《熔模精密铸造硅基陶瓷型芯设计规范》

ICS81.060.99

CCSV94

团体标准

T/CIXXXX—XXXX

熔模精密铸造硅基陶瓷型芯设计规范

Thedesignstandardsofsilica-basedceramiccoresforinvestmentcasting

（征求意见稿）

在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

中国国际科技促进会发布

T/CIXXXX—XXXX

熔模精密铸造硅基陶瓷型芯设计规范

1范围

本文件规定了硅基陶瓷型芯特征结构设计要求、使用性能设计要求和模具设计要求。

本文件适用于高温合金、不锈钢、钛合金等多种合金材料熔模精密铸造中使用硅基陶瓷型芯的制造

工艺设计参考。

2规范性引用文件

本文件没有规范性引用文件。

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

熔模精密铸造investmentcasting

用蜡做成模型，在其外表包裹多层粘土、粘结剂等耐火材料，加热使蜡熔化流出，从而得到由耐火

材料形成的空壳，再将金属熔化后灌入空壳，待金属冷却后将耐火材料敲碎得到金属零件的金属热成形

工艺，也称为熔模铸造或失蜡铸造。

3.2

硅基陶瓷型芯silica-basedceramiccores

氧化硅为主材（质量分数大于50%）的陶瓷型芯，本文件简称陶瓷型芯。

3.3

陶瓷型芯设计thedesignofsilica-basedceramiccores

为得到熔模精密铸造铸件内空腔结构，而开展的关于陶瓷型芯结构设计、原材料体系设计、陶瓷型

芯成形模具设计、陶瓷型芯制造工艺设计等相关设计工作。

3.4

单晶陶瓷型芯singlecrystalceramiccore

在熔模精密铸造过程中，采用定向凝固技术，用于生产单晶叶片而定制开发的陶瓷型芯。

3.5

定向晶陶瓷型芯directionalcrystallineceramiccore

在熔模精密铸造过程中，采用定向凝固技术，用于生产定向晶叶片而定制开发的陶瓷型芯。

3.6

等轴晶陶瓷型芯equiaxedceramiccore

在熔模精密铸造过程中，用于生产等轴晶叶片及等轴晶结构件而定制开发的陶瓷型芯。

3.7

陶瓷型芯芯头ceramiccorehead

陶瓷型芯两端非铸件有效结构，在精密铸造中起到定位和固定的结构部分。

3.8

室温强化intensifyatroomtemperature

采用有机类强化剂，如树脂材料等，通过浸渍固化等工艺，提高陶瓷型芯室温强度而满足后续发运、

压蜡等强度需求而做的陶瓷型芯强化工艺。

3.9

陶瓷型芯素坯greenceramiccore

经过模具注浆成形而未进行烧结的陶瓷型芯样件。

3.10

Fire-to-Cast收缩率

1

T/CIXXXX—XXXX

也称为陶瓷型芯二次收缩率，简称FC收缩率，代号ηFC，陶瓷型芯在使用高温条件下会产生收缩，

指从陶瓷型芯产品尺寸（λF）到陶瓷型芯在使用的高温温度和保温时间条件（无金属液包覆凝固）下，

陶瓷型芯实测尺寸（λC）的收缩变化率，定义为ηFC=(λF-λC)/λF。

3.11

注料嘴injectionnozzle

模具上直接接触设备射嘴的部件，是熔融状态的原材料进入模具型腔的组成部分。

3.12

主流道mainstreamRoad

注料嘴通道在模具中延续的部分。

3.13

浇口gates

主浇道接通型腔的部分。

3.14

胶位gluebit

成型制品的空腔区域，也称型腔。

3.15

分型面partingsurfaces

上下模闭合状态下能接触到的面。

3.16

插穿interpolate

分型面的特殊情况，通过侧面贴合封胶，形成制品局部特征。

3.17

碰穿bump

分型面的特殊情况，通过正面贴合封胶，形成制品局部特征。

3.18

枕位Occipitalposition

主分型面局部凹陷区域。

3.19

油槽Oilsump

零件上用来存储润滑剂的凹槽。

3.20

镶拼/镶件Inlays/inserts

单独分割开最终又连结固定在主体上的零件。

3.21

通镶/盲镶Through/blindmounting

镶件贯穿/未贯穿主体的镶拼设计方式。

3.22

冷料井Coldwells

设置在流道尽头，用来储存最先从进料嘴进入模具型腔的凝料。

3.23

排气系统Exhaustsystem

成型过程中，将型腔以及制品成型过程中卷入气体排出型腔外的系统。

4型芯特征结构设计要求

4.1型芯最薄壁设计要求

4.1.1最薄壁厚度尺寸及精度设计要求

2

T/CIXXXX—XXXX

陶瓷型芯的进气边、排气边等结构趋于向薄壁发展，最薄壁厚设计主要考虑该位置型芯结构强度、

硅基陶瓷型芯脱芯液浸渗能力和浆料粒度分布等因素影响，建议最小壁厚≥0.4mm，尺寸精度不高于±

0.04mm。

4.1.2最薄壁长度尺寸要求

陶瓷型芯最薄壁长度为沿浆料流进方向可填充的长度或深度，根据陶瓷型芯成形能力和脱芯条件评

估，建议陶瓷型芯最薄壁长度不大于15mm。

4.2圆柱结构设计要求

4.2.1最小圆柱尺寸及精度设计要求

基于浇铸强度，陶瓷成形填充能力、烧结后强度等多因素作用，建议陶瓷型芯最小圆柱不小于0.8mm，

成形精度不高于±0.06mm。

4.2.2预埋圆柱件设计要求

基于陶瓷型芯成形能力、预埋件强度、脱芯能力等因素影响，采用高刚玉（99.9%）成形陶瓷棒最

小尺寸不小于φ0.5mm，采用高纯氧化硅（99.99%）成形石英棒最小尺寸不小于0.8mm。

4.3扰流柱孔设计要求

4.3.1最小孔直径尺寸及精度设计要求

基于金属成形填充能力等因素影响，建议陶瓷型芯最小圆柱直径（φ）不小于0.3mm，成形精度不

高于±0.05mm。

4.3.2最小孔深度尺寸要求

基于金属成形填充能力、模具支撑强度等因素影响，建议陶瓷型芯最小圆柱孔深(h)满足：h≤5φ。

4.4条形通孔设计要求

4.4.1条形通孔最小尺寸及精度设计要求

陶瓷型芯条形通孔厚度不小于0.5mm，成形精度不高于±0.05mm。

4.4.2加强筋尺寸及精度设计要求

陶瓷型芯条形通孔每45mm设置加强筋，加强筋厚度不小于1mm，加强筋宽度不小于3mm，加强筋成形

精度不做要求。

4.5芯头设计要求

4.5.1芯头与模壳匹配设计要求

硅基陶瓷型芯与铝基型壳材料热膨胀系数不同，建议采用芯头一端与型壳烧结固定（锁死端），另

一端在平行型芯长度（L1）方向预留自由伸缩长度，确保自由移动距离大于±L1×2%；在垂直型芯长度

方向可预留一定间隙，一般不大于0.5mm。

4.5.2芯头特征结构设计要求

在陶瓷型芯芯头与模壳固定端（锁死端）特征结构设计包括“T”型结构、方形凸起或方形通孔等，

可强化固定效果。

4.5.3芯头尺寸和精度设计要求

陶瓷型芯芯头尺寸一般不大于型芯中部结构尺寸，涉及芯头定位要求的成形精度一般要求±0.1mm，

特殊情况可另行说明。

4.5.4芯头统一标识和打标位置推荐

3

T/CIXXXX—XXXX

陶瓷型芯标识应涵盖型芯厂家、型芯批次号、型芯炉次号、型芯序号等基本信息；打标位置可在芯

头平整区域，字号高度大于5mm；可选择喷墨打印或激光打标。

4.6型芯外表面缺陷修补设计要求

4.6.1型芯可修补外表面缺陷要求

可修补的陶瓷型芯外表面缺陷包括裂纹、缺肉、凸起鼓包。

4.6.2型芯缺陷去除方法要求

对缺陷区域进行有效去除，主要采用切削、腐蚀、刻蚀等方法。去除后，陶瓷型芯基体其他位置不

应被破坏，陶瓷型芯去除区应保持相应反应活性。

4.6.3型芯缺陷去除区几何结构设计要求

4.6.3.1裂纹去除区设计要求

对于陶瓷型芯表面裂纹去除区，采用图1设计方案，其中，宽度w≤0.5mm，底部角θ≤60°，长度l≥

裂纹长度。

图1裂纹缺陷去除区设计图

4.6.3.2表面孔隙和凹陷去除区设计要求

对于陶瓷型芯表面孔隙和凹陷缺陷的去除区，采用图2设计方案，其中，直径φ≥φc，φc为裂纹

覆盖范围表面最大长度，底部角θ≤60°。

图2表面孔隙等缺陷的去除区设计图

4.6.4型芯缺陷去除区填补材料设计要求

4.6.4.1填补材料基本性能要求

填补材料应于陶瓷型芯基体主材一致，即均为氧化硅材料；填补辅助材料在激光、等离子体等作用

下应当与基体氧化硅晶粒有反应活性，形成冶金结合界面，该界面湛蓝液无法渗入。

4.6.4.2填补材料使用性能要求

填补材料在陶瓷型芯二次焙烧温度下（一般大于1400℃）不发生塌缩，且与陶瓷型芯基体的冶金

结合界面不会在焙烧温度下再次发生开裂。

4

T/CIXXXX—XXXX

5陶瓷型芯使用性能设计要求

5.1单晶陶瓷型芯力学性能设计要求：

a)室温强度：单晶陶瓷型芯同炉次试样条室温强化后，强度需大于35MPa；

a)高温强度：基于浇铸条件、合金理化性能，在浇注温度条件下，单晶陶瓷型芯高温强度不小

于10MPa，不大于22MPa；

b)高温挠度：单晶陶瓷型芯在浇注温度条件下，挠度不大于(36/L2)mm,L2为陶瓷型芯不含芯头

部分的长度。

5.2定向晶陶瓷型芯力学性能设计要求：

a)室温强度：定向晶陶瓷型芯室温强度需大于35MPa；

b)高温强度：基于浇铸条件、合金理化性能，在浇注温度条件下，定向晶陶瓷型芯高温强度不

小于15MPa，高温强度不大于25MPa；

c)高温挠度：定向晶陶瓷型芯在浇注温度条件下，挠度不大于(60/L2)mm,L2为陶瓷型芯不含芯

头部分的长度。

5.3等轴晶陶瓷型芯力学性能设计要求：

a)室温强度：等轴晶陶瓷型芯同炉次试样条室温强化后，强度需大于40MPa；

b)高温强度：在浇注温度条件下，等轴晶陶瓷型芯高温强度不小于25MPa。

5.4单晶及定向晶陶瓷型芯收缩率设计要求：

a)单晶及定向晶陶瓷型芯沿长度方向收缩率推荐范围ηL∈[0.6%,1.2%]；

b)单晶及定向晶陶瓷型芯沿宽度方向收缩率推荐范围ηW∈[1.2%,1.8%]；

c)单晶及定向晶陶瓷型芯沿厚度方向收缩率推荐范围ηH∈[1.2%,1.8%]；

d)单晶及定向晶陶瓷型芯Fire-to-Cast收缩率推荐范围ηFC∈[0.9%,1.0%]。

5.5等轴晶陶瓷型芯收缩率设计要求：

a)等轴晶陶瓷型芯沿长度方向收缩率推荐范围ηL∈[0.6%,1.2%]；

b)等轴晶陶瓷型芯沿宽度方向收缩率推荐范围ηW∈[0.6%,1.2%]；

c)等轴晶陶瓷型芯沿厚度方向收缩率推荐范围ηH∈[0.6%,1.2%]；

d)等轴晶陶瓷型芯Fire-to-Cast收缩率推荐范围ηFC∈[0.9%,1.0%]。

5.6硅基陶瓷型芯高温化学稳定性设计要求：基于氧化硅材料在高温条件下的活性，浇铸合金一般含

少量或不含Ti、Cr、Co、Al等金属元素。

6型芯模具设计要求

6.1模具系统结构设计要求

6.1.1模具浇注系统

模具浇注系统设计应符合以下要求：

a)注料嘴采用镶拼形式，与设备连接处设计SR球面，球面直径需与其适配的设备射嘴球头相匹

配，弧长弦高3mm-5mm，推荐规格：SR9.5SR9.75SR10等规格。注料嘴镶件尽量设计在

模具中心位置，允许偏心15mm以内；

b)主流道设计为直径φ6mm-10mm的圆形流道。或采用梯形流道，通常设计高度h=2/3宽度，

梯形斜度取5°和10°，底部宽度4mm-12mm。所有流道必须开设冷料井。冷料井长度要求

是流道直径的2倍；

c)浇口设在胶位厚壁处、产品最容易清除的地方、尽量避免熔接痕的产生、避开薄弱的型腔。

浇口设计可分为：直浇口、扇形浇口。厚度均不得超出壁厚的1/3。与型腔连接处圆滑过渡。

见图3。

5

T/CIXXXX—XXXX

图3模具浇注系统结构简图

6.1.2模具开模方向及分型

模具开模方向及分型的设计应符合以下要求：

a)开模方向应尽量避免滑块和抽块产生多重角度；

b)分模面要沿胶位面拉伸，避免线或点封胶；

c)分模面保证封胶面8mm-10mm，剩余部分尽量做成平面便于加工；

d)分模面在满足制品外观和结构装配时，尽量保持平整；

e)枕位、插穿位、碰穿位设计注意事项：

1)枕位设计宽度大于等于5mm；枕位的封胶面留有5mm～20mm，其它部分避空；枕位的斜

度落差至少要保持0.5以上、枕位要避免45°以下的尖角产生；

2)插穿斜度要保持2°-5°，有较长的插穿胶位时要加油槽；

3)碰穿设计要有较大面积时，留有5mm-10mm封胶面，其它部分避空，避空深度在0.1mm～

0.15mm，同时要加设排气孔，防止困气；

4)型芯镶拼的选择。通镶优先使用挂台定位。挂台规格：宽度2mm、3mm、5mm，深度5mm；

抽块挂台需两侧同时设计。除封胶面外，可避空的部位都应避空，R角要尽可能的大，方

便加工。

6.1.3模具开模控制系统

6.1.3.1手动开模模具控制系统设计要求：

a)手动开模模具整体重量不超过30KG，单个活块重量不超过2KG。特殊情况需设计吊装螺丝孔，

借助行车实现开模；

b)需拆卸零件要做好防护，避免磕碰造成设备或模具损伤（例如上模分型面增加橡胶垫，压紧

框设计护角）；

c)互换件或相似件需设计防错机构，避免错误安装导致制品异常或压模；

d)模具零件标识需清晰不易磨损，与安装位置明确对应；

e)所有活块、滑块、抽块需设计撬口，并安装手把。位置不允许安装手把时需保留螺纹孔，配

备专用工具，所有取模螺纹孔规格统一。

6.1.3.2自动模具控制系统设计要求：

a)设备开模时需选择可靠附件（锁模装置、拉杆螺丝、弹簧）严格控制开模顺序，各活动部件

需通过机台接入接近开关，保证合模时，各部件位于开模初始状态；

b)模具接入感温探头，实时监控生产时模具温度的变化状况。超出设定温度将提醒设备报警并

进入待机状态。

6.1.4模具冷却系统

模具冷却系统设计要求：

a)模具采用循环水实现控温；

b)水路设计应防止漏水到型腔、且不影响工人操作。工人一般在设备右侧（正对注射嘴时设备

的右侧，下同），因此水路外接口应设计在设备左侧；

6

T/CIXXXX—XXXX

c)快速接头必须沉入模板内，防止模具装卸时碰伤；

d)快速接头必须表面可见，易安装，如果不可见需要使用加长水嘴；

e)水孔距顶针、斜顶和镶件边的最小距离不小于5mm。水孔间距及型腔之间的关系见表2；

表2模具冷却系统相关参数设计表

单位：mm

参数系列1系列2系列3系列4

水孔直径（d）661012

水孔间距30405060

水孔及型腔间距1.6d

水井直径16202428

水嘴1/8¼

f)密封圈标准规格见表3；

表3密封圈标准规格表

单位：mm

运水直径密封圈尺寸密封圈安装槽尺寸

内径胶圈厚度内径外径深度

6828141.6

812211161.6

10142.413211.8

12162.415231.8

g)密封圈安装。中心离侧壁的距离应等于胶圈的外径；

h)模具较大时，要考虑在模板设计水路；当型芯无法走水路时，要在型芯周围的模架上设计水

路来冷却型芯；滑块胶位面积较大时要考虑设计水路；水路进出孔需标记。进水标记“In”，

出水标记“Out”，并在进出标记下方标记螺纹接头的规格。

6.1.5模具排气系统设计要求

模具排气系统的设计应符合以下要求：

a)一级排气间距6mm，类型方槽，二级排气中心距10mm，主排气宽度4mm，主排气深度0.5mm，

胶口排气深度0.04mm，主排气与胶口距离4mm，排气槽应沿型腔整圈均匀分布；

b)滑块、抽块、镶块等在不影响产品外观质量的前提下都需要设计排气槽；

c)排气槽出气口设计在注料嘴一侧或模具上方。

6.1.6模具顶出系统设计要求

6.1.6.1模具手动顶出系统设计应符合以下要求：

a)手动顶出适用于生产批量小，顶出行程不大于12mm，重量在30kg以内的小型模具；

b)手动顶出设计时可留出手扣位置，手动直接将顶针板抬高完成顶出动作；也可借助偏心轴旋

转完成顶出动作。偏心轴顺时针旋转为顶出方向，需在模具外侧标刻说明。

6.1.6.2模具液压电动顶出系统设计应符合以下要求：

a)液压电动顶出适用于批产模具和尺寸较大的模具。由设备自带的顶杆配合实现顶出；

b)模具设计时需考虑顶针板设计中托司进行导向，数量根据模具大小而定，300×300mm2以内两个

即可，300×500mm2需设计四个。同时需接入行程开关予以监控模具顶出是否正常复位，消除潜

在压模风险。

6.1.6.3模具气动顶出系统：气动顶出一般是用于大型手动模具。由顶出行程确定气缸规格，根据模

具大小均布安装多个于顶针板底部。相邻气缸距离在400mm-500mm之间。气路开关安装在工人站立侧（设

备右侧），模具开模完成顶出工作。

6.2超气冷双层壁陶瓷型芯模具设计要求

6.2.1超气冷双层壁陶瓷型芯模具设计要求：

a)对于超气冷双层壁陶瓷型芯，模具结构无法或者很难直接一次成型，需采用多步成形方法；

7

T/CIXXXX—XXXX

b)可溶性型芯模具设计，通过用一种可溶性材料形成双层壁内部型状，将可溶性材料作为预埋

件放入陶芯模具中一次压制陶芯成型；

c)将压制出的整体制品放入酸性溶液，将可溶性型芯完全溶解，得出最终完整陶瓷型芯；

d)陶芯模具设计时水溶芯的定位需安全可靠，与模具贴合部分需严格控制间隙，合模时不能出

现压碎或压裂，也不能出现晃动。

6.2.2水溶芯相关设计要求：

a)水溶芯模具在设计脱模斜度时加料处理；

b)水溶芯自身强度必须足够，避免充型过程中因注射压力导致变形破损，一般室温强度大于

15MPa。

6.3模具制造工艺设计

6.3.1模具寿命设计要求：

a)科研类模具寿命≥10000次；

b)批产类模具寿命≥50000次。

6.3.2模具材料选择要求：

a)推荐模具材料牌号见表4；

b)需热处理模具，上模淬火硬度应比下模高3-5（HRC）；

c)活动零件硬度应高于主体3-5（HRC）；

d)材料订购尺寸规则见表5；

e)模具最小尺寸为120×120；

f)热处理材料订购时长、宽、高方向各加大0.5～1，已补偿热处理产生的变形；

g)模架材料无特殊要求选用S55C.上下。

表4模具材料牌号推荐表

材料牌号用途热处理及表面处理

SKD11等定型批产陶芯模具的型腔零件HRC48-52

NAK80等科研类陶芯模具的型腔零件离子渗氮

8407/H13等抽块滑块顶出块HRC48-52

H62等轴套、导向块、耐磨块等——

P20等滑块座，固定模板手把等发蓝

表5模具原材料规格推荐表

单位：mm

产品尺寸（X、Y）产品及模具边缘的距离（X、Y）产品及模具边缘的距离（高度Z向）

100以下2025

150以下2530

250以下30