冰模铸造工艺资料讲解.docx

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冰模铸造工艺资料讲解

冰模铸造工艺

冰模铸造工艺

zbz

（湖北汽车工业学院材料科学与工程学院，湖北十堰2014）

摘要：

冷冻铸造是一种环境友好的清洁成形技术，适应当今铸造技术的发展方向。

与其它精密铸造工艺相比,既可实现铸件的近净形化，又避免或降低了模具材料、造型材料对环境带来的压力。

本文阐述冷冻铸造技术的社会意义，介绍冷冻铸造的发展状况，并分析目前发展中的各种冷冻铸造技术的基本工艺原理和工艺方法，讨论其存在的基本问题，包括冷冻铸造对冰模的基本要求、冰模的制作方法、在冷冻条件下型壳及造型材料所应具有的性能、材料的选择和处理工艺，探讨该工艺发展中的一些方向。

关键词：

冷冻铸造;工艺;制模

IceCastingProcessBasedonResearchInvestmentCasting

ZHANGBingzhou

（MaterialsScienceandEngineering,HubeiUniversityAutomotiveofTechnology,ShiyanHubei,China）

Abstract:

Frozencastingisanenvironmentallyfriendlycleanformingtechnology,adapttotoday'sdevelopmentdirectionofcastingtechnology.Comparedwithothercastingprocess,canachievenearnetshapecastingtechnology,butalsotoavoidorreducethemoldmaterials,moldingmaterialstobringpressureontheenvironment.Thispaperdescribesthesocialsignificanceoffreezecastingtechnology,theintroductionoffrozencastofdevelopment,andanalyzesthebasicprocessprinciplesandprocessmethodscurrentlydevelopingavarietyoffrozencastingtechnology,discussthebasicproblemsofitsexistence,includingthefreezingoftheicemoldcastingbasicrequirements,icemoldproductionmethods,intermsofperformance,materialselectionandprocessingtechnologyunderfreezingconditionsandshellmoldingmaterialshouldhavediscussedsomeofthedirectionoftheprocessdevelopment.

Keywords:

frozencasting;technology;molding

这是冰雕艺术作品

“马踏飞燕”身高34.5厘米，身长45厘米，宽13厘米。

“马踏飞燕”自出土以来一直被视为中国古代高超铸造业的象征。

看了这几个艺术品，有没有什么联想呢？

在学习熔模铸造的时候我在想水具有与石蜡差不多的性质，能不能用水代替石蜡进行“熔模铸造”呢？

通过查阅相关资料，我了解到真的有这种铸造技术——冰模铸造技术。

1熔模铸造的优缺点

熔模铸造因其能够生成表面光洁度很高的型壳和复杂的形状，因此能够生产出高质量的铸件。

熔模铸造又称失腊法。

失腊法是通过铸件原型的结构特点制作出与之相适应的模具，用硅橡胶或者其他材料涂挂在铸件原型表面，形成材质相对较为柔软的铸件型壳，然后将熔融的石蜡倒入型腔中形成与原铸件形状相同的蜡模，然后在蜡模的表面涂挂泥浆或者其他材料形成一层坚硬的外壳，通过加热让石蜡从型壳中融出，然后将熔融的金属倒入型壳中，冷却后将型壳打碎后将得到的铸件进行清型即可得到与原铸件形同的铸件。

用蜡料做模样时，熔模铸造又称"失蜡铸造"。

熔模铸造通常是指在易熔材料制成模样，在模样表面包覆若干层耐火材料制成型壳，再将模样熔化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后即可填砂浇注的铸造方案。

由于模样广泛采用蜡质材料来制造，故常将熔模铸造称为“失蜡铸造”。

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。

熔模铸造所铸零件一般来所形状相对都比较复杂。

通过熔模铸造，其所产生的铸件可达到的尺寸很小，最小可铸造0.5mm的孔径和0.3mm的壁厚。

在生产中可将一些原来由几个零件组合而成的部件，通过改变零件的结构，设计成为整体零件而直接由熔模铸造铸出，以节省加工工时和金属材料的消耗，使零件结构更为合理。

熔模铸件的重量大多为零点几十牛（从几克到十几千克，一般不超过25千克），太重的铸件用熔模铸造法生产较为麻烦，但目前生产大的熔模铸件的重量已达800牛左右。

熔模铸造工艺过程较复杂，且不易控制，使用和消耗的材料较贵，故它适用于生产形状复杂、精度要求高、或很难进行其它加工的小型零件，如涡轮发动机的叶片等。

熔模铸造生产的第一个工序就是制造熔模，熔模是用来形成耐火型壳中型腔的模型，所以要获得尺寸精度和表面光洁度高的铸件，首先熔模本身就应该具有高的尺寸精度和表面光洁度。

此外熔模本身的性能还应尽可能使随后的制型壳等工序简单易行。

为得到上述高质量要求的熔模，除了应有好的压型（压制熔模的模具）外，还必须选择合适的制模材料（简称模料）和合理的制模工艺。

熔模铸造中蜡模铸造的生产工艺路线如图所示：

冷冻铸造技术是一种亲近于环境的熔模铸造技术，是当今熔模铸造发展的方向。

与其他精密铸造相比不但能够实现铸件的近净形化，同时又降低了模具材料、造型材料对于环境的破坏。

世界上在冷冻铸造方面处于前列的工业发达国家在此技术上的发展方向有四点：

①保护环境，减少污染；②提高铸件的质量和可靠性，能够生产出优质的铸件；③降低工业生产的成本；④缩短铸件生产的周期。

冷冻铸造技术相对于传统的铸造技术能够生产出高质量的形状复杂的精密铸件，解决了传统铸造中存在的许多局限性，例如生产成本高、生产周期长、工艺过程复杂、材料昂贵、批量大的问题。

同时对于熔模铸造中失蜡铸造方法容易出现的壳模破裂的问题也得到了进一步的改善。

2熔模铸造的发展概况

2.1国内熔模铸造的发展概况

熔模铸造业在我国有悠远的历史，我们的先人们在古时候就精湛于熔模铸造的工艺，中国早在商代就已掌握了熔模铸造的工艺原理和技术。

虽然我国有悠久的熔模铸造历史，但是在科技高速发展的今天，我国的熔模铸造技术相比较于同工业发达国家还是有不小的差距的。

在合金的种类上，国内的熔模铸造一般采用的是碳钢和不锈钢，合金钢和非铁合金用的非常少，而在国外，熔模铸造的材质有各种金属的合金钢，而且所占比例比较大，因此，在合金的种类上，我们国内仍有不小的需要改进的。

在合金的质量上，国外的用的都是通过从熔炼长容量好的合金材料，他们的浇冒口等废料都会送回厂家进行处理，而国内都是用一些废角料进行熔炼后进行浇铸的，这就严重影响了铸件的内部成分，杂志比较多，进而产品的质量也会降一个档次。

我们国内型壳和制模上的材料方面，我国内仍用不小比例的低温模料和水玻璃，这就影响了模具和型壳的质量，造成浇铸出的铸件存在缺陷，这一方面国内也需要不小的改进。

在熔模铸造设备方面，国内在部分步骤上采用了与国际持平的先进机械，比如真空沾浆炉、雨淋式撒沙机等，但是在国外整个工艺流程都是采用最先进的机械设备，比如美国早已成套的真空熔注设备在我国还是很少见的，仍处于一种试验阶段。

在高质量的铸件的比重上看，国内一般的高质量精铸铸件都是用在航空航天方面，而在其他方面，高质量铸件比重非常小，大都是铸造一些铸件精度要求不是很高的铸件，但是在国外，高质量的精铸铸件一般用在航空航天和军事上，他们的铸件质量比于国内还是有不小的优势，因此，国外铸件的附加值比国内高很多，其所带来的生产效益显而易见。

“精铸不精”的现象已经困扰了国内很多年。

2.2国外熔模铸造技术概况

冷冻铸造在国内外尚处于起步阶段，据有关资料报道的只有美国的Duramax公司在1991年投入冷冻铸造的研究并获得了美国专利。

国外铸造行业为了能够得到高质量的铸件，致力于冷冻铸造技术的研究，研究结果概括为两个方面：

（1）冷冻造型和冷沙造型技术冷冻造型使用液氮为冷冻介质使型砂中水分冷冻后形成冷冻造型。

如英国发明的Hitachi法；前苏联发明的冷冻模板法及正空冷冻法；美国专利4150704覆盖法等等。

这种方法产生的铸件表面光洁度高，砂型溃散性好，生产成本低廉且对环境无害。

（2）用冰冻模型生产铸件技术冷冻模型生产有两类具代表性的工艺技术，都是用冰模代替蜡模，脱模时型壳不会像传统工艺那样受模料膨胀而开裂变形，从而这种工艺能够大大提高铸件的表面光洁度。

发达国家总体上铸造技术先进、环境污染小、耗材低、生产效率高、出产成品率高、质量优异等优点。

3冰模铸造的特点

3.1冷冻铸造技术相对于其他铸造技术的优点

（1）精度高蜡模的膨胀率比较高，在失蜡过程中容易出现壳模破裂，而冰模完美的解决了这个问题，而且冰模的表面光洁度更高，对于保持铸件表面光洁度有很大的作用。

（2）工艺性方面得到了改善，对于水的组成没有蜡模高，而且冰模的脱模性比较好。

（3）水的形态决定了冰模能够形成非常复杂的铸件模样。

（4）成本低廉水无处不在，而且非常便宜，其成本几乎可以忽略不计，在其成型的时候能耗也是非常低的。

（5）对环境造成的压力小在整个模样的生产和后续处理过程中都是无害于环境的。

3.2冰模铸造的局限性

冰模铸造对于其特殊性，决定了它是有一定的限制性的，以下举例几点：

（1）冰模铸造不适用于大型的、薄壁、平板类铸件，尺寸太大造成模具的制作相当困难，无论从所需的模具材料还是制作过程都是一个很大的难题，薄壁造成的是冰模的强度不是很高，容易造成在薄壁部分冰模的破裂和熔化。

（2）制作过程必须在低温环境下进行，必须防止冰模的熔化，如果温度过高，在生产冰模的过程中冰模表面变形熔化，造成铸件表面变化，造成铸造缺陷。

（3）设备要求比较高，自动化进度较高，设备投入大，技术要求高，操作复杂。

4冰模铸造工艺过程

无论是熔模铸造还是陶瓷型铸造，必须首先制作与铸件外形和尺寸相对应的冰模。

制作冰模有两种方法，一是利用模具制作冰模，类似腊模熔模铸造中的压型；另一种是利用快速冷冻原型技术（RFP）。

4.1模具制造冰模

4.1.1冰模对模具的要求

冰模对模具的要求与蜡膜对压型的要求不同，制造冰模的模具应具有良好的密封性和退让性。

4.1.1.1密封性

由于水具有良好的流动性，黏度极低，故模具应具有良好的密封性，防止在冰模制造过程中水由模具中渗漏。

4.1.1.2退让性

众所周知，水冻结成冰时体积发生膨胀，如果模具无一定的退让性以抵消膨胀应力，则冰模可能破裂，特别是复杂的铸件，故模具应具有一定的退让性。

因此，制作冰模的模具型腔部分应选用具有一定弹性的软模具材料。

4.2模具制造冰模工艺要点

4.2.1金属型制造冰模

金属型制造冰模适于形状简单的铸件，同时，设计金属型结构时应考虑消除冰模膨胀应力的问题，俄罗斯弗拉基米尔工学院研究成功的冰模真空砂型铸造工艺便采用金属型制造冰模。

4.2.2硅橡胶制造冰模

首先制造原型，再由原型复制硅橡胶模。

1）制造原型

首先制造与铸件形状和尺寸完全相同的原型。

目前，制造原型的方法有两种，一为用机械加工的方法制造原型，其材料为金属、木材和塑料等，二为用快速成型（RP）技术制造原型。

2）复制硅橡胶模

由原型复制硅橡胶模

3）制造冰模

将水注入硅橡胶模，在0℃以下进行低温冷冻成型。

冷冻后将冰模与硅橡胶模剥离，便制成冰模。

4.3快速成型制造冰模

快速成形技术（RapidPrototypingManufacturing）简称RPM。

它集成了计算机、数控、激光和新材料等新技术。

快速成形是一种基于离散󰃗堆积成形思想的数字化成形技术,通过离散,把复杂的三维制造转化为一系列有序的低维制造,逐层堆积叠加,得到三维实体。

它适应了现代制造业对产品设计和制造的高效快速以及柔性化等方面的越来越高的要求,因此近年来在美国、日本等发达国家得到了迅速发展。

现在世界上具有代表性的已商品化的RPM技术包括SLA（三维光刻）,SLS（选择性激光烧结）、LOM（分层实体制造）、FDM（熔融沉积制造）和3DP（三维印刷）等。

其中FDM是将材料加热至熔融状态,通过精细的喷头,在计算机控制下喷出液滴制成一个层面,层层叠加而形成的一个三维实体。

4.3.1冰成型

冰成形是运用FDM法,根据成形件的三维几何模型的层片信息,在计算机精确控制下用特种喷头喷射出水滴,再在冰冻状态下逐层堆积得到冰型。

冰成形需要解决的关键问题有以下几方面。

1）喷头的设计

水是一种粘度低、流动性很好的流体,为得到精确尺寸的冰模,喷头必须能够喷射出足够细微的水滴。

喷嘴直径及压力决定液滴大小,喷头运动速度决定冰层厚度,应合理加以选择设计。

同时喷头系统要响应灵敏,可实现快速通断,质量要小,运动惯量要小,定位精度要高。

2）成型工艺参数确定

RP技术的冰成型,喷头部分应该保持在零度以上;而逐层成型的空间应当保持在零度以下,才能得到冰的原型。

所以,成型环境要很好地满足不同区域的温度要求,成型机的系统集成也是一个重要的问题。

因影响成型的因素很多,而且相互牵制,如喷头运动速度、喷嘴出口温度、喷射频率、沉积室温度控制等,所以在制定工艺时必须综合考虑。

特别应当注意的是扫描与跟踪的配合,并在堆积控制子系统中采用闭环控制。

水的喷射模式有两种：

离散喷射模式和连续喷射模式。

4.4造型或制壳材料

冷冻冰模可以用于陶瓷型和熔模铸造，用冷冻冰模翻制铸型与传统的陶瓷型和熔模铸造工艺的主要区别是一些工序必须在低温环境中进行，造型材料必须为适应低温环境作出相应调整或重新选择，目前较多的研究集中在熔模铸造中。

4.4.1黏结剂

粘结剂与陶瓷粉末混合形成陶瓷浆料，使陶瓷浆料固化后具有足够强度。

用于低温条件下熔模铸造的粘结剂在零度以下必须不会冻结而且有良好的流动性，另外粘结剂不能在与冰模接触时与冰和水相互作用，相互渗透。

制作的型壳必须具有好的表面光洁度和尺寸精度并且强度足够高。

有三种可供选择的粘结剂：

水玻璃、硅溶胶、硅酸乙酯。

显然，水玻璃和硅溶胶都不能满足低温环境的要求，只有硅酸乙酯能够满足作为熔模型壳粘结剂的要求。

硅酸乙酯一般由四氯甲硅烷和乙醇直接反应制取。

硅酸乙酯自身没有粘结能力，必须与水经过水解反应产生一种具有粘结作用的硅酸溶胶，参与水解的水量必须足够才能生成硅酸和乙醇，即硅酸在乙醇中的溶液，否则会生成一种不完全水解产物--有机硅聚合物，这种水解液制造的型壳容易产生缺陷，不同聚合形式的硅酸乙酯水解时需水量不同。

4.4.2催化剂

硅酸乙酯水解后生成硅酸溶胶水解液，如不加任何调整只与耐火粉料混合%其胶凝过程往往需要几天或更长的时间。

因此要加入催化剂缩短胶凝时间，陶瓷浆料的胶凝时间取决于温度，水解液的成分及PH值，许多研究在这方面已取得共识。

研究表明，胶凝时间极大地影响型壳或铸型的质量及制作成本：

胶凝时间过长，恶化型壳或铸型的表面质量，但胶凝时间过短可导致浆料完全涂刷以前就开始硬化并引起强度下降，因此选择陶瓷浆料的成分，确定催化剂的加入量都必须保证一个适中的胶凝速度。

4.4.3分模剂

陶瓷浆料中的硅酸乙酯在胶凝过程中产生的水包裹在网状结构中，水和乙醇与冰模表面相互作用。

同时，水解过程是放热反应，能够促使冰模表面熔化，使型壳无法满意地复制冰模的形状，影响铸件精度和表面质量。

为解决此类问题，须在冰模表面上均匀地涂刷分模剂，分模剂应满足以下要求：

1）与水和乙醇不溶、不发生反应

2）不引起冰模熔化

3）具有良好的低温涂覆性能

4）无毒、无污染、来源丰富

有人采用硅油/煤油（1：

1），经低温冷冻后均匀涂覆在冰模上取得了良好的效果，也有人经过试验比较后认为十八烷的效果更好。

5冰模真空砂型铸造

冰模真空砂型铸造，除冰模制造需在低温环境下进行外，其余造型和浇注均在室温下进行，并与消失模真空实型铸造（R-FM）相似，如干砂、振动造型、真空紧实与浇注等，因此，冰模真空砂型铸造是消失模真空实型铸造的一重大发展，亦是铸造生产制模材料的一大突破。

其工艺过程如下：

1、制造冰模（速冻）

2、浸沾防粘砂涂料

3、充填干砂（20~25℃）

4、振动紧实

5、砂箱上面覆盖塑料膜

6、抽真空

7、冰模在热砂中很快融化，水分被干砂吸收，并在真空作用下迅速蒸发掉

8、在真空下浇注，待铸件凝固后切断真空

冰模真空砂型铸造，采用真空技术的作用有二，一是促进水分的蒸发和排除，二是进一步紧实铸型，提高铸型速度，以利浇注，可以获得质量较高的铸件。

6冰模铸造的展望

冰模铸造是20世纪90年代出现的一种新型特种铸造技术，由于其具有其他铸造技术无可比拟的优点，故其应用前景非常广阔，展望未来：

1、冰模制造技术快速成形（RP）制模技术，特别是快速成形直接用水制造冰模技术，将日益获得广泛应用。

2、冰模精密铸造冰模精密铸造将以其质量和环保优势，而成为传统熔模铸造和现代消失模真空壳型铸造（R-CS）强有力的竞争者。

3、冰模真空砂型铸造将依其特有的技术优点广泛用于各种砂型铸造，以取代传统的木模和现代消失模，并将成为消失模真空实型铸造（RF-M）的极强竞争对手。

参考文献

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机械工业出版社，2004.

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化学工业出版社，2008.

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化学工业出版社，2012.

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兵器工业出版社,1992.