熔模铸造新型型芯工艺.pdf

1、第八章熔模铸造新型型芯工艺第一节概述一、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、撒砂等工序形成的，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!#是一些典型的陶瓷型芯。图!#一些典型的陶瓷型芯因此，熔模铸造型芯是生产复杂熔模铸件所必须的，据介绍，美国熔模铸件中约$%&(%&的件使用陶瓷型芯。随着熔模铸造向更精密、更复杂、更大型发展，对熔模铸造型芯也提出了

2、更高的要求。熔模铸造型芯技术也一直在发展着。$()!第三篇铸造模具制造工艺图集与产品造型加工技术二、对熔模铸造型芯的基本要求熔模铸造用型芯除与常规铸造一样，受金属液包围，工况条件恶劣外，还需经受脱蜡和焙烧的作用。为此，型芯应满足下列要求：!耐火度高型芯的耐火度至少应高于合金的浇注温度，以保证在浇注时和铸件凝固过程中不软化和变形。一般情况下型芯的耐火度应达到!#$%以上，在定向凝固和单晶铸造时，则要求能承受!&$(!)$%的高温*$+,-以上。热膨胀率低、尺寸稳定为保证铸件内腔尺寸精度，型芯的热膨胀率应尽可能小，且无相变，以免造成型芯开裂或变形。一般来说其线膨胀系数以小于#.!$/)0/!为宜。

3、*足够的强度型芯应具有足够的常温强度，以承受压注时蜡液的冲击和挤压而不致断裂或破损。型芯还要有足够的高温强度，以承受浇注时金属液的冲击力和静压力。#化学稳定性好型芯在与金属液接触过程中应不污染合金，也不与金属液或金属的氧化物发生化学反应，以防止铸件表面产生化学粘砂或反应性气孔。&易脱除铸件铸成后，型芯应便于从铸件中脱除。由于铸件中的陶瓷型芯绝大多数采用化学腐蚀法溶失，为此，型芯必须有相当大的孔隙率（约$1(#$1），体积密度应比真密度小。表 2/!为硅质陶瓷型芯的基本要求，以供参考。表 2/!硅质陶瓷型芯的基本要求性能用于钴基合金和不锈钢用于真空浇注镍基合金焙烧后强度（3456 7*2/&2）

4、869:#2()2*(!$*线膨胀率（室温(;&$%，1）$#($2$2($;孔隙率（1）#()!+*）!+*）*2(#*2(#&溶出性能用化学侵蚀方法溶出反应性与金属液或金属的氧化物无反应*!第八章熔模铸造新型型芯工艺标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载三、熔模铸造型芯的分类目前熔模铸造用的型芯按成形方法和工艺特点可分成几种，见表!#。有热压注陶瓷型芯、传递成形陶瓷型芯、灌浆成形陶瓷型芯、水溶型芯、水玻璃砂型芯、替换粘结剂型芯、细管型芯等多种熔模铸造型芯。它们的脱芯方法和应用范围也各不相同。国内外仍以热压注陶瓷型芯和传递成形型芯，特别是前者应用最广。本章将主要介绍

5、热压注陶瓷型芯。陶瓷型芯的基体材料有石英玻璃、氧化铝（刚玉）、氧化镁、氧化钙、锆砂和氧化锆等。故也可按照基体材料将陶瓷型芯分为硅质陶瓷型芯、氧化铝陶瓷型芯等。由于石英玻璃具有热膨胀系数最低，而且有良好的溶失性，长期以来是应用最广的陶瓷型芯基体材料。由于对石英玻璃析晶过程对陶瓷型芯性能影响方面认识不断深化，石英玻璃型芯高温性能有了较大幅度的提高，极限使用温度从$%&提高到了$(%&，已成功地用于定向凝固和单晶铸造中。但随着飞机性能提高，一些涡轮空心叶片的结构越来越复杂（如三联体空心结构），结构独特，尺寸精度要求高，并需在真空下浇注成形，对陶瓷型芯的强度和耐火度要求更高。近十多年来国外在氧化铝、氧

6、化钇、氧化铒和氧化钐型芯上已取得突破性进展，并已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为石英玻璃。本章将介绍硅质和非硅质陶瓷型芯的浆料，制芯工艺，供国内同行参考。表!#各种类型熔模铸造型芯的工艺特点和应用型芯种类成形方法工艺特点脱芯方法应用热压注陶瓷型芯热压注成形以热塑性材料（如蜡）为增塑剂配制陶瓷料浆，热压注成形，高温烧结成型芯化学腐蚀内腔形状复杂而精细的高温合金和不锈钢铸件，定向凝固和单晶空心叶片传递成形陶瓷型芯将混合有粘结剂的陶瓷粉末高压压入热芯盒中成形制芯混合料中含有低温和高温粘结剂化学腐蚀主要适合真空熔铸高温合金铸件灌浆成形陶瓷型芯自由灌注成形陶瓷料浆中加入固

7、化剂，注入芯盒后自行固化机械方法内腔形状较宽厚的铸件水溶型芯自由灌注成形以遇水溶解或溃散的材料作粘结剂配制料浆，注入芯盒后自行固化用水或稀酸溶失内腔形状较宽厚的有色合金铸件水玻璃砂型芯紧实型芯砂以水玻璃为粘结剂配制芯砂，制成型芯后浸入硬化剂硬化机械方法与水玻璃型壳配合使用)*+!第三篇铸造模具制造工艺图集与产品造型加工技术续表型芯种类成形方法工艺特点脱芯方法应用替换粘结剂型芯冷芯盒法成形将特殊液体渗入冷芯盒法制成的型芯中，令其焙烧时转变为高温粘结剂机械方法尺寸精度和表面质量要求较低的民用产品细管型芯将金属或玻璃薄壁管材弯曲、焊接成形将金属或玻璃薄壁管材弯曲，焊接成复杂管道型芯化学腐蚀或 留 在

8、铸件中主要适合有色合金细孔铸件（!#，$%&）第二节陶瓷型芯一、硅质陶瓷型芯()型芯材料（(）石英玻璃石英玻璃是硅质陶瓷型芯的基体材料。石英玻璃分透明的和不透明的两种，前者密度为*)*(+,-#，后者介于*)&*.*)&/+,-#之间。石英玻璃是一种过冷液体，比晶态石英内能高，稳定性差，有自发地向内能更低的晶态转变的趋势。但在常温下由于它的粘度极大，内部质点很难重新排列。当加热到高温时，石英玻璃的粘度下降，同时质点热运动动能增大，其内部质点就有可能重新排列，从非晶态转为晶态。一般透明石英玻璃于(*&0、不透明石英玻璃从(&0开始转变为方石英，此转变过程称“析晶”，同时体积增大。当冷却至(/&.

9、*1&0时，方石英又由!型转变为型，同时体积缩小，见图/2*。图/2*石英玻璃的析晶转变及相应的尺寸变化3）差热曲线 4567）热膨胀曲线81!第八章熔模铸造新型型芯工艺标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载析晶产生的体积变化会使陶瓷型芯产生网状裂纹，石英玻璃中方石英析出量越多，各部分析晶程度越不均匀，产生的裂纹就越多，烧成后的陶瓷型芯的强度也就越低，严重时甚至型芯会断裂，这是析晶过程对陶瓷型芯的有害影响。另外，石英玻璃的熔融过程是一个逐渐软化进而熔融的渐进过程，熔融前的软化状态会引起变形，这也可看作是粘度很大的粘性流动。石英玻璃的粘度达到!#$%即进入变形点。纯净的

10、石英玻璃，温度达!&(左右就到变形点。析晶使二氧化硅由玻璃态转变为晶态，对粘性流动有明显的抑止作用，从而能显著提高型芯的高温抗变形能力。同时析晶的体积膨胀可以抵消一部分因烧结而引起的收缩（图)*&+）。为使陶瓷型芯获得足够的强度，必须将成型的型芯坯体加热至高温进行烧结。但陶瓷型芯与一般陶瓷制品不同，要求有一定孔隙率，强度也不宜过高。否则，不仅不易从铸件中清除，还会造成铸件热裂。故陶瓷型芯烧结程度要适当，通常只需初步烧结，此时粉料外廓形状基本保持原状。由石英玻璃制成的型芯坯体，只需加热至!(以上就能烧结。石英玻璃的粒度、杂质含量均影响到析晶、烧结和陶瓷型芯性能。常用的石英玻璃粒度配比有混合粉和细

11、粉两种（表)*,），可根据型芯大小和复杂程度选择。其杂质含量应严加限制，表)*-为定向凝固铸造用陶瓷型芯的杂质含量限量。表)*,制芯用石英玻璃粉料的粒度配比（质量分数，.）粒度（筛号）!-/&号&/&0 号1&0 号混合粉&细粉!表)*-定向凝固铸造用陶瓷型芯的杂质限量（质量分数，.）杂质元素23456$7$89:;、25、+=限量?!/?&?!/?,/?!痕迹量?!?-（&）矿化剂石英玻璃的烧结和析晶几乎同时于!/!&(开始，这就使石英玻璃的陶瓷型芯烧成温度很难掌握。若温度偏低，则型芯没有烧结或烧结不足，其强度低；若温度偏高，则型芯虽烧结，但又析出过量方石英，冷却后型芯的常温强度也很低。为解

12、决这一矛盾，需加入能适当降低陶瓷型芯烧结温度的某些添加剂，即矿化剂。矿化剂能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作用。国内常用的矿化剂有氧化铝系、氧化钙系、氧化锆系等几种。氧化铝系的矿化剂有工业氧化铝、合成莫来石、铝矾土等。加入氧化铝系矿化剂的,0!第三篇铸造模具制造工艺图集与产品造型加工技术陶瓷型芯经!#$烧成后，%&(仍保持原状。但由于随矿化剂带入的杂质使陶芯的烧结温度下降，玻璃相含量增多，强度提高。而%&(粉粒熔点高而坚硬，它们分散在基体粉粒间有阻滞其相互滑移的作用，有利于提高高温抗变形能力，并使型芯烧成收缩减小。需指出的是%&()*+二元系的最低共熔温度为!,

13、-#$，此类型芯长期在!,#$以上工作，有可能形成液相，使型芯软化变形。但氧化铝系添加物容易获得，故在一般情况下仍为较常用的添加剂。氧化钙系矿化剂有./和%.*。%.*组成的质量分数为%&(!0123、./(1(3、*+4#1#23，熔点!2#$。./和%.*的作用相近。对烧成后的硅质陶瓷型芯进行物相鉴定，均发现./与*+固相反应生成的./*+。由于./*+的熔点约!,0#$，故此类添加剂也不适用于极限工作温度超过!,#$的陶瓷型芯。氧化锆矿化剂的作用与氧化铝类似。但 56)*+二元系的最低共熔温度为!40-$，故此类矿化剂的型芯极限工作温度可达!4,#$左右。而且矿化剂加入量不宜过多，否则矿

14、化剂带入的杂质会使陶瓷型芯高温抗变形能力下降。此外，特殊矿化剂，如 7(、.6(等氧化物，在高温下能活化*+)键的网络骨架，从而显著提高石英玻璃析晶速率。加有此类矿化剂的陶瓷型芯在!#8!#$下烧成，析出的方石英量变化不大，但在!0#$以上工作时会迅速大量析出方石英，能有效地抑制石英玻璃的粘性流动，明显地改善型芯的抗变形能力。各种矿化剂的用量、使用温度和用途见表 9),。矿化剂的成分和处理方法见表 9)4。表 9),各种矿化剂的用量、使用温度和用途矿化剂加入量（质量分数，3）烧成温度:$极限使用温度:$用途工业氧化铝9 8!,!,#8!#!,#一般用途铝矾土或莫来石9 8!,!,#8!#!,#

15、一般用途氧化钙(8,!,#8!#!,#一般用途%.*,!,#8!#!,#一般用途锆石粉!9 8(#!,#8!#!4,#定向凝固铸造表 9)4矿化剂的成分及处理方法矿化剂类型成分（质量分数，3）处理方法%&()./)*（以下简称%.*，熔点!2#$）%&(;!012./;(10*+;41#2把硅石粉、碳酸钙、工业氧化铝装入球磨机瓷罐内混磨 0后，经!#$焙烧，冷却破碎，过4#号筛后备用2(2!第八章熔模铸造新型型芯工艺标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载续表矿化剂类型成分（质量分数，!）处理方法工业氧化铝（#$%&$(&%）)*+,-.$/经$-/0焙烧 1 2 34

16、，冷却后使用锆石粉（5#-1($(&3）67,+89,+.$/经$:3/0 焙烧+4。冷却后，破碎过+3/号筛备用硅 铝系矾土)*+,-.3+31;+,.?+,/=:A+,-$=:B?,$=/CD,$=/经$-:/0焙烧+4，冷却后，破碎过+3/号筛备用氧化钙B?B,-（#$+3+）.$/碳酸钙经(/2$/0焙烧，分解成氧化钙（-）增塑剂为保证陶瓷浆料能顺利压注成型，需加入增塑剂。增塑剂熔化后粘度应小，流动性应好，常用的有石蜡、蜂蜡、硬脂酸。为提高型芯坯体强度，也常加入少量高聚物。常用增塑剂的组分和配比见表&%。增塑剂用量对型芯的孔隙率、抗弯强度、体积密度和烧成收缩率均有明显影响，见图&-，应严格控制。表&%增塑剂配比（质量分数，!）石蜡蜂蜡聚乙烯松香硬脂酸(:(-:+:/:/1%:/-3/-:-/$/3/1&%-&%图&-增塑剂加入量对型芯性能的影响!孔隙率!抗弯强度体积密度#烧成收缩率&-%!第三篇铸造模具制造工艺图集与产品造型加工技术（!）表面活性剂为减小粉料颗粒与增塑剂间的界面张力，使两者能很好的混合、包覆，需加入表面活性剂，又称润滑剂。在陶瓷浆料中使用的表面活性剂有油酸、脂肪