第六章 陶瓷型铸造

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－ －
＜0.5
＜ 0.15 － 1～ 1.5
－
－ － 0.4～ 0.8 0.7～ 0.4 －
1713
2045 1900 1700 ～ 1790 ≈1800 1800
2.65
3.95～ 4.02 3.95～ 4.02 2.62～ 2.65 3.2～3.4 2.8～3.1
12.5×10－6
8.6×10－6 8.6×10－6 5.0×10－6 (5.0～ 5.8×10－6 5.4×10－6
• 6.3.5 焙烧
• 焙烧的目的是使陶瓷型内残存的乙醇、 水分和少量的有机物烧去，并使陶瓷层的 强度增加。
•
全部由陶瓷浆料灌制的陶瓷型，焙烧 温度可高达800℃，焙烧时间2~3h，出炉温 度应在250℃以下，以防止产生裂纹。
带有水玻璃套的陶瓷型，焙烧温度 （烘干）在350~550℃。
•
• 6.3.6 浇注与清理
表9-3 硅酸乙酯40的水解液配方表
硅酸乙酯 硅酸乙酯技术指标 40
水
乙醇
盐酸
体积分数为 体积分数为 36.5% 密度 蒸馏水 96.5% 为1.189g/ cm3
加入量
100g
11.25g
138.75ml
适量
• （4）陶瓷浆料催化剂 • 水解硅酸乙酯即硅酸胶体，其自身的胶凝 时间很长，而作为陶瓷型的粘结剂时必须缩短其 胶凝时间。因此应加入催化剂来加速和控制其凝 固时间。催化剂的种类很多，国外常用有机胺类， 国内常用Ca(OH)2或MgO等。 • 目前国内陶瓷型浆料常用的催化剂为分析 纯的粉末状氢氧化钙，应保存在密封的玻璃容器 中，以防止吸潮而失去作用。在生产大件时，由 于浆料过多，为了使催化剂搅拌均匀便于灌浆， 结胶时间控制在8~l0min左右，而一般的小件结胶 时间为3~5min。
•
硅酸乙酯只有经过水解反应后，才能变为 硅酸胶体溶液。所谓的水解反应就是硅酸乙酯和 水及溶剂酒精，通过酸的催化作用而发生的反应， 其实质是硅酸乙酯中的乙氧基C2H5O被水中的羟 基（OH）所取代，同时发生聚缩反应。水解反应 方程式如下： （C2H5O）4Si+2H2O→SiO2+4C2H5OH
水解反应的主要原材料有硅酸乙酯、乙醇、 盐酸和水。
• 陶瓷型铸件表面粗糙度可达Ra10～1.25微 米,尺寸精度高达3～5级,能达到少无切削加 工的目的。陶瓷型铸造生产周期短，金属 利用率高。最大铸件可达十几吨，陶瓷型 铸造模具的使用寿命可与用机械加工方法 制成的模具相媲美，而制造成本则比用机 械加工方法制成的模具低。
小结：
陶瓷型铸造的特点：
• （3）硅酸乙酯水解液的配料计算 • 为使硅酸乙酯水解液具有稳定性好、成壳 强度高和合适的硬化速度等特性，水解液需有合 适的成分含量，其中主要的是加水量的计算。加 水量应使水解后硅酸乙酯中的H2O和SiO2的有适 当的摩尔比，一般控制在0.25～0.75之间。溶剂 的加入量直接影响到水解液中的SiO2含量，水解 液中SiO2的含量应控制在18～22％，当SiO2的含 量在20％时，型壳的强度最高。水解液的pH值一 般在1～2，相应的盐酸含量约为0.036%~0.36%， 一般取0.2％。 • 根据以上原则，可计算出水解100g硅酸乙 酯所需加水量、溶剂及盐酸的用量。水解液的具 体配方如表9-3。
1. 铸件的表面质量好：表面光洁度高； 尺寸精度高。 2. 可以铸造大型铸件。 3. 投资少，投产快，生产准备周期短。 4. 原材料价格昂贵。 5. 小批量生产，难于实现机械化自动化。
6.3 陶瓷型铸造工艺
• 工艺流程：
• 6.3.1 陶瓷型所用的造型材料
• • 陶瓷型所用的造型材料包括耐火材料、粘结剂、 催化剂、脱模剂、透气剂等。 1．耐火材料，陶瓷型所用的耐火材料要求杂 质少，熔点高和高温热膨胀系数小。可作陶瓷型的 耐火材料有刚玉粉、铝矾土、碳化硅及锆砂粉等。 2．粘结剂，陶瓷型常用的粘结剂是硅酸乙酯 水解液。 3．催化剂，陶瓷浆料所用的催化剂有氢氧化 钙、氧化镁、氢氧化钠以及氧化钙等。
第六章
陶瓷型铸造
陶瓷型铸造
陶瓷型铸造定义
陶瓷型铸造分类
陶瓷型铸造的优缺点 陶瓷型铸造工艺 陶瓷型铸造的应用
6.1 概述
6.1.1 定义：陶瓷型铸造是以硅酸乙酯为 粘结剂，与耐火材料、催化剂和一些附 加物混合搅拌成浆料，然后将浆料灌注 成铸砂，在催化剂的作用下，液态的浆 料逐渐发生胶凝、固化，再经过焙烧最 终形成陶瓷型的铸型（芯）的一种精密 铸造成形方法。
表6-2 工业硅酸乙酯SiO2及杂质的含量和主要物理性能
SiO2 （质量分数，％）
酸度（HCl） （质量分数，％）
粘度 密度 （20℃） （20℃） /（mm2/s） /(g/cm3) 3.0 0.95 1.05 0.944
硅酸乙酯-40 硅酸乙酯-32
40.68 30.67
0.015 0.04
• （b）乙醇 由于硅酸乙酯与水不相溶解，但是， 两者都溶解于乙醇，所以硅酸乙酯-40的水解是在 乙醇—水的溶液中进行的。硅酸乙酯水解时要严 格控制水的加入量，计算时要考虑乙醇中的含水 量。 • （c）盐酸 为了加速硅酸乙酯水解反应过程和将 水解液的酸碱度控制在稳定性最大的范围内，一 般要加入盐酸，它能够与硅酸乙酯发生化学反应， 生成易水解的氯化正硅酸乙酯中间产物。 • （d）水 陶瓷型制作时一般用工业蒸馏水，由于 自来水中含有氯离子等杂质，它会使硅酸乙酯水 解液产生白色絮状物析出，而影响表层的强度。 • （e）其他附加物 为了提高陶瓷型的强度、韧性 和防止出现裂纹，水解反应中加入少量的硫酸、 醋酸、硼酸或甘油等。
• •
• •
4．脱膜剂，常用的脱模剂有上光腊，变 压器油，机油、有机硅油及凡士林等。 5．透气剂，在陶瓷浆料中加入透气剂以 改善陶瓷型的透气性。常用的透气剂是双氧水， 其加入量为耐火粉料重量的0．2～0．3%。
陶瓷型所用的造型材料 • （1）耐火材料
•
决定陶瓷型使用性能的主要因素是耐火 材料。因此，合理选用耐火材料是关系到陶瓷 型工艺的关键问题。选用耐火材料时需要考虑 三方面的问题；物理性能、化学成分和粒度以 及粒度的分布。表9-1列出了陶瓷型铸造常用 的耐火材料的物理性能与化学成分。
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• （a）硅酸乙酯40 硅酸乙酯是由四氯化硅和无水 乙 醇经化学反应而制得，即
•
SiCL4+4C2H5OH→（C2H5O）4Si+HCL
•
陶瓷型铸造通常用硅酸乙酯-32（30 ％～34％SiO2）和硅酸乙酯-40（38％～ 42％SiO2）。其主要物理性能见表9-2。实 验证明，在采用相同的SiO2含量条件下， 硅酸乙酯-40比硅酸乙酯-32的强度高.硅酸 乙酯的杂质含量低，耐火度高，因而实践 中首选硅酸乙酯-40。
铝钒土 莫来石
－ － ＞ 65.0
0.8～ 1.4 －
锆砂
＜0.4
－
2430
4.7～4.9
4.6×10－6
• （2）粘结剂
• 陶瓷型常用的粘结剂是硅酸乙酯， 硅酸乙酯经过水解才具有粘结能力。水解 时要加水、盐酸及乙醇等化学物质。水解 后产生硅溶胶，再在催化剂的作用下，转 变成凝胶，将耐火材料牢固粘结在一起， 形成铸型。水解硅酸乙酯粘结剂，由于不 含Na2O等杂质，表面张力大和粘度小，故 粘结性能好。
• 陶瓷型浇注时一定要注意挡渣。浇注 温度与浇注速度可比同类型的砂型铸件稍 高。陶瓷型铸件最好待冷却至室温时再打 箱，这样可防止铸件裂纹与变形。
工艺过程图
• 3.2.3 陶瓷型的制备
• （1）陶瓷型浆料的配制 • 陶瓷型浆料是由耐火材料、粘结剂 和催化剂等组成的。对耐火材料的要求是： 耐火度高、线胀系数小、热化学稳定性好， 资源丰富和价廉无毒等。目前能用的耐火 材料品种繁多，选用时可根据合金的种类、 铸件的大小和要求选择。对于尺寸精度高 的合金钢热锻模和玻璃模，可选用耐火度 高、而稳定性好的刚玉、锆砂粉或碳化硅 作为耐火材料.对于铸铁件和铸铝件，可采 用廉价的铝矾土或硅石粉作为耐火材料。
采用这种铸造方法浇出的铸件，具有较高的尺寸
精度和表面光洁度，所以这种方法又叫陶瓷型精 密铸造。
6.2 陶瓷型分类：
• 陶瓷型的制造方法可分为两大类：一类是全部采用 陶瓷浆料制造铸型法；另一类就是采用底套（相当 于砂型的背砂层）表面再灌陶瓷浆料以制陶瓷型的 方法。底套又分砂套和金属底套两种； • 小型陶瓷型铸件，常采用全部以陶瓷浆料制造 的陶瓷型，其造型过程如下所示。 1、首先将模型固定于模板上 2、再套上砂箱 3、然后将预先调好的陶瓷浆料倒入砂箱 4、将上表面刮平，等待结胶硬化 5、待浆料一旦出现弹性即可进行起模
• •
2．浆料的配制与灌浆 耐火材料与硅酸乙醇水解液的配比要适 当，不同耐火材料所需水解液的比例也不同。 开始结胶的时间与灌浆的时间对陶瓷型质量 有很大的影响。催化剂含量和室温对结胶时 间也有影响。灌浆过迟过早都不好。开始结 胶的时间可通过预配小样测定。
•
灌浆时，浆料倒入速度不应过快，以防 卷入空气，最好边灌浆边振动，以排除浆料 中的气体。
表6-1
名称
陶瓷型用耐火材料的性能及成分
性 CaO ＋ MgO 熔点 /℃ 密度 /(g/cm3) 能 线胀系数/K-1
化学成分（质量分数，％） Al2O3 SiO2 ZrO2 Fe2O3
硅砂
刚玉 棕刚玉 煤矸石
＜2.0
＞97 ＞94.5 41～46 ＞80.0 ＞67.0 ＜0. 30
＞97
＜ 0.25 － 54～ 51 － － ＜ 33.0
• （5） 分型剂 •
在灌浆的过程中，由于液体陶瓷浆料极容 易黏附在母模的表面，造成分型困难，破坏陶瓷 型的完整性和表面质量，所以在母模表面要涂一
层分型剂。常用分型剂有汽车上光腊、变压器油、
机油、有机硅油及白凡士林等。
• 6.3.2 陶瓷浆料的配制及灌浆
• • 1．耐火材料的选择 在铸造尺寸和光洁度要求高的合金钢锻模、 压铸型、玻璃器皿模具时，应采用耐高温的、 热稳定性好的刚玉粉、钻砂粉或碳化硅作为陶 瓷型浆料的耐火材料。对于铸铁件或铝铸件可 采用价格较便宜的铝矾土或石英粉作为耐火材 料，并正确选择耐火材料的粒度组成。
• 6.3.3 起摸
• 灌浆后的陶瓷型经结胶，固化等阶段。但 在结胶开始后尚不能立即起模，一般在结胶 后5~15min，待陶瓷层消有弹性时，起模效 果最好。起模时先将浇注系统、通气棒取出， 然后垂直取出母模（不可敲动），起模后应 立即进行点火喷烧，否则易产生裂纹。
• 6.3.4 喷烧
• 起模后应立刻点火并吹压缩空气进行喷 烧，而使陶瓷型的表面有一定的强度和硬度。
•
耐火材料粒度分布中的细粉数量，直接决 定了陶瓷铸型和铸件的表面质量。为了获得光洁 的铸件表面，必须使用一定量的细粉。但是细粉 的数量如果用得太多就会影响浆料的流动性。特 别是细粉量占到60％时陶瓷型的透气性接近为零， 而且铸型还容易产生裂纹。在具体的应用中小件 和表面质量要求高的铸件一般细粉多一些，但是 也不能超过60％；较大的铸件，粗料可以相对多 一些。 • 陶瓷浆料中硅酸乙酯水解液的加入量，主 要取决于所用耐火材料的种类和水解液的黏度。 一般的原则是：在保证浆料足够流动性的前提下， 粘结剂的加入量越少越好。
6、随即点火Biblioteka Baidu烧（吹压缩空气助燃）
7、待火熄灭后，移入高温炉中喷烧即成 所需的陶瓷型。
•另一类就是带底套的陶瓷型。生产中常采用 带底套的复会铸型，即与液体金属直接接触 的面层，灌注陶瓷浆料，而其余部分用砂套 或金属套代替。
完全陶瓷型铸造
砂套陶瓷型铸造
• 目前生产上应用最广泛的是CO2水玻 璃砂底套陶瓷型。CO2水玻璃套有强 度高，透气性好制作简便道优点。其 特殊之处，在于事先要准备两个模型， 一个用于灌陶瓷浆料的铸件模（A模）， 另一个用于制造底套（B模）其尺寸较 （A 模）大．
陶瓷型铸造的工艺过程如图6-1所示。
•
用陶瓷浆料制成铸型生产铸件的铸造方法， 陶瓷型铸造是在砂型熔模铸造的基础上发展起来
的一种新工艺。陶瓷型是利用质地较纯、热稳定
性较高的耐火材料作造型材料；用硅酸乙酯水解 液作粘结剂，在催化剂的作用下，经灌浆、结胶、 起模、焙烧等工序而制成的。由于使用的耐火材 料成分及其外观都与陶瓷相似，故称为陶瓷型。
• （2）陶瓷型的灌浆 • 正确地控制浆料的流动性和准确地 把握结胶时间，是成功完成灌浆工序、制 得陶瓷型的关键。浇灌太早，容易冲走母 模表面的分型剂，引起粘膜；同时浆料中 耐火材料易沉淀，使铸型产生裂纹；浇灌 太迟，浆料流动性差，铸型内腔轮廓不清 晰。 • 主要的工艺过程是：按比例将耐火 材料逐步加入水解液中混合均匀，然后根 据浆料的流动性或者说是搅拌过程中的阻 力情况加入催化剂。