熔模精密铸造.docx
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熔模精密铸造
熔模精密铸造
熔模精密铸造也叫失蜡铸造，采用可溶一次性蜡模和一次性陶瓷型壳及陶瓷型芯铸造成型的方法。
这种方法非常适合生产尺寸公差小、薄壁、拔模斜度小和表面光洁度大的铸件用该方法生产的铸件尺寸精度高，表面质量好，，经常不需要特殊的处理就能直接装配使用。
基本工艺流程为：
将耐火材料和粘结剂配制成粘度适中的浆料，把表面清洁、尺寸精确的蜡模在浆料里浸蘸，撒砂。
待其干燥后，重复多次蘸浆、撒砂步骤，每一层浆料的粘度与所撒得砂的粒度都有变化，一般面层为细沙，背层为粗砂；最后一层只挂浆，不撒砂；待型壳充分干燥后，用水蒸汽或热水进行脱蜡，最后进行焙烧，使型壳具有一定强度。
浇注铸件前，型壳要预热到一定温度，以保证金属具有较好的流动性；浇注金属液，待铸件凝固后，除壳，清砂，得到所需铸件。
其工艺程见图所示。
熔模铸造方法生产的铸件内部难免有缩松、缩孔产生，因此铸件在使用前一般要经过热等静压处理，以减少内部缺陷对铸件性能的影响。
由于，在热等静压后的铸件容易变形，因此还需要采取一些辅助措施来防止铸件变形。
1.模料制备
1.1.精铸中常用的模料
对于航空航天产品，其铸件尺寸精度和表面光度要求较高，因此熔模尺寸精度和表面光洁度比铸件要求更高，通常要高1-2级。
为此作为精密铸造用模料要求选用热稳定性好、强度高、流动性好、膨胀收缩小的优质材料。
按照模料的基体材料组成，可分为蜡基模料、树脂基模料、塑料模料、填衬模料及水溶性模料。
其中蜡基模料和树脂基模料被广泛使用，其模料性能日益完参，其种类已被人们所熟知。
主要就近几年发展的后三种介绍一下:
水溶性模料受到重视是由于航空航天工业的发展，要求生产越来越多尺寸大而壁薄的精铸件，一般蜡制熔模收缩较大，容易变形，难以满足要求。
主要水溶性模料有尿素基水溶性模料、纯尿素模料、
熔模精密铸造的工艺路线
、尿素—聚合物模料、聚乙醇基模料（由于价钱较贵，故只作水溶性型芯而不作熔模）。
日本已研制出适于在0.7-1.SMPa范围内压注成型甚至可自由浇注的水溶性模料和DRN一1177模料。
填衬模料可以分为气体、液体或固体物质填料模料三种。
气体填料主要是空气，气体填料易对熔模的表面粗糙度产生不良影响，很少应用。
液体填料主要是水，由于模料配制时受到温度控制，此外回收的模料很难达到原有性能，因此实际应用也不太多。
英
国主要有水乳状液填料和水—塑料填料，只是在整体涡轮等整体组合铸件生产上使用。
在实际应用中使用最多的是固体模料，尤其是美国在精铸模料中大约一半以上都是加有固体粉末填料的。
主要固体填料有聚乙烯粉末（粒度为10-30微米）、某些熔点高于10℃的有机多元酸、多元醇、有机胺或酞胺、以及其他有机物，填加量约为10%-40%。
塑料模料主要是聚苯乙烯泡沫塑料。
由于该模料具有
（1）密度和强度可根据发泡条件适当改变;
（2）线膨胀系数约为蜡料的1/10，（3）吸湿性小;（4）用有机溶剂容易粘接;（5）易嫌烧，便于脱模等特性。
因此，近年来国外在精铸件生产中得到越来越多地应用。
前苏联早在70年代末就将该模料用于大型铸件生产上。
美国的应用也广泛，但其塑料模料主要是由聚苯乙烯和水溶性乙烯化氧聚合物的棍合物组成。
此外，对于国内外选用的无余量精铸模料。
目前，国外均采用动、植物蜡，矿物蜡人工合成或微晶处理后与树脂塑料配成的混合蜡基模料。
这些模料一般为液态注射成型。
欧洲大陆地区主要是在烷烃蜡中添加脂肪酸蜡。
美国主要采用50%蜡和50%的合成树脂组成的模料。
英国主要有Castylenes型系列产品A71、B288、B33o和ATDER/10/E、RR3、RRS等。
1.2.制模设备
对于结构复杂、尺寸精度和表面光度高的熔模，要求采用合模压力和注射压力大的压蜡机.目前国内外使用较多的有莱登（Leyden）、埃培克（Epie一Temperaft）和西德Sehott等型号的压注机.其特点是自动化程度高、全部参数自动控制、不受外来因素的影响、压注的熔模质量稳定可靠、组织致密，表面光洁度高，适用于各种尺寸要求、高精度及无余量的铸件生产.另据报道，美国的MPI公司已将其最新研制的用于压蜡机的高水平徽机控制系统投人市场。
该系统可通过计算机来控制压注工艺参数及整个加工过程，制造出高质量的熔模。
2.型芯材料及工艺
航空航天许多精密铸件内腔形状复杂，有空心和半空心精密铸件，因此使型芯成为航空航天精密铸造各种复杂空心构件必不可少
的一种手段。
2.1材料
陶瓷型芯其具体要求是1.耐火度高:
如采用定向凝固技术时，要求在1520℃-1600℃的金属液作用下不少于30-40分钟。
2.热化学稳定性好:
在高温金属液作用下，不与合金元素发生化学反应;在高真空下不挥发或少挥发。
3.强度高，抗击冷激热性能好;强化后室温抗弯强度不低于210公斤/厘米2，焙烧后，未经强化而用于浇注镍基合金时，不低于84-106公斤/厘米2。
用于镍基合金或定向凝固时一般应不低于10MPa。
4.尺寸稳定、表面光度高、膨胀系数越小越好。
5.透气性要好，6.易于脱芯。
适用的陶芯基体材料包括石英玻璃、刚玉、锆石英、氧化钙、氧化镁和氧化锆等，但由于石英玻璃具有最低的热膨胀系数，兼有良好的溶失性，故至今仍应用最广泛。
2.2制芯工艺
适用于真空制造的是移模法和压注法。
移模法是将加热软化的陶瓷混合料（石英玻璃粉料和15一20%热固树脂）压人加热的金属模中（150℃）随后加热硬化成型.压注法是目前国内主要采用方法。
3.型壳制造工艺要求
3.1.耐火材料
耐火材料占型壳重量的90%以上，对型壳性能影响很大。
哟与高温合金异常活泼，在高温下几乎可与所有耐火材料发生反应，在铸件表面形成污染层。
因此，耐火材料的选择非常关键。
在熔模精密铸造中耐火材料又可以分为粉料和撒砂材料。
其中粉料与粘结剂配制成涂料，撒砂材料是为了增强氧化物陶瓷型壳的强度和透气性。
其中，面层型壳会直接和金属液接触，因此要具有一定的热力学稳定性，能够抵抗金属液的热冲击和热物理化学作用等，所以面层型壳材料的选择是至关重要的。
国内外用作型壳面层材料的有:
锆英石、电熔刚玉、熔融石英、莫来石合成料、铝矾土等;作为加固层材料有:
莫来卡特、莫来石、雷马斯等铝一硅系耐火材料。
在高温合金熔模铸造中，广泛采用电熔刚玉制作多层型壳，此外还有氧化锆基耐火材料一锆英石，二氧化硅基耐火材料一熔融石英;莫来石基耐火材料一高岭土熟料、莫来卡特、莫来石、硅线石等。
对于定向凝固则采用含有大量莫来石相的多孔性耐火材料一铝矾土合成料。
几种耐火材料的化学成分
材料名称
化学成分（%）
Al2O3
Fe2O3
Na2O
Si2O3
Tio2
其他成分
电熔刚玉
98
0.15
0.6
SiO2
0.25
锆英石
<0.3
<0.2
<0.4
P2O5<0.15;ZrO2
65;SiO2<33
高岭熟料
40-46
<1.2
<0.3
49-55
<1.5
Cao,Mgo<0.7;K2O<0.3
莫来卡特
42-43
0.75
0.1
54-55
0.08
Cao0.1;Mgo<0.1-0.3;K2O<1.5-2
铝矾土合成料
66-70
1.5
0.5
24-28
4
Cao,Mgo
0.5
高岭土合成料
42
0.6
0.23
51.96
0.7
Cao0.5;MgO0.2;K2O0.78
3.2.粘结剂
粘结剂是熔模铸造中型壳制造的重要原材料，必足能够粘结耐火材料，同时要求焙烧后的产物应对熔融金属液有较好的化学稳定性。
熔模精铸中常用的粘结剂有水玻璃、硅溶胶和硅酸乙酯，比较著名的粘结剂有:
Ludox系列，Monsanto公司的Syton系列，日本的Snowtex系列.
3.3.定向凝固高温型壳工艺
高温合金定向凝固时，在型壳不同位置同时存在700℃~1600℃的温度，并且高温的液态金属在30分钟左右的长时间内才能全部凝固。
在此期间，承受金属液高温和压力的型壳不得软化和开裂，否则将导致铸件变形甚至漏钢。
现阶段硅溶液一铝矾土合成料型壳用于定向凝固效果最为理想，定向凝固型壳采用中细粒度撒砂（20/40目，4。
/70目）不使用粗砂。
其目的在于增加型壳致密性，提高型壳单位面积强度。
在制壳中采用中细砂交替撒砂和增加中间层加固等方法对提高型壳性能非常有利。
定向凝固型壳一般涂8~10层，型壳厚度约为8~10毫米。
高铝钛镍基高温合金DZ22叶片相关工艺过程
DZ22合金成分设计（Ni基）
C
Si
Mn
S
Ag
Al
B
Bi
Co
Cr
Cu
Fe
0.13~0.17
≤0.2
≤0.2
≤0.01
≤0.0005
5.25~5.75
0.01~0.02
0.00005
9.0~11.0
8.0~10.0
≤0.1
≤≤0.5
Hf
Mg
Mo
Pb
Ta
Ti
V
W
Zr
1.3~1.7
≤0.003
≤0.5
≤0.0005
2.25~2.80
1.25~1.75
0.1
9.0~11.0
0.03~0.08
对微量元素杂质的限制（%）
Ag
Bi
Mg
Ga
S
Pb
Zn
Sb
≤0.0005
0.00005~0.0001
≤0.003
≤0.0015
≤0.003
0.0005~0.002
≤0.001
≤0.003
对母合金中所含气体的限制
N2
H2
O2
0.0005%~0.001%
0.0001%~0.0002%
0.0005%~0.001%
1.蜡模的制备：
1.1蜡料的配制：
其成分w为:
30%70℃石蜡,5%80℃石蜡,25%424改性松香,30%115聚合松香,5%川蜡,5%EVA720,另加0.2份油溶性烛红。
1.2蜡模制备中的控制环节：
（1）严格控制操作间的温度和湿度,防止蜡模变形,温度一般控制在21±1.5℃,湿度控制在30%~50%。
（2）对于厚薄不均,截面积较大的部位,为防止产生缩陷,采用第一次成型冷蜡块,第二次成型蜡模轮廓,最后一次形成一个2~3mm的均匀壁厚后再压注成型。
1.3陶瓷型芯的制备：
（1）原料配比：
（w%）
耐火粉料
矿化剂
增塑剂
表面活性剂
电熔刚玉
粒度数目
ACS
陪烧温度
石蜡
蜂蜡
松香
油酸
80
120-140
5
1250-1400
3
1.5
10
0.5
（2）配料方法：
（a）将装有耐火粉料和矿化剂的球磨罐置于球磨机内混磨2h以上,取出烘干,使水的w低于0.2%~0.3%。
（b）将增塑剂加入带搅拌器的不锈钢容器内,加热至85~90℃成流态,并在不断搅拌的情况下,加入填料和油酸,继续搅拌均匀。
（3）压制成型:
运用具有尺寸精度高,表面质量好,变形小,能形成复杂异型孔能力的热压注法压制型芯工艺,具体工艺过程见表
料浆温度/°C
压型温度/°C
压注压力/Mpa
保压时间/S
分型剂
冷却方式
环境温度/°C
85-90
40-50
2.7-4.0
20-25
硅油
校正模中
20-25
（4）刚玉基型芯焙烧工艺
技术要点：
型芯焙烧应保证炉内有足够的氧化气氛,使型芯中不残留有碳,型芯出炉以后必须冷至150℃以下,才能从匣钵中取出。
（5）型芯的强化处理
陶瓷型芯经过焙烧后要进行高温强化和低温强化处理。
高温强化处理旨在进一步提高型芯的高温强度和抗弯变形的能力,处理的方法是:
将型芯浸入w（SiO2）=20%~24%的硅酸乙酯水解液中,等到气泡完全消除取出,自然干燥4~5h,氨气硬化30min。
低温强化处理旨在防止型芯在修整、搬运和在制芯时的损坏,提高室温抗弯强度和韧性。
处理的方法是:
将型芯浸入w酚醛树脂32%,乙醇65%,六亚甲基四胺3%的溶液中10~15min,自干4~6h,160~180℃烘干30min。
2．壳型的制造
选用热稳定性好,高温抗变形能力好的硅酸乙脂-硅溶胶复合型壳制作工艺。
2.1型壳的制作工艺
（1）对于表面要求晶粒细化的涡轮叶片,表面层选用6%铝酸钴—锆英粉硅溶胶浆料,涂挂60目（0.256mm）刚玉砂。
加强层用面层耐火材料选用325目（≥0.053mm）锆英粉,具有膨胀系数小,热稳定性好,不易与金属液起反应,铸件表面光洁度高的优点。
面层浆料的配比见表。
序号
原材料
配比
备注
质量（%）
加入量
1
硅溶胶
1kg
硅溶胶：
耐火材料=1:
4~4.4
2
润湿剂
5ml
3
消泡剂
10ml
4
耐火材料-铝酸钴
6-45
0.264~1.98k
5
耐火材料-锆英粉
55-94
4.136~4.42kg
对其中原材料的要求:
硅溶胶SiO2=25%~30%,Na2O<0.5%,密度ρ=1.15~1.18g/cm3,PH=8.5~10.5;润湿剂:
渗透剂“T”阴离子型;消泡剂:
正辛醇为阴离子型;锆英粉ZrSiO4>98%,其中ZrO2>60%,SiO2<33%,Fe2O3<0.5%,粒度≤0.053mm（325目）。
因国产锆英粉平均粒度大于15μm料浆沉积严重,用流量杯不易测出粘度,因而采用密度计测密度值为2.4~2.6g/cm3。
面层撒砂60目（0.256mm）刚玉粉,自然干燥不少于3h。
（2）面层料浆的配制和操作称料后将硅溶胶、润湿剂、消泡剂按次序加入涂料桶,在不断搅拌的情况下加入CoAl2O4细化剂,分批加入锆英粉,加入全部锆英粉后,继续搅拌1h。
用密度计测定密度为2.4~2.6g/cm3,用单件零件蜡模检查料浆的涂挂性、粘性,必要时加入硅溶胶或耐火材料或润湿剂（0.1%~0.5%）,调整后,搅拌10min以上,在L型涂料桶上手工浸渍和涂复,控制涂层厚度在0.2mm左右。
（3）加强层选用硅酸乙脂—上店土料浆,涂挂粒度为36~20目,热膨胀系数小,热稳定性好,高温抗变形能力强。
上店土壳型制作工艺见表5。
其中,硅酸乙脂水解液配比w为:
20.5%SiO2,0.27%HCl,140mLH2O,上店土粒度为240~280目（0.053mm~0.075mm）,其成分w为42%~47%Al2O3,49%~52%SiO2,<1.5%Fe2O3,料浆的密度ρ=1.67~1.78g/cm3,PH=2~3。
上店土壳型制作工艺
层次
料浆
密度/（g·cm-3）
撒砂
风干
氨干/min
抽风/min
1
硅溶胶+电熔刚玉
2.2~2.6
电熔刚玉60#
≥3h
2
硅酸乙脂+上店土
1.75~1.78
上店砂36#
≥20min
10
>10
3
硅酸乙脂+上店土
1.72~1.78
上店砂20#
≥12h
6,9
硅酸乙脂强化剂
10
>10
4,5,7,8
硅酸乙脂水解液
≥20min
10,11,12
上店土
1.72~1.75
上店砂20#
≥20min
10
>10
封严层
上店土
1.72~1.75
≥12h
2.2壳型的脱蜡与焙烧
壳型干燥后,在高压蒸汽釜中脱蜡,蒸汽压力为0.3~0.5MPa,时间为20min,脱蜡后的壳型马上进行预焙烧,温度为850℃,壳型冷却至室温进行摇壳直到壳型腔内无脏物掉出粘在浇口杯口的粘胶纸上为止,并用酒精—亚甲兰溶液（5∶1）清洗壳型,最后在衬有2mm厚的石棉板圆桶砂箱中,填充6~10mm粒度的上店砂造型,将铸型在1050℃下经6~8h的终焙烧.
3.高温合金的组织控制
高温合金的研制和开发是改善合金的高温强度及耐腐蚀性为中心推进的。
镍基铸造合金高温强度的增加,主要是通过增加γ′相
的数量,形成γ′相的面心立方的有序点阵结构,使合金具有在700℃附近其强度随温度上升而增加的特殊性质。
对镍基铸造合金来说,不存在多型性转变,铸态组织不可能通过热处理的方法产生很大的转变,必须通过调整合金元素种类和数量来控制合金的组织和成分,改变高温合金的显微组织和相,防止偏析,避免σ相生成。
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