凯发国际首页 熔模鑄造工藝介紹

一：概述鑄造
  鑄造——熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得具有一定形狀、尺寸和性能金屬零件毛坯的成型方法。鑄造是人類掌握比較早的一種熱加工金屬工藝，已有約6000年的歷史。中國約在公元前1700～前1000年之間已進入青銅鑄件的全盛期，工藝上已達到相當高的水平。鑄造是指將室溫中為液態但不久后將固化的物質倒入特定形狀的鑄模待其凝固成形的加工方式。被鑄物質多為原為固態但加熱至液態的金屬（例：銅、鐵、鋁、錫、鉛等），而鑄模的材料可以是沙、金屬甚至陶瓷。因應不同要求，使用的方法也會有所不同
。
  二：鑄造分類
  鑄造種類很多，按造型方法習慣上分為：
　　①普通砂型鑄造，包括濕砂型、干砂型和化學硬化砂型3類。
　　②特種鑄造，按造型材料又可分為以天然礦產砂石為主要造型材料的特種鑄造（如熔模鑄造、泥型鑄造、鑄造車間殼型鑄造、負壓鑄造、實型鑄造、陶瓷型鑄造等）和以金屬為主要鑄型材料的特種鑄造（如金屬型鑄造、壓力鑄造、連續鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等）兩類。
　　按照成型工藝可分為：
　　1.重力澆鑄：砂鑄，永久模鑄造。依靠重力將熔融金屬液澆入型腔。2.壓力鑄造：低壓澆鑄，高壓鑄造。依靠額外增加的壓力將熔融金屬液瞬間壓入鑄造型腔。
　　鑄造工藝通常包括：
　　①鑄型（使液態金屬成為固態鑄件的容器）準備，鑄型按所用材料可分為砂型、金屬型、陶瓷型、泥型、石墨型等，按使用次數可分為一次性型、半永久型和永久型，鑄型準備的優劣是影響鑄件質量的主要因素；②鑄造金屬的熔化與澆注，鑄造金屬（鑄造合金）主要有鑄鐵、鑄鋼和鑄造有色合金；③鑄件處理和檢驗，鑄件處理包括清除型芯和鑄件表面異物、切除澆冒口、鏟磨毛刺和披縫等凸出物以及熱處理、整形、防銹處理和粗加工等。
　　鑄造工藝可分為三個基本部分，即鑄造金屬準備、鑄型準備和鑄件處理。 鑄造金屬是指鑄造生產中用于澆注鑄件的金屬材料，它是以一種金屬元素為主要成分，并加入其他金屬或非金屬元素而組成的合金，習慣上稱為鑄造合金，主要有鑄鐵、鑄鋼和鑄造有色合金。
　　金屬熔煉不僅僅是單純的熔化，還包括冶煉過程，使澆進鑄型的金屬，在溫度、化學成分和純凈度方面都符合預期要求。為此，在熔煉過程中要進行以控制質量為目的的各種檢查測試，液態金屬在達到各項規定指標后方能允許澆注。有時，為了達到更高要求，金屬液在出爐后還要經爐外處理，如脫硫、真空脫氣、爐外精煉、孕育或變質處理等。熔煉金屬常用的設備有沖天爐、電弧爐、感應爐、電阻爐、反射爐等。  三：熔模鑄造工藝
熔模鑄造又稱失臘法。失臘法是用臘制作所要鑄成器物的模子，然后在臘模上涂以泥漿，這就是泥模。泥模晾干后，在焙燒成陶模。一經焙燒，臘模全部熔化流失，只剩陶模。一般制泥模時就留下了澆注口，再從澆注口灌入銅液，冷卻后，所需的器物就制成了。
　　我國的失臘法至遲起源于春秋時期。河南淅川下寺2號楚墓出土的春秋時代的銅禁是迄今所知的較早的失臘法鑄件。此銅禁四邊及側面均飾透雕云紋，四周有十二個立雕伏獸，體下共有十個立雕狀的獸足。透雕紋飾繁復多變，外形華麗而莊重，反映出春秋中期我國的失臘法已經比較成熟。戰國、秦漢以后，失臘法更為流行，尤其是隋唐至明、清期間，鑄造青銅器采用的多是失臘法。
失臘法一般用于制作小型鑄件。用這種方法鑄出的銅器既無范痕，又無墊片的痕跡，用它鑄造鏤空的器物更佳。中國傳統的熔模鑄造技術對世界的冶金發展有很大的影響。現代工業的熔模精密鑄造，就是從傳統的失臘法發展而來的。雖然無論在所用臘料、制模、造型材料、工藝方法等方面，它們都有很大的不同，但是它們的工藝原理是一致的。四十年代中期，美國工程師奧斯汀創立以他命名的現代熔模精密鑄造技術時，曾從中國傳統失蠟法得到啟示。1955年奧斯汀實驗室提出一創失蠟法的呈請，日本學者鹿取一男根據中國和日本歷史上使用失蠟法的事實表示異議，較后取得了勝訴。

　熔模鑄造又稱"失蠟鑄造"，通常是在蠟模表面涂上數層耐火材料，待其硬化干燥后，將其中的蠟模熔去而制成型殼，再經過焙燒，然后進行澆注，而獲得鑄件的一種方法，由于獲得的鑄件具有較高的尺寸精度和表面光潔度，故又稱"熔模精密鑄造"
　　可用熔模鑄造法生產的合金種類有碳素鋼、合金鋼、耐熱合金、不銹鋼、精密合金、永磁合金、軸承合金、銅合金、鋁合金、鈦合金和球墨鑄鐵等。
　　熔模鑄件的形狀一般都比較復雜，鑄件上可鑄出孔的較小直徑可達0.5mm，鑄件的較小壁厚為0.3mm。在生產中可將一些原來由幾個零件組合而成的部件，通過改變零件的結構，設計成為整體零件而直接由熔模鑄造鑄出，以節省加工工時和金屬材料的消耗，使零件結構更為合理。
　　熔模鑄件的重量大多為零點幾十牛（即幾十克到幾公斤），太重的鑄件用熔模鑄造法生產較為麻煩，但目前生產大的熔模鑄件的重量已達800牛左右。
　　熔模鑄造工藝過程較復雜，且不易控制，使用和消耗的材料較貴，故它適用于生產形狀復雜、精度要求高、或很難進行其它加工的小型零件，如渦輪發動機的葉片等。
熔模的制造
　　熔模鑄造生產的第一個工序就是制造熔模，熔模是用來形成耐火型殼中型腔的模型，所以要獲得尺寸精度和表面光潔度高的鑄件，首先熔模本身就應該具有高的尺寸精度和表面光潔度。此外熔模本身的性能還應盡可能使隨后的制型殼等工序簡單易行。為得到上述高質量要求的熔模，除了應有好的壓型（壓制熔模的模具）外，還必須選擇合適的制模材料（簡稱模料）和合理的制模工藝。
　　3.1 模料
　　制模材料的性能不單應保證方便地制得尺寸精確和表面光潔度高，強度好，重量輕的熔模，它還應為型殼的制造和獲得良好鑄件創造條件。模料一般用蠟料、天然樹脂和塑料（合成樹脂）配制。凡主要用蠟料配制的模料稱為蠟基模料，它們的熔點較低，為60～700C；凡主要用天然樹脂配制的模料稱為樹脂基模料，熔點稍高，約70～1200C。
　　3.2 模料的配制及回收
　　1）模料的配制
　　配制模料的目的是將組成模料的各種原材料混合成均勻的一體，并使模料的狀態符合壓制熔模的要求。
　　配制時主要用加熱的方法使各種原材料熔化混合成一體，而后在冷卻情況下，將模料劇烈攪拌，使模料成為糊膏狀態供壓制熔模用。有時也有將模料熔化為液體直接澆注熔模的情況。
　　2）模料的回收。
　　使用樹脂基模料時，由于對熔模的質量要求高，大多用新材料配制模料壓制鑄件的熔模。而脫模后回收的模料，在重熔過濾后用來制作澆冒口系統的熔模。
　　使用蠟基模料時，脫模后所得的模料可以回收，再用來制造新的熔模。可是在循環使用時，模料的性能會變壞，脆性增大，灰分增多，流動性下降，收縮率增加，顏色由白變褐，這些主要與模料中硬脂酸的變質有關。因此，為了盡可能地恢復舊模料的原有性能，就要從舊模料中除去皂鹽，常用的方法有鹽酸（硫酸）處理法，活性白土處理法和電解回收法。
　　3.3 熔模和模組的制造
　　1）熔模的制造
　　生產中大多采用壓力把糊狀模料壓入壓型的方法制造熔模。壓制熔之前，需先在壓型表面涂薄層分型劑，以便從壓型中取出熔模。壓制蠟基模料時，分型劑可為機油、松節油等；壓制樹脂基模料時，常用 麻油和酒精的混合液或硅油作分型劑。分型劑層越薄越好，使熔模能更好地復制壓型的表面，提高熔模的表面光潔度。壓制熔模的方法有三種，柱塞加壓法、氣壓法和活塞加壓法。
　　2）熔模的組裝
　　熔模的組裝是把形成鑄件的熔模和形成澆冒口系統的熔模組合在一起，主要有兩種方法：
　　1.焊接法 用薄片狀的烙鐵，將熔模的連接部位熔化，使熔模焊在一起。此法較普遍。
　　2.機械組裝法 在大量生產小型熔模鑄件時，國外已廣泛采有機械組裝法組合模組，采用此種模組可使模組組合和效率大大提高，工作條件也得到了改善。

4 型殼的制造
　　熔模鑄造的鑄型可分為實體型和多層型殼兩種，目前普遍采用的是多型殼。
　　將模組浸涂耐火涂料后，撒上料狀耐火材料，再經干燥、硬化，如此反復多次，使耐火涂掛層達到需要的厚度為止，這樣便在模組上形成了多層型殼，通常將近其停放一段時間，使其充分硬化，然后熔失模組，便得到多層型殼。
　　多層殼有的需要裝箱填砂；有的則不需要，經過焙燒后就可直接進行澆注。
　　在熔失熔模時，型殼會受到體積正在增大的熔融模料的壓力；在焙燒和注時，型殼各部分會產生相互牽制而又不均的膨脹的收縮，因此，金屬還可能與型殼材料發生高溫化學反應。所以對型殼便有一定的性能要求，如小的膨脹率和收縮率；高的機械強度、抗熱震性、而火度和高溫下的化學穩定性；型殼還應有一定的透氣性，以便澆注時型殼內的氣體能順利外逸。這些都與制造型殼時所采用的耐火材料、粘結劑以及工藝有關。
　　4.1 制造型殼用的材料
　　制造型殼用的材料可分為兩種類型，一種是用來直接形成型殼的，如耐火材料、粘結劑等；另一類是為了獲得優質的型殼，簡化操作、改善工藝用的材料，如熔劑、硬化劑、表面活性劑等。
　　1）耐火材料
　　目前熔模鑄造中所用的耐火材料主要為石英和剛玉，以及硅酸鋁耐火材料，如耐火粘土、鋁釩土、焦寶石等。有時也用鋯英石、鎂砂（MgO）等。
　　2）粘結劑
　　在熔模鑄造中用得較普遍的粘結劑是硅酸膠體溶液（簡稱硅酸溶膠），如硅酸乙酯水解液、水玻璃和硅溶膠等。組成它們的物質主要為硅酸（H2SiO3）和溶劑，有時也有穩定劑，如硅溶膠中的NaOH。
　　硅酸乙酯水解液是硅酸乙酯經水解后所得的硅酸溶膠模鑄造中用得較早、較普遍的粘結劑；水玻璃殼型易變形、開裂，用它澆注的鑄件尺寸精度和表面光潔度都較差。但在我國，當生產精度要求較的碳素鋼鑄件和熔點較低的有色合金鑄件時，水玻璃仍被廣泛應用于生產；硅溶膠的穩定性好，可長期存放，制型殼時不需專門的硬化劑，但硅溶膠對熔模的潤濕稍差，型殼硬化過程是一個干燥過程，需時較長。
　　4.2 制殼工藝
　　制殼過程中的主要工序和工藝為：
　　1）模組的除油和脫脂
　　在采用蠟基模料制熔模時，為了提高涂料潤濕模組表面的能力，需將模組表面的油污去除掉。
　　2）在模組上涂掛涂料和撒砂
　　涂掛涂料以前,應先把涂料攪拌均勻,盡可能減少涂料桶中耐火材料的沉淀,調整好涂料的粘度或比重，以使涂料能很好地充填和潤濕熔模，掛涂料時,把模組浸泡在涂料中,左右上下晃動,使涂料能很好潤濕熔模，均勻覆蓋模組表面。涂料涂好后，即可進行撒吵。
　　3）型殼干燥和硬化
　　每涂復好一層型殼以后，就要對它進行干燥和硬化，使涂料中的粘結劑由溶膠向凍膠、凝膠轉變，把耐火材料連在一起。
　　4）自型殼中熔失熔模
　　型殼完全硬化后，需從型殼中熔去模組，因模組常用蠟基模料制成，所以也把此工序稱為脫蠟。根據加熱方法的不同，有很多，脫蠟方法，用得較多的是熱水法和同壓蒸汽法。
　　5）焙燒型殼
　　如需造型（填砂）澆注，在焙燒之前，先將脫模后的型殼埋箱內的砂粒之中，再裝爐焙燒。如型殼高溫強度大，不需造型澆注，則可把脫模后的型殼直接送入爐內焙燒。焙燒時逐步增加爐溫，將型殼加熱至8000-10000C，保溫一段時間，即可進行澆注。
5 熔模鑄件的澆注和清理
　　5.1熔模鑄件的澆注
　　熔模鑄造時常用的澆注方法有：
　　1）熱型重力澆注方法有以下幾種。
　　這是用得較廣泛的一種澆注形式，即型殼從焙燒爐中取出后，在高溫下進行由澆注。此時金屬在型殼中冷卻較慢，能在流動性較高的情況下充填鑄型，故鑄件能很好復制型腔的形狀，提高了鑄件的精度。但鑄件在熱型中的緩慢冷卻會使晶粒粗大，這就降低了鑄件的機械性能。在澆注碳鋼鑄件時，冷卻較慢的鑄件表面還易氧化和脫碳，從而降低了鑄件的表面硬度、光潔度和尺寸精度。
　　2）真空吸氣澆注
　　將型殼放在真空澆注箱中，通過型殼中的微小孔隙吸走型腔中的氣體，使液態金屬能更好地充填型腔，復制型腔的形狀，提高鑄件精度，防止氣孔、澆不足的缺陷。該法已在國外應用。
　　3）壓力下結晶
　　將型殼放在壓力罐內進行澆注，結束后，立即封閉壓力罐，向罐內通入高壓空氣或惰性氣體，使鑄件在壓力下凝固，以增大鑄件的致密度。在國外較大壓力已達150atm。
　　4）定向結晶（定向凝固）
　一些熔模鑄件如渦輪機葉片、磁鋼等，如果它們的結晶組織是按一定方向排列的柱狀晶，它們的工作性能便可提高很多，所以熔模鑄造定向結晶技術正迅速地得到發展。
　　5.2 熔模鑄件的清理
　　熔模鑄件清理的內容主要為：（1）從鑄件上清除型殼；（2）自澆冒系統上取下鑄件；（3）去除鑄件上所粘附的型殼耐火材料；（4）鑄件熱處理后的清理，如除氧化皮、盡邊和切割澆口殘余等。
6 熔模鑄造工藝設計
　　如同一般鑄造工藝設計，熔模鑄造工藝設計的任務為：
　　（1）分析鑄件結構的工藝性；
　　（2）選擇合理的工藝方案，確定有關的鑄造工藝參數，在上述基礎上繪制鑄件圖；
　　（3）設計澆冒系統，確定模組結構。
　　在考慮上述三方面的問題時，主要的依據仍是一般鑄造過程的基本原則，尤其在確定工藝方案、工藝參數時（如鑄造圓角，撥模斜度、加工余量、工藝筋等），除了具體數據由于熔模鑄造的工藝特點稍有不同之外，而設計原則與砂型鑄造完全相同。
7 特點
　　熔模鑄件尺寸精度較高，一般可達CT4-6（砂型鑄造為CT10~13，壓鑄為CT5~7）,當然由于熔模鑄造的工藝過程復雜，影響鑄件尺寸精度的因素較多，例如模料的收縮、熔模的變形、型殼在加熱和冷卻過程中的線量變化、合金的收縮率以及在凝固過程中鑄件的變形等，所以普通熔模鑄件的尺寸精度雖然較高，但其一致性仍需提高（采用中、高溫蠟料的鑄件尺寸一致性要提高很多）。
　　壓制熔模時，采用型腔表面光潔度高的壓型，因此，熔模的表面光潔度也比較高。此外，型殼由耐高溫的特殊粘結劑和耐火材料配制成的耐火涂料涂掛在熔模上而制成，與熔融金屬直接接觸的型腔內表面光潔度高。所以，熔模鑄件的表面光潔度比一般鑄造件的高，一般可達Ra.1.6~3.2μm。
熔模鑄造較大的優點就是由于熔模鑄件有著很高的尺寸精度和表面光潔度，所以可減少機械加工工作，只是在零件上要求較高的部位留少許加工余量即可，甚至某些鑄件只留打磨、拋光余量，不必機械加工即可使用。由此可見，采用熔模鑄造方法可大量節省機床設備和加工工時，大幅度節約金屬原材料。本文由 吊鉤式拋丸清理機 生產廠家青島淳九整理
　　熔模鑄造方法的另一優點是，它可以鑄造各種合金的復雜的鑄件，特別可以鑄造高溫合金鑄件。如噴氣式發動機的葉片，其流線型外廓與冷卻用內腔，用機械加工工藝幾乎無法形成。用熔模鑄造工藝生產不僅可以做到批量生產，保證了鑄件的一致性，而且避免了機械加工后殘留刀紋的應力集中。