熔模铸造(教材)

第一章绪论

1 熔模铸造是一种近净成形工艺。

2. 随着技术的发展，熔模铸造已可以生产更大、更精、更薄、更强的产品。

更大更薄：最大轮廓尺寸可达1.8m，而最小壁厚却不到2mm，最大铸件重接近1000kg；

更精：一般线性尺寸公差为CT4~CT6级，特殊线性尺寸公差高的可达CT3级；

表面粗糙度值也越来越小，可达到Ra0.8um，甚至Ra0.4um；

更强：钛合金精铸技术使生产复杂钛合金铸件成为可能，特别是铸造大型复杂钛合金铸件可替代很对零件的组装件，大大减轻产品的重量又提高了产

品的强度。

3. 影响熔模铸件尺寸精度的因素归纳起来分为四个方面：铸件结构形状、大小

压型和生产工艺。

4. 熔模制造的应用实例：定向凝固和单晶叶片、工业涡轮叶片、前机匣、主屏

蔽罩、传动机匣、显示器框架。

第二章制模材料及工艺

1. 用于熔模铸造的制模材料应在下述性能方面满足一定的要求：熔点、热稳定性、流动性、收缩率、强度和塑形、焊接性、涂挂性、灰分。

2. 熔模制造工艺

影响熔模质量的主要参数有：压注时模料温度、压注压力对熔模尺寸的影响、充型时间（即充型速度）对熔模尺寸的影响、保压时间对熔模尺寸的影响、取模时间对熔模尺寸的影响、压型温度对熔模尺寸的影响。

第三章制壳材料及其基础知识

1. 熔模铸造的铸型目前普遍采用的是多层材料制成的型壳。

2. 型壳最本质的特点是具有整体的、无分型面、发气性低的、光洁的型腔表

面。

3. 对型壳性能的要求：

（1）强度

强度是型壳最重要、最基本的性能。在脱蜡、焙烧和浇注时，型壳将会受到各种应力的作用，若强度不够，型壳就会发生变形、裂纹或破碎。

随着铸件冷凝成型后，则要求型壳有良好的退让性，也就是残留强度主要低，以免阻碍铸件收缩和便于脱壳清理。此外，型壳还应具有高的表面强度，以免因液体金属流的冲刷作用或搬运型壳时，内外表面酥松、脱落。

型壳的常温强度，主要是根据粘结物对颗粒材料的附着力和粘结物本身的内聚力以及型壳的宏观结构而定。

对同一种粘结剂而言，型壳的强度随粘结剂与耐火材料的配比、耐火材料的粒度以及型壳的干燥硬化程度而变。不同的粘结剂型壳的强度也不同。

型壳的高温强度，除了与影响常温强度的因素有关外，在加热过程中强度发生变化主要与粘结剂和耐火材料的性质及其组成有关。

（2）透气性

透气性是指气体透过型壁的能力。

虽然型壳时焙烧后浇注的，但因型腔中及型壁空隙中充满着空气，或残

存着某些发气物质，浇注时空气和发气物质产生的气体发生膨胀，如果型壳的透气性不好，则气体不能顺利的向外排出，就可能使铸件形成气孔或浇不足等缺陷。

透气性主要取决于型壳结构的密实程度，而黏结剂的性质及含量、耐火材料的性质及粒度等均是影响型壳透气性的主要因素。随着温度的升高，型壁中空隙度增大以及裂纹产生，会提高透气性；而高温烧结及因温度升高气体粘度增大，则会使透气性下降。

注意：对提高型壳透气性有利的因素，往往是对型壳强度不利的因素。（3）热膨胀性

物体受热时发生气体膨胀的现象称为热膨胀。型壳的热膨胀性主要取决于耐火材料的化学矿物组成。

试验表明，在制壳时，若配制涂料所用粉料与撒砂材料为两种不同的耐火材料，则型壳的热膨胀性主要受膨胀量大的那种耐火材料的影响。

应当指出，热膨胀性是型壳的一个重要性能，它与铸件精度有着直接的关系，精铸不精的重要的一个因素是由于型壳耐火材料热膨胀量大而不均匀所造成的。

（4）热稳定性

热稳定性亦称抗急冷急热性或抗热冲击性，它是指型壳抵抗因温度急剧变化而不开裂的能力。

型壳在焙烧或浇注时，要求具有良好的热稳定性。

热稳定性是型壳的一个重要性能，而应力的产生使型壳破裂的主要原因。型壳发生破裂的可能性是随着热膨胀系数、弹性模数以及液体金属和型壳的温差之减少而减少；随着型壳的导热系数和强度极限之增大而减少。

实践证明，影响型壳热稳定性的主要因素是型壳的热膨胀性以及浇注时液体金属与型壳的温差。

（5）高温下化学稳定性

高温下化学稳定性是指型壳与高温液体金属接触时不发生相互化学作用的性能。型壳的高温下化学稳定性如果不好，浇注后容易与金属发生相互化学作用而造成铸件某些表面缺陷，如黏砂、麻点等。

型壳高温下化学稳定性主要取决于制壳原材料的性质及其中有害杂质含量。

4. 制壳耐火材料

（1）概述

熔模铸造型壳是由粘接剂、耐火材料及附加物组成的。其中耐火材料占总比重的90%以上，对型壳性能影响很大。制壳耐火材料应使型壳有足够的常温强度和高温强度，在高温下不发生变形；有良好的透气性、热震稳定性、热化学稳定性、脱壳性等性能。为此，制壳用耐火材料必须有足够的耐火度、热化学稳定性、小而均匀的热膨胀系数、合适的粒度，并要有利于涂料性能的稳定。此外，作为制壳材料还应对人体健康无害、货源充足和质量稳定。用于熔模铸造的耐火材料种类很多，按用途大致可分为：型壳面层用耐火材料、型壳加固层用耐火材料、陶瓷型芯用耐火材料及炉衬用耐火材料等四种类型。用于型壳加固层材料的有：莫来石、铝矾土及其他铝硅系耐火材料（如耐火粘土、匣钵砂、煤矸石等）；以及（英国）莫洛卡特（Molochite）等耐火熟料。近年来还应用氧化钙等作为制壳用耐火材料。在一定的温度范围内，有些耐火材料的热

膨胀比较均匀（如刚玉、氧化镁）而另有些耐火材料的热膨胀则不均匀（如石英）。耐火材料在高温下应具有良好的热化学稳定性，以保证铸件表面质量。另外，制壳用耐火材料还应具有合理的粒度组成，它直接影响型壳的致密度、强度和透气性。

（2）石英

石英砂（粉）可分为天然的和人造的两种。前者是堆积在河岸或沙丘上的天然石英砂（粉）；后者是将石英岩经机械粉碎、筛选和分级而成的，纯度较高。熔模铸造通常采用的是人造石英砂（粉）。熔模铸造用石英粉应有粗有细，粗细相镶，分散分布，最好为双峰分布。石粉厂已配制出人工级配粉供精铸厂使用，以稳定粉料质量。讲解老标准目数概念颗粒目数的定义：

所谓目数，是指物料的粒度或粗细度，一般定义是指在1英寸长度内有多少个网孔数，即筛网的网孔数，物料能通过该网孔即定义为多少目数：目数越大，说明物料粒度越细，目数越小，说明物料粒度越大。一般筛网网线宽度占35%，网孔宽度占65%。在自然界中出现的石英大多是低温型的，且主要是以β石英存在。因此，用石英作耐火材料制得的型壳，在加热至573℃时由β石英转变为α石英，这时随着多晶转化体积骤然膨胀，线膨胀值达 1.4%，对型壳得高温性能影响很大

（3）电熔刚玉

氧化铝在地壳中含量仅次于二氧化硅，但在自然界中很少以游离状态出现。铝的矿物约有250种之多，最主要为铝硅酸盐。氧化铝的变体有α、β、γ、等多种，其中主要是α、γ两种晶型。电熔刚玉为α氧化铝，工业氧化铝为γ氧化铝。通常说的刚玉就是指α，熔点为2030~2050℃，密度为

3.99~

4.00g/cm3 莫氏硬度9.0，仅次于10级的金刚石。热膨胀系数8.6X10-7/℃，热导性能较好，导电率低。一般来说，γ- Al2O3在1050℃以前是稳定的，1050~1500℃转化为α- Al2O3。工业生产中，用酸法或碱法处理铝矾土就可得到工业氧化铝（Al2O3），我国常用湿碱法生产。它是将铝矾土粉碎并与苛性碱混合，在经过高温蒸煮而成铝酸钠。目前熔模铸造用的白刚玉就是电熔刚玉α- Al2O3。它是工业氧化铝在电弧炉内经高温熔融、冷却结晶成锭块，再经粉碎、挑选，加工筛选而得。其中Na2O在熔体冷却时形成Na2O . Al2O3，呈大片状结晶颗粒。熔点仅1400℃，由于偏析，集中于锭块中心，可将锭块粉碎后挑出，但很难选净。故电熔刚玉产品中常含有少量（约0.6%）的Na2O成分。

电熔刚玉价格昂贵，通常用做高合金钢、高温合金以及镁合金等铸件表面层制壳材料。

（4）铝-硅系制壳耐火材料

粘土质耐火材料的耐火度与Al2O3：SiO2比值及熔剂杂质含量。有着密切关系。SiO2的熔点是1713℃，当含有少量的Al2O3时，共熔点显著下降。这说明石英砂中含有少量的Al2O3杂质是不利的，应避免混入。当冷却至1545℃以下时，液相不可能完全变成结晶相，其中有一部分包括因杂质而形成的、无固定组成的过冷玻璃相，故粘土烧结后必有一部分玻璃相存在，这就可能在不同程度上提高型壳的残留强度。耐火粘土通常是耐火度高的高岭石。高岭石是高岭土的主要成分，其分子式为Al2O3 . 2SiO2 . 2H2O,理论组成是Al2O339.48％，SiO246.6％，H2O13.92％，煅烧后是Al2O345.87％，SiO254.13％.纯高岭石为白色，密度2.6，熔融温度为1750~1787℃。粘土质耐火熟料是将块状的高岭石类