第二章 熔模铸造.ppt

1、第二章 熔模铸造,概述,熔模铸造的发展史可以追溯到4000年前，埃及、中国和印度是最早起源的国家。,发 展 概 况,曾侯乙尊盘(战国早期),概述,发 展 概 况,概述,发 展 概 况,概述,发 展 概 况,概述,所谓熔模精密铸造工艺，简单说就是用易熔材料（如蜡料或塑料）制成可熔性模型（简称熔模或模型），在其上涂覆若干层特制的耐火涂料，经过硬化形成整体型壳，熔掉模型，焙烧后浇入金属液而得到铸件。,定义,2.1 概述：熔模铸造的原理及特点 2.1.1 原理：熔模铸造就是在蜡模（也可用树脂模）表面涂覆多层耐火材料，待硬化干燥后，加热将蜡模熔化，而获得具有与蜡模形状相应形状的型壳，再经焙烧之后进行浇注

2、而获得铸件的一种方法，故又称为失蜡铸造（Lost Wax Casting）。 随着生产技术水平不断提高。新的蜡模工艺不断出现，以及可供制模材料的品种日益增多，现在去模的方法己不再限于熔化，而且也不限于蜡模，也可用塑料模，但因习惯的原因，仍沿用原来名称。由于用这种方法获得的铸件具有较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度值，故又称为熔模精密铸造（Investment Casting）。,概述,典型的熔模铸造产品 熔模铸造特别适合于生产尺寸精度要求高，表面粗糙度值低，形状复杂的铸件，合金材料不受限制。 典型的产品主要有：定向凝固和单晶铸件、整流器、汽轮机叶片、静叶片、热交换器等。,发 展 概 况,概述,发

3、 展 概 况,2.1.2 熔模铸造的基本特点: 制壳时采用可熔化的一次模，因无需起模，故型壳为整体而无分型面，且型壳是由高温性能优良的耐火材料制成。 2.1.3 熔模铸造的主要优点如下：(与其它铸造方法相比) （1）铸件尺寸精度较高和表面粗糙度较低，可以浇注形状复杂的铸件，一般精度可达CT57级，粗糙度可达Ra2.5-6.3m； （2）可以铸造薄壁铸件以及重量很小的铸件,熔模铸件的最小壁厚可达0.5mm，重量可以小到几克； （3）可以铸造花纹精细的图案、文字、带有细槽和弯曲细孔的铸件；,（4）熔模铸件的外形和内腔形状几乎不受限制，可以制造出用砂型铸造、锻压、切削加工等方法难以制造的形状复杂的零

4、件，而且可以使有些组合件、焊接件在稍进行结构改进后直接铸造成整体零件，从而减轻零件重量、降低生产成本。 （5）铸造合金的类型几乎没有限制，常用来铸造合金钢件、碳钢件和耐热合金铸件； （6）生产批量没有限制，可以从单件到成批大量生产。 2.1.4.熔模铸造方法的缺点是：工艺复杂，生产周期长，不适用于生产轮廓尺寸很大的铸件。,2.1.5 熔模铸造工艺过程 见图2-1。可用熔模铸造法生产的合金种类有：碳素钢、合金钢、耐热合金、不锈钢、精密合金、永磁合金、轴承合金、铜合金、铝合金、钛合金和球墨铸铁等。,2.2 熔模的制造 熔模是形成型腔的模型，它的尺寸精度直接影响到成形铸件的尺寸精度和表面质量。所以为

5、获得高质量的熔模，首先必须选择合适的熔模材料即模料。,2.2.1 模料 模料性能的基本要求 对熔模模料性能的基本要求概括为： 热物理性能：主要指有合适的熔化温度和凝固区间、较小的热膨胀和收缩、较高的耐热性（软化点）和模料在液态时应无析出物，固态时无相变； 力学性能：主要有强度、硬度、塑性、柔韧性等。 工艺性能：主要有粘度（或流动性）、灰分、涂挂性等。,1） 熔化温度和凝固温度区间 模料熔化温度控制在5080之间，凝固温度区间则以610为宜。 2）热膨胀率和收缩率 模料的收缩率是是模料的重要性能指标之一，模料的热胀冷缩小，不仅可以提高熔模的尺寸精度，也可减少脱蜡时胀裂型壳的可能性。模料的线收缩率

6、一般应小于1.0%，好的模料线收缩率可达0.30.5%。 3）软化点：模料开始软化变形的温度。40。 耐热性是指温度升高时模料的抗软化变形的能力。模料的耐热性高，抗软化变形的能力强，模样的尺寸精度越高。 4）强度 熔模要有一定的强度，以保证在生产过程中不致损坏。模料的强度多用抗弯强度表示，其值一般不得低于2.0MPa，最好为5.08.0MPa。,5）硬度 为保持熔模的表面质量，模料应有足够得硬度，以防摩擦损伤。模料硬度通常以针入度表示。模料的针入度多在46度（1度0.1mm）。 6）流动性 为了完满充填压型型腔并清晰复制出棱角及精细部位，要求模料在压注时具有良好的流动性，但模料流动性过高，注入

7、型腔时容易形成紊流、飞溅，使熔模表面产生流线、气泡等缺陷，所以压注时模料的流动性要适当，不宜过高或过低。模料的流动性可通过温度和粘度控制，在90附近，模料粘度应为3.0X10-23.0X10-1Pa s。 7）涂挂性 模料的涂挂性直接影响型壳的表面质量，可以用熔模与粘结剂之间的接触角来衡量。 8）灰分 灰分是指模料经高温焙烧后的残灰。模料灰分含量高，经高温焙烧后残留于型壳中的灰分多，势必对铸件内部和表面质量产生不良影响。所以灰分也是模料重要的性能指标之一，应尽量降低模料的灰分含量。一般而言，模料的灰分应低于0.05%。,2.2.2 模料的分类,随着熔模铸造工艺的发展，模料的种类日益繁多，组成各

8、不相同。 1. 按组成模料的基体材料和性能的不同进行分类：可分为蜡基模料、树脂基模料、填料模料及水溶性模料等4类。 2. 按模料熔点的高低将其分为高温、中温和低温模料。3类。,2.2.2.1 蜡基模料,A .石蜡：饱和的固体碳氢化合物，含有20个以上碳原子烷烃的混合物。 分子通式：CnH2n+2,式中n=20-30。 晶态物质，冷却曲线有明显而确定的平台。耐热性较差，收缩率约为0.61.5%。针入度15度，硬度较低，因此配以硬脂酸。化学性质稳定，140以上分解碳化。 牌号：50，52,70.(熔模铸造用58-64)，对应其熔点。 N =30,熔点70，即70度石蜡。,B .硬脂酸：固体的饱和羧

9、酸（脂肪酸），分子式：C17H35COOH，提高熔模的表面强度和涂料的涂挂性（润湿能力） 与石蜡互溶，强度高，熔点高（2069），热稳定性好（工业用常含杂质油酸易氧化，降低稳定性），硬度大 石蜡与硬脂酸配合使用调整其比例来控制性能（软化点 强度等）（1:1） 石蜡含量增加，强度增高，热稳定性下降 硬脂酸含量增加，软化点、流动性、涂挂性提高，硬度提高，强度下降，凝固温度区间变窄,表2-2 石蜡硬脂酸（1：1）模料的主要性能,2.2.2.2 树脂基模料,松香：软化点7090 用途 常与蜡料、聚合物等混合蜡基模料 蜡基模料 优点：易于配制（熔点较低），复用性好。 不足：软化点过低，收缩率略大，硬脂酸

10、价格过高。 松香基模料 优点： 兼顾蜡基的长处，表面光亮、针入度小，常用于精度要求很高的铸件生产中。,2.2.2.3 填料模料,国外模料分类：填料模料和无填料模料 国外占模料市场50%以上份额。 作用：减少收缩，防止熔模变形和表面缺陷。 常用四种：枝链型聚苯乙烯；XLPS 冰烯醋酯；XLA 对苯二酸； 水。,2.2.3 熔模的配制及回收 2.2.3.1 模料的配制 配制工艺：是指按照模料的规定成分和配比，将各种原料熔融成液态， 混合并搅拌均匀，滤去杂质浇制成合乎要求的糊状模料直接使用，或浇注成锭块待用。,1. 蜡基模料的配制,因熔点低于100度，大多采用蒸汽加热或热水槽加热。 对熔化后的模料要

11、搅拌均匀，并用100号或140号筛过滤除去杂质。然后放入容器中，在冷却过程中将蜡料制成糊状。搅拌法二种。,熔化方法 水浴加热,旋转桨叶搅拌法,活塞搅拌法: 带孔活塞往复运动,2. 松香基模料的配制,B 注意：加料次序 聚合物、蜡料、松香,A 熔化设备：不锈钢电热锅（熔点高）,3. 模料配制工艺要点：,模料配制过程中应该注意的三点：,A 严格控制温度的升限和在高温下停留的时间。避免模料的烧损和变质。（防止局部过热）,B 合理安排各组元的加热顺序 原则：溶剂优先，互溶在前。,C 充分搅拌（互溶），滤去杂质（回收），保温静置（排气）,2.2.3.2 模料的回收,概念 去除模料中的杂质，恢复其性能的工

12、艺过程称之为模料的回收或复生。 2) 模料变质的原因（皂化反应）： 置换反应（Al、Fe） 中和反应（氧化钠、氨水） 复分解反应（Ca、Mg盐） 皂化物不溶于水-不易去除，影响模料性能，进一步降低铸件质量,使用松香基模料时，回收的模料用来制作浇冒口熔模 使用蜡基模料，脱模后所获模料可回收，再用来制造新的熔模 蜡基旧模料的性能变化 在循环使用时，模料的性能会变坏：脆性增大，灰尘增多，流动性下降，收缩率增大，颜色由白变褐，这些主要与模料中硬脂酸变质有关，也有其它原因。,蜡基模料变质的原因 （1） 蜡基模料中硬脂酸变质(发生皂化反应) l硬脂酸呈酸性，它能和化学活性比氢强的金属反应，如熔制熔模时，与

13、一些铝、铁工具接触便发生以下置换反应： 2Fe +6C17H35COOH = 2Fe（C17H35COO）3 + 3H2 2Al +6C17H35COOH = 2Al（C17H35COO）3 + 3H2 l 用水玻璃作型壳黏结剂时，硬脂酸会与NaOH发生中和反应： NaOH + C17H35COOH = C17H35COONa + H2O l在熔失熔模时，硬脂酸会和硬水中的Ca、Mg盐类起复分解反应： Ca（HCO3）2 + 2 C17H35COOH = Ca（C17H35COO）2 + CO2 + 2H2O 以上反应统称为皂化反应，所产生的硬脂酸盐称为皂盐或皂化物，大都不溶于水，但却能与模料

14、均匀混合使模料性能变坏。,（2）砂和涂料的污染 熔模制好后，上面要涂挂涂料、撒砂以制出型壳，在制造熔模、制壳以及与蜡的熔失过程中，有时会受到砂和涂料等异物的污染。所以，制模车间一定要注意工作场地的卫生。防止模料污染（一般要白大衣、拖鞋、瓷地面、工作台洁净） （3）熔失熔模时过热，石蜡烧坏、氧化变质。,3) 皂化物的去除方法：酸处理法 电解处理法 活性白土处理法 A 酸处理法 Me（C17H35COO）2 +H2SO4=2(C17H35COOH)+MeSO4 不足：可逆，不能完全处理干净 B 电解处理法 FeCl3 FeCl2 Cl2 （有毒） 不足：设备要求高，污染环境 C 活性白土处理法 吸

15、附能力+Al3+与胶体杂质反应沉淀 补充使用,回收蜡基模料的处理方法 （1） 盐酸（硫酸）处理法 具体方法为将水和旧模料放在不生锈的容器中（水占模料的25-35%）加热至80-90，然后加入模料重3-5%的工业盐酸（或2-3%的浓硫酸）继续加热，使酸与模料充分反应，经30-40分钟后，静置使水与模料分离，然后过滤，浇成锭，由于硬脂酸铁与盐酸反应是可逆的且很快达到平衡，因此模料中的硬脂酸铁难以去除干净。 盐酸和硫酸都可使除硬脂酸铁以外的硬脂酸盐还原为硬脂酸： Me（C17H35COO）+ HCl = C17H35COOH + MeCl,80-90 模料 + 25-35%水（占模料比重） 加3-5

16、%盐酸（或2-5%硫酸） 加热 搅后 保温 静置，使模料充分反应 30-40分,（2） 活性白土处理法 活性白土是有一种经酸处理后的黏土，它的晶格由硅氧四面体和铝氧八面体交叉成层构成，各层间有大量的孔隙。好的白土，其孔隙率可达60-70%，有很大的比表面积。因而具有较高的吸附能力，能吸附模料中硬脂酸盐。此外，活性白土中的阳离子（特别是三价铝离子）还能和模料中的带负电荷的的胶状杂质结集成中性质点，变成凝胶下沉。所以可用活性白土去除模料中的硬脂酸盐。 生产中一般用此法作为盐酸处理的补充工序，即每隔一段时间将用盐酸处理过的模料加热到120 左右，向模料中加入烘干的活性白土（为模料重的10-15%）进

17、行搅拌，半小时后，在120下保温静置4-5小时，待活性白土与液态模料充分分离后即可处理好模料。,模料 120 +白土（10-15%） 搅拌半小时 120下静置4-5h 盐酸处理过 加热 烘干,（3） 电解法 电解处理方法可去除模料中的硬脂酸铁。电解液浓度为2.8-3.5%，温度为80-85的盐酸溶液，处理时向电解槽中加入经酸处理的熔融模料，通电后当电压超过盐酸的电解电压（1.36v）时，在阳极碳棒上析出活性极强的初生态氯，它有很强的氧化能力，能从硬脂酸铁中夺取Fe+3，形成FeCl3反应如下： 4Fe（C17H35COO）3 + 12（Cl）+ 6 H2O = 12 C17H35COOH +

18、4FeCl3 + 3O2 而在阴极（铅板）上则析出还原能力极强的初生态氢，将Fe+3 还原成Fe+2 其反应如下： FeCl2 在水中溶解度很大，能从模料进入盐酸中。因此，硬脂酸铁不断被还原为硬脂酸，使模料净化。 实际生产中，常用盐酸（硫酸）处理法，也用活性白土处理法，用电解处理法因工艺复杂故很少采用。,H 2FeCl3 2 FeCl2 + Cl2 ,判断一个铸造厂的水平，可根据3项指示： 石蜡的颜色：蜡越黄质量越差、越白、质量越好 空调条件：空调条件好，蜡不易变形，精度高 车间内洁净程度：洁净、无污染、蜡的质量好,2.2.4. 熔模的压制和模组的制造 模料膏配制完毕即可压制熔模。压制熔模前，

19、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，常用蓖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表面，提高熔模的表面光洁度。 熔模的制备即将模料注入压型的方法有自由浇注和压注两种。自由浇注法使用液态模料，用于制作浇冒口系统的熔模和尿素型芯。压注法用于制造铸件熔模，可使用液态、半液态(糊状)、半固态(膏状)及固态模料。,2.2.4.1 压注成形 压注成型的注蜡温度多在熔点以下，此时模料是液、固两相共存的浆状或糊状。呈浆状的模料中，液相量显著超过固相量，所以仍保留着液体的流动性。在这种状态下压注，熔模表

20、面具有较低的粗糙度，而且不易出现由于紊流、飞溅带来的表面缺陷。糊状模料的温度比浆状模料更低，已失去流动性，虽少有表面缺陷，但却具有较高的表面粗糙度。 图为几种常见的压注成形方法示意图,柱塞加压法,活塞加压法与气压法压注,1)“液态压注模料”大多采用在熔点下呈糊状时压注(并非真正的液态下压注) A 防止液态紊流、飞溅造成流痕及卷入气泡。 B 保证表面光洁度。 C 收缩率降低。,2.2.4.2 熔模表面质量的控制,2) 合理确定工艺参数 压蜡温度 压注压力 压型温度 压射速度 保压时间 原则：温度适中，压力尽量大（一定范围内）,3) 制造浇道模料在脱蜡过程中要先于模型熔化（材料及形状）,1) 压注

21、条件下熔模收缩的特点 A 层状凝固 B 在压力下成型并在压力作用下凝固,2.2.4.3 熔模尺寸精度的控制,2) 压注工艺参数对收缩的影响 A 注蜡温度 B 压注压力 C 保压时间 D 压型温度 其它：模型的壁厚 取模后停放时间,2.2.4.4 压注过程主要工艺参数的控制 压力+流速 压力和流速是压注过程中最重要而又密切相关的两个参数，没有足够的压力驱动，模料不能流动，但它们又是不同的两个概念：驱动模料流动的压力取决于模料的粘稠度和充型过程中的阻力，而流速则指模料进入压型型腔的速度。因此压蜡设备可以划分为以下四类： 1.只控制压力受环境温度等因素影响。 2.同时控制压力和流速，无压力补偿高压低

22、流速，低压不能获得高流速。 3.同时使用压力和流速控制，并有压力补偿获得想要的流速。 4.流速控制和分段式压力控制充型 压实 保持 3个阶段,2.2.5 熔模的组装,焊接法应用最广泛 电烙铁,分型剂的使用：压蜡前在压型内表面涂敷一层，利于取出熔模。 要求越薄越好 蜡基：一般采用机油、松节油、硅油 树脂基：麻油与酒精混合物或者硅油 压缩空气起模,2.2.4.5 熔模的脱模,2） 粘接法卯榫结构 3） 机械组装法大批量、小铸件、高效率,2.3 型壳的制造,型壳的质量直接关系到铸件的质量，为此，对型壳的要求主要有以下四个方面：,1.强度高的常温强度+ 高温强度（浇注、焙烧） +低的残留强度,2.热震

23、稳定性抵抗急冷急热的性能或抗热冲击性。它是指型壳抵抗因温度急剧变化而不开裂的能力。,3.高温下化学稳定性高温液态金属与之接触时不发生相互化学作用的性能。,4.透气性指气体通过型壁的能力。,以免发生粘砂、麻点、氧化、脱碳,避免浇不足、气孔,型壳性能试验标准 HB 5352.1-2004 熔模铸造型壳性能试验方法 第1部分：抗弯强度的测定 HB 5352.2-2004 熔模铸造型壳性能试验方法 第2部分：高温自重变形的测定 HB 5352.3-2004 熔模铸造型壳性能试验方法 第3部分：高温荷重变形的测定 HB 5352.4-2004 熔模铸造型壳性能试验方法 第4部分：透气性的测定,型壳的制造

24、工艺涂挂法 熔模铸造型壳： 多层型壳：涂挂法制壳（浸涂）最常用 喷涂法 刷涂法,对型壳的性能要求： 1 . 型壳的高温强度和高温软化点 型壳的高温强度是型壳最主要的基本性能，在制壳、脱蜡、焙烧和浇注工艺过程中，型壳要承受各种应力的作用，没有足够的强度就不可能达到铸造的目的。室温强度固然重要，但高温强度更加重要。从浇注开始型壳就开始承受高温液体金属的热冲击、机械冲击，金属又要通过型壳散热而冷却凝固，从而型壳又将受到很大收缩应力和热应力。 型壳的软化点是指型壳强度随温度升高而开始下降的温度。不同型壳软化点不同。软化点高，高温强度下降速度小，有利于提高铸件的尺寸精度。,2. 型壳的热膨胀性 型壳的热

25、膨胀性是与铸件精度密切相关的重要性能。高温金属液通过型壳放热、冷却、凝固中，温度的急剧变化，型壳的线量也发生变化。 为获得尺寸精确的铸件型壳的膨胀率必须小而均匀。 型壳小而均匀的热膨胀性是减少应力，使型壳具有良好抵抗温度急剧变化能力的决定因素。（型壳温度变化，必然产生内应力，当该内应力超过该温度下的强度时，型壳就会产生裂纹、破损）。,3 .型壳的表面质量及化学稳定性 型壳内表面层与高温液体金属直接接触，要想获得表面光洁、轮廓清晰的铸件，型壳内表面层必须光洁、致密、轮廓清晰。除此之外还应具有好的化学稳定性，即浇注后，型壳内表层不与高温液体金属及其氧化物相互发生化学作用。 上述条件将是实现高精度铸

26、造的最基本要求，此外，还要有好的透气性、好的退让性、好的脱壳清理性。但一种材料很难完全满足各种要求，因此在选用制壳原材料时，应抓住无余量铸件表面光洁度、尺寸精度要求高这个主要矛盾。,型壳的制造工艺：涂覆涂料撒砂干燥硬化,重复5-7次,涂料的组成：耐火材料粉 + 黏结剂 + 溶剂（水）,2.3.1制造型壳用的材料,多层型壳是由耐火材、粘结剂料及附加物组成，其中耐火材料占90%以上。所以耐火材料的选用对型壳的性能影响很大。其次为粘结剂及附加物、工艺的影响 2.3.2.1 耐火材料 （石英 刚玉 锆英砂等）,1）面层粉料。与粘接剂配制成涂料的粉状料，直接与高温金属液接触，要能承受热冲击和热物理化学作

27、用。,2）增强型壳的撒砂材料粒度,3）制造陶瓷型芯的粉状料具有一定的抗冲击性,对耐火材料的要求 A 耐火度和熔点高温时不软化，变形 （耐火度：又称耐熔度。表征物体抵抗高温而不熔化的性能指标） B 热膨胀性小而均匀 C 粒度合理先小后大，保证型壳致密度、强度、透气性 D 高温化学稳定性 E 其他：有利于涂料稳定，对人体无害，价廉等,1）人造石英（SiO2) 573发生相变 线膨胀率1.4% 优点：价廉 缺点：当加热到573时，由转变为膨胀大 呈酸性 应用：适用于碳钢、低合金钢、铜合金；不适于 铝、钛、锰、铬合金钢 2）熔融石英 石英玻璃 熔融石英熔化温度为1713，导热系数低，热膨胀系数几乎是所

28、有耐火材料中最小的，因而它具有极高的热震稳定性。 SiO2含量99.5% 优点：纯度高，线膨胀小，热稳定性好 缺点：价格贵 应用：易被氢氟酸或碱侵蚀便于除芯，常用于作陶瓷型芯的基本材料,一 制壳用耐火材料,一 制壳用耐火材料,3）锆英砂 锆英砂又称硅酸锆，是天然存在的矿物材料。常含有少量的放射性的铀、TiO2和微量稀土氧化物。纯锆英石在1775能分解析出SiO2，有高的耐火度。 优点：导热蓄热性好；热膨胀小而均匀 缺点：价格贵，微量辐射性 应用：浇注温度低于1500的合金铸件 4）电熔刚玉 -Al2O3 熔点2030 密度大，结构致密，导热性好，热膨胀系数小，高温化学稳定性好。 优点：熔点高，

29、结构致密，导热好，热膨胀小而均匀，化学性能稳定，型壳尺寸稳定 缺点：价格贵 应用：高合金钢、耐热合金及镁合金,一 制壳用耐火材料,4）莫来石（硅酸铝耐火材料） 莫来石又称高铝红柱石，分子式为3Al2O32SiO2。密度约为3.16g/cm3，膨胀系数5410-7l/，在1810开始出现液相。 莫来石很少以天然形式存在，多是人工合成（高温烧结）。 高岭石Al2O32SiO2,2.3.1.2 制壳用黏结剂 1. 对黏结剂性能的基本要求： 与模料润湿，又不与模料互溶或起化学反应 在室温焙烧及浇注温度下，与耐火材料有牢固黏结力 在高温及室温下形成的氧化物或与耐火材料形成的化合物， 具有高温化学稳定性，

30、不与所浇注的合金发生化学作用 黏度适当，使之具有良好的涂挂、渗透性 储存性好，来源广，价格廉,2 . 硅酸胶体黏结剂的基本性质 目前熔模铸造及陶瓷型铸造使用的黏结剂包括 水玻璃 硅溶胶 硅胶乙酯 从本质上来讲都是硅酸胶体，只不过其类型不同罢了，从最终 形成的氧化物性质看都是二氧化硅，故都属酸性黏结剂。 3.胶凝过程,2.3.1.3 几种常用的黏结剂 1. 硅酸乙酯水解液 （1）硅酸乙酯的物理性质 a 硅酸乙酯又称正硅酸乙酯。一般硅酸乙酯呈油性，为无色、透明或棕黄色液体（有杂质） b 闪点为53，易燃，所以应注意防火 c 有醚味，对眼睛、呼吸道有刺激作用，应密封保存,（2）硅酸乙酯的水解过程（硬

31、化原理） 硅酸乙酯本身并不能作黏结剂，它必须经水解后成为水解液才具有黏结力。因此，人们通常所说的硅酸乙酯黏结剂实际上是硅酸乙酯水解液。 硅酸乙酯(C2H5)4Si是由四氯化硅和乙醇作用而成： SiCl4 + 4 C2H5OH = (C2H5)4Si + 4HCl 生产中由于工业乙醇中含有水，且乙醇又极易吸水，且盐酸和乙醇作用也生成水（HCl + C2H5OH = C2H5Cl + H2O），所以硅酸乙酯中总有水。水能使正硅酸乙酯水解而 形成不同聚合度的聚合物。,其反应如下： C2H5O C2H5O C2H5O Si O C2H5 + HOH = C2H5O Si OH + C2H5OH C2H

32、5O C2H5O (乙氧基硅醇),硅羟基,由于SiOH间脱水聚合倾向很强，故乙氧基硅醇极不稳定易发生如下缩聚反应： C2H5O C2H5O C2H5O C2H5O C2H5O Si OH + H O Si O C2H5 = C2H5O Si O Si O C2H5 + H2O C2H5O C2H5O C2H5O C2H5O,在熔模铸造过程中硅酸乙酯的水解是分两个阶段进行的。 第一阶段：硅酸乙酯硅酸乙酯水解液 这时，我们需要的是具有一定聚合度的线型或枝型的聚合物，即具有一定黏度和黏结力的黏结剂。故加水量应严格控制。使硅酸乙酯的水解反应进行到一定程度为止。 第二阶段：干燥硬化 硅酸乙酯水解液配制成

33、涂料, 制壳后，涂料层继续发生水解反应，直至形成硅凝胶。制壳后，涂料层置于空气中，空气中的水分可使硅酸乙酯继续进行水解缩合反应，在线型或枝型乙氧基硅酸结构间相互交联，最后形成网状结构。在网状结构间还含有一定的乙氧基，称为有机硅聚合物，其分子结构可表示为：,C2H5O C2H5O C2H5O C2H5O C2H5O Si O Si OO Si O Si O C2H5 O O O O C2H5O Si O Si OO Si O Si O C2H5 C2H5O C2H5O C2H5O C2H5O,随着胶凝过程进一步进行，乙氧基不断被羟基取代，水解作用趋于完全。网状的有机硅聚合物逐渐变为无机硅聚合物，

34、其分子结构式为： O O O O HO Si O Si OO Si O Si O H O O O O HO Si O Si OO Si O Si O H HO O O OH ,经脱水后形成以硅醚链为联系的网状结构的硅凝胶，其分子结构为： O O O O O Si O Si O Si O Si O O O O O O Si O Si O Si O Si O O O O O ,这时型壳中的黏结剂薄膜由强度高，高温稳定性好的硅凝胶组成。 特点：强度高，高温稳定性好，价格贵 （3）酸乙酯水解时配料计算 因水和硅酸乙酯不能互溶，如单独把它们放在一起，水解反应很难在整个体系内均匀进行，在硅酸乙酯不能和水充

35、分接触的地方，会形成不完全水解产物有机硅聚合物。 水解时常用酒精或丙酮作媒介, 水解时加少量HCl或醋酸作催化剂（同时为加快反应速度）.,例如:获得此种硅酸的正硅酸乙酯的水解反应式为： 4(C2H5)4Si + 9 H2O = H2O.4SiO2 + 16 C2H5OH 832 832 162 1 B B= 0.1943 B即水解1kg（正）硅酸乙酯成为H2O.4SiO2(乙氧基硅醇) 所需水量，此B可在各种书、手册中查到。 溶剂(乙醇或丙酮)及催化剂(HCl或醋酸)均可计算_略,（4） 硅酸乙酯的水解工艺 一次水解法：先将水、溶剂和催化剂混匀，而后逐渐加入硅酸乙酯并强烈搅拌。加完硅酸乙酯后，

36、继续搅拌30分钟，而后水解液存放16小时以上再使用。在使用前需先测水解液中二氧化硅和HCl的含量及黏度。配料时，只需向水解液中加入粉状耐火材料并充分搅拌 注意：水解时温度不得超过40-50度,综合水解法：这种方法实质是使水解过程与耐火材料的混制同时进行。具体工艺过程是先将硅酸乙酯与溶剂放在一起，搅拌2-3分，再加粉状耐火材料搅拌5-10分。使硅酸乙酯溶液能很好润湿粉粒表面。然后逐步加入酸化的水。在搅拌过程中，使水解反应在粉粒表面进行。,所得涂料分散度高，均匀性好。型壳强度高，且节省硅酸乙酯。但很难对涂料黏度进行调节。,（5） 硅酸乙酯水解液黏结剂特点 硅酸乙酯是优质黏结剂，所以型壳性能好： 涂

37、挂性好（醇基） 涂料粉液比高（黏度小）涂层致密，铸件光洁 型壳室温，高温强度高，抗变形能力强，尺寸稳定 烘干（氨催化）生产周期短,2. 硅溶胶 （1） 硅溶胶的物理特性： 硅溶胶即胶体二氧化硅，是一类无定性二氧化硅粒子在水介质中的分散体系。 硅溶胶是将水玻璃经过离子交换后去掉其中的钠离子和其它杂质，再经浓缩制得的。它是硅酸的多分子聚合物，为较纯净的硅酸水溶液，也称硅酸溶胶。为乳白色或青白色溶液。分子式为n H2O.mSiO2。 熔模铸造用硅溶胶要求： Na2O小于等于0.5%， SiO2 为24-30%， PH为8-10（最好为9.5） 黏度值为2-6厘泊,（2） 硅溶胶的处理工艺 硅溶胶是一

38、种水基黏结剂。用它配制耐火涂料涂挂性差，为降低其表面张力，并使之具有适当的黏度，则在使用前需要进行适当处理。 所谓处理就是在硅溶胶中加入一定量乙醇。这样配制成的硅溶胶乙醇溶液就是硅溶胶黏结剂。 通常乙醇加入量为20-25%，比较合适，超过30%硅溶胶不稳定。 硅溶胶中加入乙醇，降低了表面张力，增大了黏度，改善了涂料的润湿性，加速了胶凝。从而加快了干燥速度，缩短了生产周期。,（3） 硅溶胶的硬化 硅溶胶的胶凝过程是粒子首先连接成枝链，枝链再连接成三维的网络，最后随着水分的不断蒸发，形成凝胶。粒子之间有牢固的Si O Si化学键连接着。所以它具有高的结构强度和硬度，并能承受高温作用。 硅溶胶的胶凝

39、过程可通过两种方法来完成： l 一种是在硅溶胶中加入电解质，调节其PH值，使粒子表面所带电荷减少，粒子碰撞机会增多，使其发生胶凝。 这种方法胶凝速度快，但凝胶强度低，且因混入电解质，降低型壳的耐火度和高温强度。 l,另一种干燥方法即脱水目前广泛采用的方法 随着干燥脱水进行，不断发生硅醇基的脱水缩聚反应 Si OH + HO Si Si O Si + H2O, 形成硅醚键同时析出水，干燥的结果使溶胶 冻胶 凝胶。此时在硅醚键的结构间还含有一定量的物理水及以SiOH形式存在的结构水，需在高温下才能去除。,（4）硅溶胶粘结剂及其所制型壳特点： 优点：（1）配制简单 （2）稳定性好 （3）不需氨干，有

40、利于环保 （4）型壳高温强度比硅酸乙酯更高 缺点：（1）润湿性、涂挂性差，故铸件光洁度差些 （2）干燥速度慢，生产周期长。 （3）湿强度低,3. 水玻璃粘结剂 （1） 熔模铸造中水玻璃粘结剂的硬化机理 水玻璃在砂型铸造中的常用粘结剂。其基本组成是硅酸钠和水（聚硅酸钠水溶液）。 硅酸钠是强碱弱酸盐，在水中极易水解： Na2OmSiO2 + nH2O 2Na+ +2OH- + mSiO2（n-1）H2O - Q 加入酸性物质，有利于聚硅酸钠水解，使水解反应向右进行。在熔模铸造中常用酸性盐作硬化剂，如：NH4Cl、结晶AlCl3、聚合AlCl3和结晶MgCl2 。,当用NH4Cl水溶液作硬化剂，与水

41、玻璃型壳相遇时，将发生如下化学反应： Na2OmSiO2 + nH2O + 2NH4Cl 2NaCl + mSiO2（n-1）H2O + NH4OH -NH3+H2O 水解的结果使水玻璃溶液中硅酸浓度增高，硅酸分子中硅羟基不断脱水聚合成聚硅酸大分子，继而成为硅酸溶胶，最后凝聚成为不可逆的硅酸凝胶，使型壳具有常温强度。 SiO H +HOSi SiOSi + H2O 水解同时产生有NaCl和NH3产生。其中NaCl当用热水脱模后并经800以上高温培烧去除。NH3则污染空气，恶化环境，这是NH4Cl水溶液作硬化剂存在的主要问题。,（2） 熔模铸造用水玻璃粘结剂的性能指标 配制熔模铸造涂料所用的水玻

42、璃其 模数 M=3.0-3.6, 密度=1.29-1.31g/cm3 (砂型铸造所用的水玻璃其模数M=2.3-2.8, 密度=1.32-1.6g/cm3) 对熔模铸造而言，市售水玻璃需要进行提高模数、降低密度的处理（提高模数加入NH4Cl、HCl。降低密度加入水。）,（3）水玻璃粘结剂的处理工艺 先将称好的水玻璃放在搅拌器中，将 NH4Cl或HCl和水配成溶液逐渐加入水玻璃中并不断搅拌。此时会析出白色凝胶物，它是硅酸胶体和氯化钠的混合物。酸性溶液全部加完后，继续搅拌半小时左右，白色胶状物迅速溶解。处理后的水玻璃静置一段时间即可配置涂料。为提高水玻璃涂料的涂挂性，可向涂料中加入0.05%非离子型

43、或阳离子型表面活性剂,如农乳130# 水玻璃 + NH4Cl(或HCl)水溶液 搅拌(析出白色胶状物) 水溶液加完后继续搅拌30分左右至白色胶状物消失静置配制涂料.,（4） 水玻璃作为型壳粘结剂的特点: 总而言之,比硅酸乙酯、硅溶胶所制型壳性能差。 优点：（1）来源广，价格廉。 缺点：（1）与蜡模润湿性差 （2）黏度大 （3）含Na2O 型壳高温强度低 抗变形能力低铸件精度低 Na2O + SiO2 （高温） Na2O2SiO2（共晶物 熔点793） Na2O2SiO2共晶物 在熔点793时出现液相，并使型壳软化变形，因此，水玻璃作粘结剂的型壳所浇铸件尺寸精度、表面光洁度都较差，用于一些要求不

44、高的碳素钢件和有色金属铸件，对减少机械加工和节约金属材料有利。,涂料粉液比低 涂层致密性降低 铸件表面不光,4. 新型快干硅溶胶 概况 水基硅溶胶是一种绿色环保的粘结剂，在越来越重视环保的今天，应大力加以推广。但普通硅溶胶型壳湿强度低，制壳周期长已成为其推广使用中的主要问题。开发增强快干硅溶胶一直是各国研究的课题。20世纪90年代研制成功的快干硅溶胶LudoxSK系列，制型壳时每制一层其干燥时间，即层间干燥时间仅1h，性能与硅酸乙酯水解液粘结剂相当，于1997年已用于Rolls Royce公司大量生产中。又如Remasol ADBOND系列，2001年推出的ADBOND3301制壳时每制一层，

45、层间干燥时间也可达到12h，也已用于生产。 国内在20世纪90年代中期清华大学和宇达化工有限公司合作开发FS快干硅溶胶，通过部级鉴定并用于生产。近年来又研制出FS型和FS 两种快干硅溶胶，通过省级鉴定，FS在性能上已接近LudoxSK系列快干硅溶胶。,硅酸胶体 硅溶胶、硅酸乙酯、水玻璃粘结剂中起粘结作用的都是硅酸胶体。 胶体是分散质粒子直径在1nm100nm之间的分散系。,TEM（纳米级）下的硅酸胶体照片,2.3.2 制壳工艺 型壳的质量与铸件的质量密切相关，因此制壳工艺也是熔模铸造的关键一环。 制壳工艺包括： 除油和脱脂在模组上涂挂涂料撒砂型壳的干燥和硬化 熔失熔模培烧,5-7次,1. 模组

46、的除油和脱脂 在采用蜡基模料和以水为溶剂的粘结剂时，为提高涂料润湿模组表面的能力，需要将模组表面的油污去除掉。即在涂挂涂料之前，先将模浸泡在中性肥皂片或表面活性剂的水溶液中。 表面活性剂一端的亲水活性基团易与涂料吸附，另一端的疏水（亲油）基团易吸附在模组上.,2. 涂挂涂料和撒砂 （1）涂挂涂料:先将涂料搅拌均匀，调整好涂料的黏度、比重。若型壳上有小孔、槽，则内层涂料黏度、比重应小些，以使涂料能很好地充填这些小孔、槽。 涂挂涂料时模组在涂料中上下左右晃动，使涂料能很好地润湿模组，并均匀覆盖在模表面。不应有涂料局部堆积和缺料现象。且不包裹气泡。 （2）撒砂 撤砂的目的 1)迅速增厚型壳。 2）分

47、散型壳在以后的干燥硬化中可能产生的应力 3）使外层表面粗糙，使下一层涂料与前一层很好的结合。,撒砂注意事项: 1)撒砂种类:应与该层涂料用耐火粉料一致，有相同的热膨胀系数，以加强撒砂与涂层结合力。做一般钢件，如不锈钢、碳钢件，面层用锆砂，背层用高岭石熟料。 2)不论用哪种砂子，都要严格控制其中的含水量，一般质量分数均应小于0.3。因为砂子湿度大极易产生浮砂堆积而导致型壳分层。 3)砂子粒度也要合理选择，通常从面层到背层粒度逐渐加租。面层撒砂不能过粗，否则会穿透涂层造成铸件表面凹凸不平，但撒砂过细又不利于形成较粗糙的背层，不利于同下层牢固结合，容易造成型壳分层。如用锆砂时面层撒砂应为100120

48、目。撒砂逐渐变粗，过渡层撒3060目、背层撒1630目的高岭石熟料。 4）每次撒砂的粒度分布都不宜过于集中，这样才能使砂粒相互镶嵌，提高型壳的致密度。 5)要严格限制砂中的粉尘含量，其质量分数应小于0.3。因为粉尘覆盖在涂料上就不易挂上砂粒。,撒砂方法: 1) 雨淋式:砂如雨点式撒在挂有涂料的模组上,模组不断旋转. 2) 流态式:砂存放于沸腾床中,底部送入压缩空气,将沸腾床上部砂层均匀吹起,撒砂时只需将涂有涂料的模组往流态化的砂层中浸一下,耐火材料就能均匀地粘在涂料表面。,图1-14 雨淋式撒砂机,3. 型壳的干燥和硬化 每涂覆一层型壳之后，就要让它干燥、硬化，使涂料中的粘结剂溶胶向冻胶、凝胶

49、转变，把耐火材料连接在一起，根据所用的粘结剂的不同，所用干燥、硬化方法也不同。 1) 硅酸乙酯型壳的干燥和硬化 硅酸乙酯在干燥硬化时主要发生以下物理化学变化： （1） 涂料中溶剂（酒精或丙酮）的挥发： 挥发速度与溶剂分压有关，与湿度无关。 （2）水解液的凝胶 型壳在干燥硬化时，硅酸乙酯水解液残留的不完全水解物会吸收型壳中的水分继续水解，同时硅酸溶胶会在氨气的作用下进行凝胶。因此 ，工业上使型壳在潮湿的氨气中硬化。,每制一层型壳需要五道工序： 上涂料 撒砂 自干（或空气干燥） 氨干 去味 （强制通风柜中抽风除氨 ） 注意事项： 1）硬化时溶剂的挥发应比粘结剂的胶凝快，这时溶剂挥发产生胶体收缩时，

50、胶体尚处于弹、塑性状态，胶膜不易开裂。如果次序相反，粘结剂固化后溶剂继续挥发，会出现脆性胶体的收缩，胶膜易于开裂，型壳强度下降。为防止这一现象产生，通常将溶剂挥发与胶体胶凝两个过程分开。 2）每层型壳硬化后须将氨气散发干净，再挂下一层。 3）有时为提高强度可在涂挂全部结束后，将带型壳的模组浸泡在含SiO2较多的水解液中超过5分钟，使水解液渗入型壳中，而后在风干、氨干过程中使粘结不好的耐火材料颗粒得到补充粘结。,2) 硅溶胶型壳的干燥和硬化 硅溶胶中的溶剂是水和酒精，故硅溶胶的硬化过程主要是脱水和酒精的挥发干燥过程。与此同时胶体进行凝聚。 将型壳放在温度较高的（25-35）的干燥空气中进行干燥，

51、每层型壳的干燥时间约为2h，最后一层涂料挂完后，型壳要自然干燥一昼夜才能脱模。 （庆堂每层型壳的干燥时间约为8h，最后一层涂料挂完后，型壳要自然干燥一昼夜） 硅溶胶型壳的干燥和硬化 = 干燥的空气（25-35）中干燥硬化,3) 水玻璃型壳的干燥和硬化 水玻璃型壳的干燥和硬化也是溶剂（水）的挥发和胶体的凝聚过程。但水玻璃的脱水过程非常缓慢，而其硬化则由于电解质的作用进行得很快。目前用的较多的硬化剂是NH4Cl、聚合AlCl3 结晶AlCl3。 硬化过程： （1）将型壳先放在空气中干燥一段时间（数分钟至一小时）。其作用是去除模组表面和涂料层之间的水分、提高涂层中水玻璃的浓度，减少型壳裂纹，改善型壳

52、内表面质量。 （2）浸在浓度为25%左右的NH4Cl溶液中，此时发生反应 Na2OmSiO2 + nH2O + 2NH4Cl 2NaCl + mSiO2（n-1）H2O + NH3+H2 析出的硅胶很快凝聚，使型壳硬化。,水玻璃型壳的干燥和硬化： 空气中干燥 浸在NH4Cl水溶液（ 25%左右）中干燥硬化,注 意： 当型壳一浸入NH4Cl溶液中，在涂料层外表面上很快形成坚硬的胶膜，影响NH4Cl溶液向型壳内层渗透。为加速NH4Cl溶液向内层渗透，可在NH4Cl溶液中加入非离子型表面活性剂，可使型壳的硬化时间由原来的15-20分缩短至2-3分钟。,图2-1 脉动式制壳机,4. 脱模(自型壳中熔失

53、熔模） 型壳完全硬化后，需将型壳中的蜡模熔去，因模常为蜡基模料制成，所以此工序称为脱蜡。根据加热方法不同，有很多脱蜡方法，用的较多的方法有热水法和蒸汽法。 1） 热水法 此方法适合于蜡基模料和水玻璃型壳。 用80-90的热水脱模。脱模时浇口杯朝上，使密度小于水的蜡料易于上浮。 水玻璃粘结壳脱蜡时热水中通常加入少量NH4Cl或H3BO4，使型壳得到进一步硬化，且可除去型壳中残留的Na2O和NaCl，提高型壳质量。（整个脱蜡过程在20-30分钟内完成）,4）空气干燥及氨气硬化配合适当才能获得较高强度的型壳并缩短制壳周期。 未经空气干燥而直接氨气固化的型壳，由于随后溶剂的挥发使得涂层开裂，而强度较低

54、。 如仅采用空气干燥固化，如每层干燥810h以上，型壳强度最高，但生产效率低。 而将空气干燥与氨气硬化相结合就能获得较高强度的型壳，其制壳周期也大为缩短。,硅酸硅酸乙酯型壳干燥硬化 空气中干燥硬化 潮湿的氨气中干燥硬化,特点 （1）简单易行，蜡料回收率高。 （2）若模组各部分厚薄不匀，或浇口杯厚大时，会使先期熔化的模料难于排除，使型壳膨胀或破裂。,2） 蒸汽法 用松香基模料制成的模组及采用硅酸乙酯水解液或硅溶胶作粘结剂制壳时普遍采用蒸汽脱模。 将模组浇口杯朝下放在高压釜中，通入2-5个大气压的高压蒸汽。模料受热熔失。 特点： （1）效率高（整个脱蜡过程在6-10分钟内完成），可提高型壳强度。

55、（2）浇口杯直接受高压蒸汽作用，浇口处熔化快，型壳膨胀可能性小 3）其它脱蜡方法 目前国外已经研究成功微波脱蜡、高温闪燃法脱蜡和预熔法脱蜡。,5.型壳的培烧 脱模后，型壳在空气中经一段时间的自然干燥，在浇注液体金属之前需将型壳经高温培烧。 目的： （1）去除型壳中的水分、残留模料、NH4Cl及盐分。避免浇注时产生气孔、浇不足或恶化铸件表面等缺陷。 （2）进一步提高型壳强度 （3）提高金属的成型性。 普通型壳-装箱填砂培烧 高强型壳-直接装炉培烧。 硅酸乙酯、硅溶胶型壳-950，1-2h 水玻璃型壳-800-850，1-2h 型壳培烧后即可出炉浇注.,焙烧,硅溶胶型壳的焙烧温度一般为950-10

56、50，保温30min以上。焙烧好的型壳应为白色或蔷薇色。 作用： 1.减小浇铸温差 2.清除水分、皂化物,焙烧炉有油炉、箱式电阻炉、煤气炉等。,2.3.3 水玻璃涂料的配制及型壳制备,1 涂料性能的控制 水玻璃涂料的主要性能有：粘度、流动性、覆盖性、分散均匀性及悬浮性等。 2 粘度的控制 模数 粘度 密度 粘度 温度 粘度 粉液比 粘度,3 涂片重（涂层厚度） 涂片重是采用40mm40mm2mm的不锈钢片来测定的。,2.3.4 熔模铸造型芯 一般情况下熔模铸造的内腔是与外形一道通过涂挂涂料、撤砂等工序形成的，不用专制型芯。但当铸件内腔过于窄小或形状复杂，常规的涂挂涂料、撒砂等工序根本无法实施，或内腔型壳无法干燥硬化时，就必须使用预制的型芯来形成铸件内腔。这些型芯要等铸件铸成后再设法去除。 例如航空发动机空心涡轮叶片，叶片的冷却通道迂回曲折，形若迷宫，就必须采用陶瓷型芯。图51是一些典型的陶瓷型芯。,1. 陶瓷型芯 陶瓷型芯是用粉状耐火材料(石英法粉或刚玉粉)和作为增剂的蜡料(石蜡或蜂蜡等)以及一些其它其它附加物混成浆料物质,在金属型中压制成型,后经高温烧结而成的陶瓷质型芯。,制熔模时，把陶瓷型芯放在相应的位置上，使陶瓷型芯组成熔模上的小孔洞，留在熔模中，并露出型芯的芯头部分。制壳时，陶瓷型芯便借助芯头与型壳组成一体，成为型壳的一部分，用它来形成铸件的复杂