和透气性的要求；在常温下不与黏结剂起化学作用，以免影响涂料的性质，同时，应来源丰富易得、价格便宜以及对人体健康无严重不良影响等。国外制壳耐火材料使用情况是：面层用的耐火材料有石英、硅线石及锆英石，以后石英及硅线石不用了，而使用高岭石类耐火黏土、电熔刚玉及石英玻璃等。加固层耐火材料旱期曾用硅线石，随后主要用石英玻璃、耐火黏土熟料、石英及锆英石等。下一页返回3.2制壳耐火材料至1968年后石英玻璃、高岭石类耐火黏土得到进一步使用，也开始使用莫来石，而硅线石则不用了。此外，也还有用氧化镁、氧化钙等作为制壳耐火材料。在国内，最初是用石英及电熔刚玉两种。后来又采用了铝-硅系耐火材料，如耐火黏土及耐火熟料（铝矾土熟料）以及锆英石。耐火材料的化学成分主要是一些氧化物及其化合物。按其高温下的化学性质有酸性、碱性及两性的。熔模铸造中常用的几种制壳耐火材料的主要物理、化学性质列于表3-1。图3-3所不为壳耐火材料的线膨胀曲线。3.2.1石英石英是二氧化硅（SiO2）在自然界存在的一种形态。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料铸造用的石英砂（粉）可分为天然的和人造的两种，前者来自河岸或砂丘上，后者是由石英石经机械破碎而成。石英砂（粉）是一种来源丰富、价格低廉的制壳耐火材料。熔模铸造通常采用的是人造石英砂（粉）。SiO2因是兼有离子键和共价键结合的氧化物，所以它是一种具有复杂同质多晶转化的物质，共有七个基本晶型变体和一个非晶型变体，即

石英、

石英、

鳞石英、

鳞石英、

鳞石英、

方石英、

方石英及石英玻璃。加热时发生的多晶转化，石英晶体颗粒体积发生膨胀，膨胀有两方面的原因：一是因温度升高产生的热膨胀，二是在温度升高时因石英相变而发生相变膨胀。随温度升高的热膨胀比较缓慢，对型壳质量影响较小，而石英的相变膨胀对型壳质量影响较大，应子以高度重视石英存在着复杂的同索异晶现象，如图3-4所示。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料自然界的石英多为尽石英。始加热时，尽石英随温度升高而均匀膨胀，在573℃时转变成

石英，因晶型转变而发生突然膨胀（相变体积膨胀达0.82%）

石英在870℃以上会转变成

鳞石英，但转变很慢，升高温度虽可以加快转变，即使在1250℃～1350℃亦需要1小时左右才能完成，此时体积增大。在铸造的实际条件下发生的可能性较小，程度也较轻微，故对型壳状态的影响不大。SiO2在加热过程中发生多晶转化时体积发生变化的现象，对型壳的热稳定性影响较大。转化作用进行得愈迅速，体积变化愈快愈大，则热稳定性愈差。石英在高温下呈酸性，熔化温度为1713℃，当含有杂质时熔点降低。熔模铸造用的人造石英砂（粉），规定其SiO2及有害杂质含量列于表3-2。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料石英砂（粉）适用于碳钢、低合金钢、铸铁及铜合金铸件。对于高锰钢及高合金钢铸件，含镍＜10%，铬＜20%或含有铝、钛、锰的合金钢铸件，由于铬、镍、钛、锰、铝等合金元素在高温下易与酸性SiO2发生化学作用，造成铸件表面麻点及黏砂缺陷，故不宜应用硅石材料。此外，在真空下浇注时，SiO2和耐热合金中的活性元素如Ti相互作用而产生下述反应，这些元素在高温下会与酸性型壳发生侵蚀作用：由于SiO2蒸气的逸出，液体Si溶于金属液中，致使上述反应不断进行Ti损失很多。所以对此类合金在真空下浇注时，不能采用硅砂（粉）作为制壳耐火材料。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料应用硅酸乙酯水解液作黏结剂时，硅石粉中如无强碱金属氧化物（K2O、Na2O）存在，则碱土金属氧化物质量分数（CaO、MgO）允许达0.8%；但若再高就会降低硅酸乙酯水解液的稳定性，使涂料发生凝结。硅砂（粉）型壳的热震稳定性（耐急冷急热性）较差，其高温强度也比铝-硅系耐火材料型壳低；但此类型壳的残留强度低、脱壳性好且其价格低廉、资源丰富，故至今硅砂（粉）仍是国内熔模铸造生产中广泛应用的主要制壳材料之一。硅石粉尘对人体健康有害，会造成硅肺病，故应注意工作环境的除尘排气。石英砂（粉）熔模铸造通常采用人造石英砂（粉），要求：WSiO2

≥97%，面层硅砂的粒度为0.425mm、0.3mm、0.212mm、0.15mm，加固层用硅砂的粒度为0.6～1.0mm的硅砂粉，在0.075mm筛上的残留量≤10%，在0.106mm筛上的残留量≤5%。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料3.2.2电熔刚玉在2000℃～2400℃时将铝矾土在电炉内和碳反应，去除SiO2、Fe2O3等杂质，熔融后制得结晶

Al2O3称为电熔刚玉。纯

Al2O3的熔点很高（2050℃），在此温度以下均处于稳定状态。与石英相比，刚玉的熔点高、相对密度大、结构致密、导热性好、热膨胀小且均匀，在由室温加热至2000℃其膨胀总量约为2%。刚玉属两性氧化物，但在高温下常呈弱碱性，有时也呈中性，对酸和碱的抵抗能力强，在氧化剂、还原剂或各种金属液的作用下，不发生变化。因此，用电熔刚玉比用石英制得的型壳，其尺寸稳定性、热稳定性及高温下化学稳定性均好。铝、锰、铁、硅、锡、钴及银等都不与它发生反应。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料因此，电熔刚玉可用作高合金钢、各种特殊耐热合金和镁合金铸件的制壳耐火材料，也可以用于制作陶瓷型芯。但目前价格较贵（约为石英砂的10倍），且来源较缺。熔模铸造用刚玉的技术规格：≥95%，≤0.25%，≤0.15%，≤0.6%，耐火度≥1850℃；颗粒材料的粒度要求与硅砂相同。目前刚玉仅用于铸造耐热不锈钢、超级耐热高温合金和表面质量要求较高的各类铸件。3.2.3铝-硅系制壳耐火材料目前在熔模铸造中正在迅速地发展铝硅系耐火材料。铝-硅系耐火材料，由于具有耐火度高、线膨胀比石英及刚玉小、热稳定性和高温下化学稳定性较好，因此国外应用较多。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料我国这类材料主要有：高岭石类耐火黏土（生料及熟料）及高铝质耐火熟料（铝矾土熟料）。铝-硅系耐火材料是以Al2O3及SiO2为主要组成的铝硅酸盐，随着Al2O3含量不同可依次分为半硅质（Al2O3含量15%～30%）、黏土质（Al2O3含量30%～46%）和高铝质（Al2O3含量＞46%）。除了主要成分Al2O3及SiO2外，还有少量其他成分，如Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O及K2O等，这些都称之为杂质。铝硅酸盐耐火材料的相组成是随化学组成而变的，而相组成对耐火材料的耐火性起着决定性的影响。图3-5是Al2O3

-SiO2二元系统平衡状态图，它表明了铝硅酸盐的理论相组成及其随化学组成和温度的变化状况耐火黏土有软质和硬质黏土两种。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料软质黏土属于半硅质耐火材料，结构疏松，硬度低，Al2O3含量低，杂质含量较多，吸水膨胀大，用它配制的涂料黏度大而不稳定，可用它代替部分硅砂粉配制水玻璃涂料。用这种涂料制得的型壳强度高，焙烧后可直接浇注。硬质黏土属于黏土质耐火材料，结构致密，硬度高，耐火度高，煅烧后成为多孔质材料，黏结剂可以渗透到孔隙中，故用它制得的型壳强度较高一些工厂用它代替硅砂粉配制耐火涂料随着材料中Al2O3和SiO2含量的不同，材料的组成也发生变化。高岭石（Al2O3·SiO2）是高岭土的主要成分，其理论组成是Al2O339.48%、SiO246.6%及H2O13.92%，它经高温（1250℃～1400℃）煅烧成耐火熟料，其主要组成为莫来石和少量方石英，是一种线膨胀率很低的优良制壳耐火材料。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料硅线石（Al2O3·SiO2）的理论组成为Al2O362.9%、SiO239.1%，加热时线膨胀值小而均匀。在我国硅线石储量少，故少采用。莫来石（3Al2O3·2SiO2）也称高铝红柱石，其理论组成为Al2O371.8%、SiO228.2%，它的熔点高达1810℃，线膨胀率比刚玉还小，在加热过程中无同索异晶的变化，高温化学性能稳定，所以它是一种优良的耐火材料。但莫来石的天然矿物少，可用高岭石、硅线石、铝矾土等煅烧而得。铝矾土是一种含Al2O3较多的高铝质硅酸铝耐火材料，含Al2O350%～90%，其余为SiO2，也含有微量杂质如Fe2O3、TiO2、CaO、MgO等。它经煅烧后使用，其矿物组成是莫来石和刚玉。所以铝矾土的热膨胀小，热稳定性和耐火度高，制得型壳的高温强度和低温强度也大，对人体的危害比石英小，价格便宜，来源丰富，所以用铝矾土制造型壳，得到广泛发展。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料耐火黏土目前在我国熔模铸造中有两种使用情况：一种是把它经高温煅烧成耐火熟料，经破碎筛分，作为制壳耐火材料；另一种通常采用硬质黏土，经高温焙烧去除有机物质及结晶水，用它代替一部分石英粉配制水玻璃涂料。用此种涂料制得的型壳强度较高，无需填砂造型，经焙烧后即可直接浇注金属。Al2O3含量高的耐火黏土约含

Al2O344%、SiO44%，经烧后的矿物组成主要为莫来石和石英。因它是一种多孔质的材料，黏结剂可渗透到孔隙中去，故用它制得的型壳强度较高。一些工厂用它替代石英粉配制耐火涂料。图3-6为几种耐火材料的热膨胀曲线，由此图可见石英的热膨胀最大，且不均匀，而石英玻璃的热膨胀最小，而且均匀。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料3.2.4锆砂锆砂又称硅酸锆，是天然的矿物材料。其分子式为ZrO2–SiO2或ZrSiO4，理论组成（质量分数）为ZrO267.23%、SiO232.77%。它主要是酸性火成岩风化后，其母岩中锆英石随石英、铝矾土、独居石、铁铁矿、金红石、石榴石等冲至河床或海岸上形成的沉积矿床。因而天然锆石中总含有杂质。美国、澳大利亚、南非、肯尼亚、俄国、中国、埃及、印度和巴西等国均产锆砂，但优质矿源主要分布在美国、澳大利亚和南非。锆砂是一种末经深度加工的天然矿产材料，所以它的化学成分和纯度首先决于矿源和选矿处理。锆砂属四方晶系，密度变动范围较大3.9～4.9（g/cm3），莫氏硬度7～8，导热系数较大，热膨胀系数较小（46×10–71/℃），高纯度时其热化学稳定性好，是一种优质的制壳材料。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料锆砂主要被用于熔模型壳面层中，亦可用于过渡层中，作为涂料中耐火粉料和撒砂材料。锆砂中