熔模铸造型芯、浇注、清理课件

1、2.4 熔模铸造型芯陶瓷型芯实例为什么要使用型芯？ 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。 陶瓷型芯是用粉状耐火材料（石英玻璃粉或刚玉粉）和作为增塑剂的蜡料（石蜡或蜂蜡等）以及一些其他附加物混成浆料的物质，在金属型中压制成型，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内腔。芯头自由端示意图a）焙烧前 b）焙烧后1-陶瓷型芯，2-熔模，3

2、-型壳，4-自由端蜡层陶瓷型芯单晶叶片陶瓷型芯实例对型芯的基本要求 耐火度高 （高于合金的浇注温度）热膨胀率低，尺寸稳定 （410-6/） 足够的强度 （常温强度和高温强度） 化学稳定性好 （不污染合金） 溃散性好，易脱除 （大多采用化学腐蚀法， 孔隙率约20%40%） 2.4.1概述型芯的种类按成型方法和工艺特点可分为：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型芯替换粘结剂型芯细管型芯2.4.2 热压注陶瓷型芯成分组成石英玻璃（基体材料）矿化剂增塑剂表面活性剂（1）二氧化硅基陶瓷型芯 石英玻璃在熔点以下处于介稳定状态，在热力学上是不稳定的，当加热到一定温度（透明石英玻璃为

3、1200，不透明的1100），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180270时，方石英又由型转变为型，同时体积缩小。石英玻璃存在析晶反应有害方面：体积变化，产生网状裂纹，降 低强度有利方面：玻璃态转化为晶态，抑止了玻 璃态软化的黏性流动，提高高温抗变形能 力；析晶体积膨胀抵消了一部分烧结收缩石英玻璃影响析晶的因素粒度杂质含量石英玻璃的烧结和析晶同时开始于1100 1200，烧成温度很难掌握 加入矿化剂可降低烧结温度常用矿化剂： 氧化铝系 氧化钙系 氧化锆系矿化剂增塑剂增加陶瓷浆料的塑性，保证压注成形常用增塑剂：石蜡、蜂蜡、硬脂酸为增加坯料强度，也加入高聚物（聚乙烯）

4、 增塑剂的用量对型芯孔隙率、抗弯强度、体积密度和烧成收缩率均有影响加入方法：将蜡熔融加入粉料中制成具有一定流动性的陶瓷浆料，以便形成坯体。加入量：一般为粉料的15%20%，在保证成形的条件下尽量少加，以减少收缩，增加强度。增加粉料颗粒与增塑剂的润湿，使两者能 够很好的混合、包覆 常用表面活性剂：油酸、脂肪醇添加量：粉料质量分数的0.5%1.0%表面活性剂二氧化硅基陶瓷型芯特点 石英玻璃很容易被碱金属盐所溶蚀形成可溶性硅酸盐而脱除型芯，脱芯时间随KOH或NaOH溶液的浓度和温度的不同而有所差别。 因此氧化硅基型芯的脱除是比较容易的。 当型芯使用温度大于1550，用于单晶浇注时，叶片的合格率会受到

5、影响，尤其是合金中含Al、Hf和C时，在1550以上硅基型芯会与之发生化学反应，因此石英玻璃基型芯只适合生产柱晶和单晶叶片，不能用于更高温度的定向凝固合金。 （2）氧化铝基陶瓷型芯 生产内腔更复杂的空心涡轮叶片，内腔为网格式气冷结构，要求陶芯有更高的强度，需采用氧化铝陶瓷型芯。 国内以621所（北京航材院）为首，以俄罗斯样品和资料为参考，开展了大量研究，已通过鉴定。目前存在问题：强度尚不够高，除芯困难。材料均不是中性，常加易溃散剂氧化铝基陶瓷型芯的成分主体为氧化铝含第二种材料：氧化镁、或氧化钇、或 氧化铒为多孔结构高孔隙率表面完整且致密有密度梯度氧化铝基陶瓷型芯的结构2.4.3 热压注陶瓷型芯

6、制芯工艺浆料制备 压制型芯坯体 装钵和填充填料焙烧强化 石英玻璃硅质型芯配方原料SiO2Al2O3增塑剂比例(wt%)851520浆料制备 混料时将按比例称好的石英玻璃和氧化铝原料进行球磨混合10小时，然后将增塑剂放入加热搅拌机内在100110时进行保温，加入混合好的原料，并同时搅拌，搅拌时间为12小时。将配制好的料浆浇成锭块备用或直接压注陶芯。 浆料的流动性是重要的基本性能之一。压制型芯坯体 热压注法制造陶瓷型芯的工艺参数控制类似于压注熔模。一般来说压力越大，压注温度越低，陶瓷型芯坯体变形越小，尺寸越准确。浆料压注温度 / 压注压力 /MPa压型温度 / 保压时间 /S脱模剂 80120 2

7、.74.0 3050 1030 硅油石英玻璃硅质陶瓷型芯坯体压注成形工艺参数装钵和填充填料 装钵是将压制成型的陶瓷型芯坯体埋入盛有填料的钵中，防止型芯在焙烧过程中变形损坏。 型芯在匣钵内的放置示意图常用填料：经1400煅烧46h的工业氧化铝 （如采用未经处理的工业氧化铝粉作 填料，在型芯焙烧过程中，都会不同 程度地与填料反应，造成型芯黏砂， 甚至产生裂纹或龟裂等缺陷）。 填充：每装一层氧化铝，均需在振幅为0.2 0.5mm的振动台上填充填料并振实 12min。 焙烧 T600：排蜡阶段。去除陶瓷型芯中的增塑剂。 为使坯体不产生起皮、鼓泡等缺陷， 此时升温要缓慢而均匀。当温度升至 600左右，陶

8、瓷型芯中的增塑剂基本 排出，处于完全松散状态。T900：烧结阶段。600以后可以快速升温至 终烧温度。通常终烧结温度在1100 1400之间，保温24h，冷却至200 左右可出炉。 热压注硅质陶瓷型芯的焙烧工艺规范强化 所谓强化就是将某种粘结剂溶液浸入已烧成的陶瓷型芯中以提高其强度。 强化分低温强化和高温强化。低温强化 目的：提高型芯的室温强度。 方法：将焙烧好的陶瓷型芯浸渗在溶有热固性树脂和固化剂溶液中。一般将型芯浸泡在强化剂中30min，常温强度可提高1.53倍。高温强化 目的：提高型芯的高温强度。 方法：浸入硅酸乙酯水解液或硅溶胶中，待气泡 消除后取出，自然干燥25h，能使高温 强度提高

9、30% 50%。 形状简单尺寸较大的型芯：机械脱除大多数陶瓷型芯用化学腐蚀法脱除 2.4.4 陶瓷型芯的脱除混合碱法（腐蚀性大，脱芯速度较快）碱溶液法（腐蚀性较小，脱芯速度慢）氢氟酸法（腐蚀性和毒性大）压力脱芯法（腐蚀性较小，脱芯速度较快） 脱芯槽结构示意图压力脱芯罐结构示意图 熔融碱反应脱芯装置 沸水溶芯装置 水溶型芯遇水能溶解或溃散，其主要优点是便于脱芯。但型芯必须能经受住脱芯时水溶液或水蒸气的浸蚀。 常用的水溶型芯有： 水溶石膏型芯 水溶陶瓷型芯2.4.5 水溶型芯普通水玻璃砂型芯的问题：常温强度及高温强度低，脱蜡时易破碎清理困难表面质量和尺寸精度差2.4.6 水玻璃砂型芯解决办法用高模

10、数水玻璃增加型芯的抗水性使用较细的型砂，增加水玻璃用量，提高 型芯的强度在型芯表面涂一层水玻璃面层涂料或喷水 玻璃，提高强度和表面质量加入易溃散剂，解决型芯清理困难的问题改变玻璃相出现温度和数量的物质： CaO、MgO、云母、长石等。 易溃散剂高温下分解出气体的物质：煤粉、重油、CaCO3、磷酸盐等2.5 熔炼浇注与清理2.5熔炼浇注与清理应根据合金种类来选择熔炼设备及工艺熔模铸造以高温合金钢、低合金钢、碳钢 为主，次之为有色合金，铸铁占10%左右2.5.1熔炼部分高温合金真空感应电炉钛合金真空自耗电极电弧凝壳炉真空熔炼一般钢、铜 铝 铸铁非真空熔炼2.5.1熔炼真空自耗电极电弧凝壳炉高温合金

11、真空感应熔化炉2.5.2常用浇注方法 重力浇注 重力浇注（浇包、直接、翻转浇注） 浇包浇注热损失大、降温快金属液氧化较严重，易夹渣应用广泛浇注现场炉嘴型壳减少了转包过程中的降温和金属液氧化、夹渣要求型壳必须具有较高的强度直接浇注 应用于中小精铸件将型壳倒扣在坩埚上，将坩埚缓慢翻转， 使金属液浇入型壳金属液基本不氧化，又不降温，流动平稳， 但需专门设备用于质量要求高，含铝、钛、铌等易氧化 元素的不锈钢、部分高温合金翻转浇注翻转浇注示意图（a）安装型壳（b）翻转浇注 (c)充型完毕翻转浇注 优点：流动性好，轮廓清晰，尺寸精度高 缺点：（1）晶粒粗大，机械性能低 （2）铸件表面脱碳、氧化热型重力浇注

12、（1）细化晶粒表面孕育的方法 使用混有表面孕育剂的涂料作为面层涂料制造型壳，加速冷却也可在一定程度上细化晶粒（2）控制浇注气氛为还原性改善措施真空吸铸（CLA法） 这种浇注方法的优点是提高了合金液的充型能力，铸件最小壁厚可达0.2mm，同时减少气孔、夹渣等缺陷，可显著提高铸件的工艺出品率（90%），特别适合生产质量要求较高的小型精细薄壁铸件。真空吸铸过程 真空吸铸工艺过程示意图 a）安装待吸型壳 b）抽真空并开始吸铸 c）充满金属液铸件凝固 d）吸铸结束直浇道内属液回流离心浇注离心浇注机示意图 将金属液浇入旋转铸型中，让金属液在离心力作用下成型 应用：复杂薄壁件，流动性不佳的金属成形（如钛合金

13、）调压浇注 在真空中一定压差下将金属液压入型腔，充型压差为0.01MPa0.02MPa。随后保持压差并增大压力至0.5MPa0.6MPa，使铸件在此压力下结晶。浇注铝合金时浇注温度680700，型壳温度200300。低压铸造 在金属液面上加空气压力使金属液在压力下，由下而上的充满铸型 应用：大型复杂薄壁件上定向凝固 液态金属冷却法让铸件按照指定方向凝固应用：航天航空用涡轮叶片等定向凝固2.5.3 清理 （1）清理工序清除型壳切割浇口磨内浇口清砂除氧化皮表面清整（2）清除型壳振动清壳高压水清理 用104OMpa高压水射到铸件表面，清除型壳高压水清理可使铸件轮廓清晰、表面光洁生产效率高劳动条件好经

14、济性好高压水清理 当喷嘴直径为0.51.5mm时，最大冲击力在离喷嘴100300mm处。 铝铸件 用810Mpa高压水 钢铸件 用2040Mpa高压水（3）切割浇口砂轮切割 平 应用：碳钢、低合金钢、高合金钢、钛合金的中小件 气割 不平 应用： 碳钢、低合金钢切割浇口（4）表面清理喷砂喷砂自动线喷干砂 利用压缩空气带24300目砂喷出对铸钢件可喷刚玉砂、碳化硅砂、硅砂对铸铝件可喷玻璃砂、硅砂湿喷砂 湿喷砂又称液体喷砂，水带着砂喷在铸件表面。比干喷砂有更好的表面光饰作用有更好的工作环境喷砂自动线（5）精整 修正（砂轮、砂带、风动砂轮、锉刀等） 矫正 光饰（液体喷砂、砂带磨光、振动光饰等） 表面处理（钝化、防锈）种类机械整形手工整形钝化(如美300系列不锈钢钝化工艺)抛丸水冲洗酸洗水冲洗抛丸水冲洗钝化碱洗水冲洗光整水冲洗热水洗吹干酸洗 酸洗液（40