铸造工艺实训指导书

铸造工艺实训指导书
1. 工艺实训的内容及目的
熔模精密铸造是在古代蜡模铸造的基础上发展起来的，作为文明古国，中国是使用这一技术
较早的国家之一，远在公元前数百年，我国古代劳动人民就创造了这种失蜡铸造技术，用来铸造带有各种精细花纹和文字的钟鼎及器皿等制品，如春秋时的曾侯乙墓尊盘等。

现代熔模铸造方法在工业生产中得到实际应用是在二十世纪四十年代，航空工业的发展推动了熔模铸造的应用，而熔模铸造的不断改进和完善，也为航空工业和其他各行业进一步发展创造了有利的条件。

本实训旨在通过工艺品熔模铸造，使学生切实进行铸造产品从零件工艺性分析、模具制作、铸型制备、工艺设计、浇注、清理等生产全过程训练，真正达到提高本专业学生工程实践动手能力的目的。

2 工艺品制作工艺方案的设计与选择
2.1 工艺品选择及工艺性分析
熔模铸造具有铸件尺寸精度及表面光洁度较高，浇注金属类型范围广，生产批量无限制等优点。

工艺品可自己选择，在实验教师指导下完成工艺性分析。

2.2 工艺品制作工艺方案的选择
工艺品原型(举例)：
图2.1 工艺品原型图
2.2 工艺品制作工艺方案设计
工艺品制作的工艺流程为：将设计好的作品(工艺品原型)，以硅胶加硅油按适当比例，用油漆刷均匀分层涂刷在工艺品上，使工艺品平均刷满硅胶。

硅胶和硅油必须有适当的比例，才能有良好的韧性与耐用性。

如果急欲完成硅胶模，加了过量的硅油或硬化剂，虽可大大地缩短硅胶凝固成型时间，却会造成硅胶延展性不够。

在取工艺品蜡模时，极易拉断蜡模，从而无法做出完整精细的作品，所以一定要小心取蜡模；同时，硅胶模易脆化、使用次数不多，所以也要耐心等待硅胶模自然成型后再小心脱模。

要确保硅胶模有良好的韧性和延展性的关键是：必须分层次地将调好的硅胶油很平均地刷在粗细不一的工艺品表面。

虽作品粗细不一，但均须使硅胶模均匀成型，一层干了之后，再刷第二层、第三层，直至达到均匀涂层的硅胶模，才是一个适于创作的、耐用的好模。

工艺品原型我们称之为阳模；而利用硅胶涂布其上成型的，称之为阴模（内部空心）。

选择适当分界线，利用美工刀将硅胶模局部划开，将工艺品原型取出来，再将硅胶模分界线对好用硅胶修复，形成空心模。

此时将达到适当熔点的蜡，适量地倒入硅胶模中，灌满模型，而后静止等待使蜡自然冷却成型。

所
使用的蜡过硬与过软皆不合适，过硬的蜡会很难修饰，太软的蜡则无法成型。

而且温度不足也会使熔蜡不能流到细微处，温度太高也不利于成型，所以熔蜡温度需要控制适当。

冷却成型的蜡模要从硅胶模中取出，亦要小心拆模，在脱硅胶模时需要逐步拉下，遇到枝节细微处，需要慢慢翻开，以保证蜡模完整。

若不小心扯断了，需要重接，否则会使蜡模角度不对称，丧失美感。

顺利取出的蜡模和工艺品原型一模一样，即为阳模。

此时的蜡模表面若有瑕疵，需要借助工具修补。

将分模线、气孔等修好补平，若有断裂，亦在此时用蜡修补好，此工序为修蜡。

修蜡完成的蜡模，即可进行蜡模与浇注系统的焊接组装，组装好后即可制作型壳。

运用水玻璃粘结剂配以适当比例的耐火材料制作型壳，首先配置耐火涂料然后进行涂挂撒砂硬化和干燥处理，而后再进行脱蜡、培烧和浇注，最后对浇注工艺品进行清理。

3. 硅橡胶模制作工艺过程
3.1 硅橡胶模制作前的准备工作
a.硬化剂：架桥作用，使O-Si-O之间的键拉开形成网络结构，也起硬化作用。

如加量过高，硬化很快，模具易拉坏，同时耐温差，耐化学性差，导致模具寿命缩短。

因此建议硬化剂的用量为1.2-2.8%，同时硬化剂的加入量还应根据当时的气温、温度而适量增减。

气温或室温偏高，都会使反应相对加快，故应适量降低硬化剂用量。

b.硅油（矽油）：稀释Si原子之间结构，使Si原子有良好的活动空间。

但也可以不添加，本实验中未使用硅油。

c.脱模剂：使成品与模具隔离，喷时要均匀适量不能有气泡，过多会出现水纹。

3.2 硅橡胶模制作工艺流程
a.配置硅胶:
模具硅橡胶是由基胶和固化剂联合使用的，通常使用比例是：基胶：固化剂=100：2～2.5。

即取出基胶100克加入2克（或者2.5克）固化剂，在两分钟左右搅拌均匀，过一个小时固化以后才能脱模.有时可以加5%硅油稀释，来增加操作时的流动性，便于排除气泡，以保障模具的综合性能.
一般固化剂不能过多，要保障足够的时间去搅拌、抽真空、敷模具。

使用剂量与气温有关，温度高时要少一点，如气温在25℃时按100:2左右配比为佳，30℃时按照具体情况在100:1.5到100:1.8之间较好。

若加入硅油，则必须将其比例控制在100:5以下，不能太多，否则会影响模具的综合性能。

模具的抗烧性能是由硅胶的品种而定，不同型号的硅胶抗烧性能不同。

在选用硅胶时，要根据自己的产品生产的需要来选用相应型号的硅胶[10]。

b.刷模:
①用毛刷将胶料刷到模具表面，形成连续的薄层。

②所有气泡都必须在空气气压下予以破裂，可使用压缩空气吹过表面，使这些气泡破裂。

③必要时用纱布补强，在除泡的胶料表面轻轻贴上一层纱布，待胶料凝胶后，再重新刷硅胶、
除泡、补强，这样反复共3～4层即可。

c.固化:
① RTV-777胶料和固化剂混合后，即开始硫化，一般在在25℃下约10～20分钟内即凝胶，3
小时左右即成胶模，24小时模具就可完全固化。

②固化过程必要时可进行烘烤。

注意事项:
①模具使用脱模剂，可使模具使用寿命延长，矽油量多少亦会影响寿命及尺寸的准确安全性。

②为确保RTV-777能维持正常良好的品质，基胶及硬化剂均应将其储存在23～27℃的干燥阴
凉的密封容器中。

③当基胶或固化剂未使用完，应将桶盖拧紧，避免吸入大量湿空气，影响产品质量。

④因操作温度不同，环境湿度不同将影响硅胶的固化时间。

⑤固化剂使用过量，模具全变硬变脆；固化剂使用量较少，操作时间会延长，模具完全固化（可
用）时间也会延长。

⑥为了使模具能达到最佳效果，需把模具存放至少24小时以后再使用。

完成后的工艺品硅橡胶模如下图3.1：
图3.1 硅胶模模腔
3.2蜡模制作过程
（1）模型:制蜡模应使用专用的模具,在本次设计中，使用模具硅橡胶制作橡胶模，作为蜡模的模具。

（2）蜡模的制作:将熔化的蜡料（石蜡,峰蜡,硬脂酸,松香等）倒入模型中,冷凝后取出,修去毛刺,得到蜡模。

（3）蜡模组装:将蜡模、直浇道、内浇道按设计好的浇注系统图组合焊接牢固。

蜡模成品见下图3.2：
图3.2 蜡模模样
（4）浇注系统的设计：一般浇注系统可分顶注、中注、底注和阶梯注几种。

对高度大的薄壁筒形、箱形件也可用缝隙式或阶梯式浇注系统。

对某些铸件亦可采用平注和斜注。

因为型壳表面硬度不够高、热导率小，因此内浇口一般不应直对型壁和型芯，防止冲刷型壁和型芯，而应沿着型壁和型芯设内浇口。

对复杂的薄壁件为防止其变形及裂纹，内浇口应均匀分布，避免局部过热及浇不足等缺陷。

内浇口应尽可能设在铸件热节处，利于补缩，本实验采用阶梯注，内浇口开设在工艺品的背后或底座等不影响其美观的部位，分别用上下两个内浇口引入[6]。

见图3.3：
浇口杯
直浇道
工艺品铸件工艺品铸件
内浇道
图3.3 工艺品铸件浇注系统图
（5）空心工艺品浇注研究：
为使工艺品的成本降低，所以决定采用减少原材料的方法，使浇注成型的金属工艺品呈空心状态，这样既不影响美观和观赏价值，而且大大节省了原材料从而降低了成本。

铸造空心工艺品的具体操作方法为：在制作好硅胶模后，于浇蜡前在硅胶模内放置几个中间有孔洞而且四周为锯齿状的薄铁片，固定好不使它们移动，然后浇入蜡液，在外层蜡液凝固后倒出中心部分还未冷凝的蜡液，此时蜡液已把薄铁片凝在硅胶模内壁上了，这时再向中间的空心部分倒入石膏浆，等蜡液和石膏都完全凝固后再脱模，然后按照涂挂步骤制作型壳，脱蜡后就形成了中间带有石膏型芯的型壳，浇注成型后将工艺品中内部的石膏敲击出来即完成了空心金属工艺品的铸造。

3.3 水玻璃粘结剂型壳制作过程
3.3.1 耐火涂料的配置
制壳耐火材料应使壳型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。

国内用作面层材料的有石英、电熔刚玉和铝矾土等，用作加固层材料的有铝硅系耐火材料如粘土和铝矾土等[6]。

耐火涂料是制作型壳的基本材料，它是一种由粘结剂和在其中润湿透的粉状耐火材料所组成的悬浮液。

型壳的耐火度、高温化学稳定性、强度、热膨胀性能和内表面质量主要取决于粘结剂及耐火材料本身的性能，但由此二者配置成的耐火涂料的工艺性能同样影响型壳的质量。

常用的耐火涂料主要有水玻璃粘结剂涂料、硅酸乙酯粘结剂涂料和硅溶胶粘结剂涂料，本实验采用的是水玻璃粘结剂涂料，其组成和配比如表3.1中:
表3.1 水玻璃粘结剂涂料的组成和配比[4]
层次硬化工艺
水玻璃
耐火材料粉液比
表面活性剂
JFC（%）模数M 密度(g/cm3)
面层氯化铵硬
化
3～3.4 1.25～1.28 270#～370#石英粉 1.1～1.3 0.1～0.3
加固层
氯化铵硬
化
3～3.4 1.30～1.33
270#石英粉
200#耐火粉
1.1～1.5 0.1
为了保持耐火涂料在配置过程中和涂挂期间的分散，必须对涂料进行充分的搅拌。

搅拌可防止
涂料产生沉降现象、提高涂料的分散性、促进粘结剂和粉料颗粒的润湿。

3.3.2 型壳的制备
a.涂挂和撒砂:
在涂挂涂料前，熔模需经过除油脱脂处理，常采用十二烷基苯磺酸钠进行脱油脂。

涂挂时主要采用浸涂法。

面层涂料的涂挂质量直接影响铸件的表面质量，应保证熔模表面各处都能良好地涂挂上涂料，避免空白；要使涂料均匀分布，避免局部堆积；焊合处、圆角、棱角和凹槽等不易涂挂处应采用毛笔或特制工具涂刷均匀，避免气泡，涂挂每层加固层涂料前应清理掉上一层的浮砂，在涂挂过程中要定时搅拌涂料，掌握和调整涂料的粘度。

涂挂后进行撒砂。

通常熔模自涂料槽中取出后，待其上剩余的涂料流动均匀而不再连续下滴时，表示涂料流动终止，冻凝开始，即可进行撒砂。

过早撒砂易造成涂料堆积，过迟撒砂易造成砂粒粘附不上或粘附不牢。

撒砂时，熔模要不断的回转和上下倒置。

撒砂的目的是用砂粒固定涂料层，增加型壳厚度，获得必要的强度，提高型壳的透气性和退让性，防止型壳硬化时产生裂纹。

撒砂的粒度按涂料层次选择，并应与涂料的粘度相适应。

面层涂料粘度小，撒砂粒度应细些，才能获得表面光洁的型腔，一般面层撒砂粒度可选择40/70目或50/100目的，加固层撒砂采用较粗的砂粒（20/40目或10/20目），最好是逐层加粗。

b.型壳的干燥和硬化:
制壳时，每涂挂和撒砂一层后，必须进行充分干燥和硬化处理，这是一个保证型壳质量的重要工序。

水玻璃粘结剂是含有少量胶体二氧化硅粒子的硅酸盐离子溶液，因此，需要通过干燥和化学硬化两个环节才能完成水玻璃粘结剂型壳的干燥和硬化。

干燥的主要任务是使型壳中的水分蒸发，而化学硬化的作用是依靠电解质破坏水玻璃溶液的离子平衡，使离子溶液变为溶胶，并进一步转变为冻胶和凝胶。

(1) 型壳的干燥:
型壳化学硬化以前自然干燥的作用是使水玻璃溶液不断脱水浓缩以及使粘结剂通过扩散和渗透而在型壳层中均匀分布，有利于下一步化学硬化迅速和均匀地进行。

自然干燥时间的长短，可根据不同生产特点和生产条件确定。

如果粘结剂中氧化纳的含量较高、涂料粘度较大、室温较低、空气相对湿度较高、通风条件不良及模组较复杂和尺寸较大时，就采用较长的干燥时间。

通常自干时间为1小时至数小时。

加固层一般不进行硬化前的自然干燥，以便缩短制壳周期。

型壳在化学硬化后尚需干燥一段时间，目的是去除水分和残留硬化液滴，并使硬化剂进一步扩散和渗透。

(2) 型壳的化学硬化工艺:
涂料层硬化的质量主要取决于选择合适的硬化工艺参数，其中应重点控制硬化剂的温度、浓度和硬化时间。

水玻璃粘结剂型壳主要采用氯化氨溶液进行化学硬化。

采用常温硬化时，氯化氨水溶液的浓度不应低于18%—20%（制高强度型壳时，浓度一般为20%—25%）温度为25—30℃，时间为几分钟至20～30分钟。

加固层的硬化条件比面层好，其外面受硬化剂的作用，而里面受前一层所残留的氯化氨溶液的作用，故加固层涂料的硬化时间可比面层短，一般为10～15分钟。

硬化后的干燥时间通常为20～30分钟。

若想加速涂料层硬化过程，可采用高温高浓度快速硬化工艺。

主要是使用浓度为25%—30%、温度为30～60℃的氯化氨水溶液，硬化时间缩短至10～20秒，硬化后干燥时间也相应缩短。

也可采用在常温常浓度氯化氨溶液中加入少量（一般为0.05%）阴离子或非离子型表面活性剂，例如农乳、JFC等，从而提高硬化剂向涂料层深处的渗透能力，硬化时间可缩短到几分钟[6]。

c.干燥硬化后的型壳如下图3.3：
图3.4 水玻璃粘结剂型壳（脱蜡前）
3.4 脱模和培烧工艺
3.4.1 脱模
脱模是从型壳中熔失熔模的过程。

现在通常采用的脱模法有热水、高压蒸汽、闪烧（热冲击）、燃烧和微波加热等脱模方法，本试验采用热水脱模法。

热水脱模法的优点是：
(1).脱模过程操作方便，设备简单。

(2).水玻璃粘结剂型壳制中的氧化纳和氯化钠能良好溶解于热水中，使型壳中氧化钠含量进一
步降低，有利于改善型壳的高温性能。

(3).在热水中加入1—3%的氯化氨对型壳有补充硬化作用，在热水中加入盐酸可清除型壳内表
面的皂华物。

(4).模料回收率高，一般在90%以上。

脱模时，将带有熔模的型壳浸入脱模槽内的热水中，浇口杯向上放置，热水温度控制在95℃左右，时间愈短愈好（≤30分钟）。

若温度过高，热水将发生上下对流运动，易使沉淀在槽底的盐类和砂粒翻腾起来，混入型壳内腔。

若温度太低，则延长脱模时间会使型壳长时间浸泡在热水中，易软化或被煮烂。

热水脱模时，加热速度不够快，型壳被胀裂是较常见的缺陷，尤其在型壳硬化不透或产生分层的情况下更为严重。

此外，经热水脱模后，型壳湿强度降低。

热水脱模的另一缺点是来自水中的碱分易与模料中的硬酯酸起皂化作用，所产生的皂化物粘附于型壳内腔，浇注后，恶化铸件表面质量。

故应在脱模后除掉这些皂化物，其方法是将型壳放在温度为60～70℃、浓度为2～3%的盐酸水溶液中清洗，或在脱模槽的热水中加直接加入盐酸。

3.4.2 型壳的培烧
脱模后的型壳在经过最后干燥（存放一段时间）后，于浇注金属前需要进行高温培烧。

因为脱模后，型壳内部含有不少挥发性物质，例如水分、残留模料、硬化过程中残留的氯化铵、盐分等。

若不除去它们，则在浇注金属液时会产生大量的气体，使铸件产生气孔，对薄壁铸件可能影响金属液的充填。

这些残留物的存在，也将影响铸件表面质量，所以，型壳的培烧过程是十分必要的。

根据型壳在加热过程中的变化情况，水玻璃粘结剂型壳的培烧规范通常是400～600℃入炉，升温至800～850℃保温两小时。

3.5 熔模工艺品的浇注和清理
3.5.1 熔模的浇注
a.金属液熔炼：
因为铝的密度2.7g/cm3是蜡的密度0.9g/cm3的三倍，故熔铝重量只需按蜡模浇注系统乘以三就
可以了。

蜡模工艺品观音象重175g，直浇道重175g，内浇道重20g。

每个观音象浇注系统重370g，若每次同时浇注两个观音则需熔铝为：（370+370）×3=2220（g）即为 2.22kg，所以每浇注一次熔铝2.5kg即可。

b.浇注：
本实验采用现在应用最广泛的热型重力浇注，即型壳从培烧炉中取出后，在高温下进行自由浇注，此时金属在型壳中冷却较慢，能在流动性较高的情况下充填铸型，故铸件能很好复制型腔的形状，提高了铸件的精度和表面质量。

型壳浇注温度为500～600℃左右，铝合金熔炼浇注温度为720～760℃，在熔炼铝合金时需加入变质剂进行变质处理。

浇注时速度要缓慢使金属液流动均匀不可断流，要浇足。

3.5.2 熔模工艺品的清理
熔模工艺品铸件清理的内容主要为：
(1).从铸件上清除型壳，小批量生产时，可用锤子或风锤敲打浇冒系统，使铸件组振动，脆性
好的型壳便从铸件上碎落下来。

(2).自浇冒系统上取下铸件，清理型壳后，即可将铸件自浇冒系统上取下，对本实验所采用的
硬度较低的铝合金，可采用手工锯、带锯或锯床切割下铸件。

(3).铸件上残留的耐火材料的清除，常用碱煮法，但因为铝合金铸件能被碱严重腐蚀，故不能
用碱液清理，所以只能用长时间在水中浸泡后用手工毛刷等清理。

3.6 实验结果分析
3.6.1 型壳缺陷分析
a.型壳厚度控制:
若型壳太薄(<5毫米)则会出现浇注时型壳破裂，若太厚（＞10毫米）则会因为透气性不良好而产生浇不足或表面缩孔等缺陷，故型壳层数一般控制在5～7层，通常为五层半或六层半，故厚度一般为5～8毫米。

b.面层涂料控制:
面层涂料应较稀，若太粘稠则会造成涂挂不均匀且局部有堆积并导致层厚太大，若太稀则会涂挂不上，故通常粘度为20～40秒时为最佳。

c.干燥和硬化时间控制:
对于面层需要在硬化前进自然干燥而后再进行化学硬化，通常使用浓度为20～25%的氯化氨溶液在温度25～30℃时硬化几分钟到20～30分钟，加固层略短，硬化后自然干燥时间以型壳“不湿不白”为原则，“湿”就是未干透，“白”就是干燥过分。

应控制制壳场地相对湿度小于40～60%。

应当加强通风，过于潮湿时要吹热风并延长干燥时间。

硬化时间不能过长也不能过短，过短则型壳层中将残留过多的氧化钠，这样的型壳在其后的工艺过程中易产生分层、膨胀及型壳表面出“白毛”（“白霜”）或笋状白色析出物等缺陷。

硬化时间过长则氧化钠残留量很少，使型壳硬度差、脆性大，脱蜡后易形成裂纹，且透气性变差。

3.6.2 脱模和培烧缺陷分析
a.脱模工艺控制:
脱模时，热水温度控制在95℃左右，时间愈短愈好（≤30分钟）。

若温度过高，热水将发生上下对流运动，易使沉淀在槽底的盐类和砂粒翻腾起来，混入型壳内腔。

若温度太低，则延长脱模时间会使型壳长时间浸泡在热水中，易软化或被煮烂。

热水脱模时，加热速度不够快，型壳被胀裂是较常见的缺陷，尤其在型壳硬化不透或产生分层的情况下更为严重。

此外，经热水脱模后，型壳湿强度降低。

热水脱模的另一缺点是来自水中的碱分易与模料中的硬酯酸起皂化作用，所产生的皂化物粘附于型壳内腔，浇注后，恶化铸件表面质量。

故应在脱模后除掉这些皂化物，其方法是将型壳放在温度为60～70℃、浓度为2～3%的盐酸水溶液中清洗，或在脱模槽的热水中加直接加入盐酸。

b.培烧工艺控制:
水玻璃型壳培烧过程中的物理化学反应和物相组成的变化，主要由培烧温度和保温时间来决定。

通常培烧温度选为800～900℃保温一小时以上。

培烧温度最好不要超过900℃，因为在900℃以上的高温下，型壳的高温强度和抗热变形能力均有所下降，型壳会因为自重而发生蠕变变形，影响了铸件几何尺寸精度。

培烧和保温时间一定要足够，若培烧不良好则会使型壳透气性降低，易产生气孔、呛火或漏液的情况，而且型壳不能反复培烧，因为这会导致型壳在加热和冷却中不断膨胀和收缩，所以会使其产生微裂纹，从而强度下降。

3.6.3 铸造铝合金工艺品缺陷分析
(a) (b)
图3.4 铸造铝合金工艺品
由上面的结果可知：由图(b)可看出铝合金铸件可能出现的缺陷主要有：浇不足、氧化夹杂、麻
点和气孔。

4.实训考核
本次实训以工艺品精密铸造为内容，考核内容如下：
铝合金工艺品铸造的具体工艺流程为：工艺品原型→硅胶模→蜡模→水玻璃粘结剂型壳→型壳脱模→型壳培烧及浇注→清理。

学生必须完成以上全部内容并完成实训报告方能获得相应学分，制作工艺品质量决定成绩优劣。

5.时间安排：
第一周：选择工艺品，并进行工艺性分析，完成硅胶模制作；
第二周：蜡模制作，并进行工艺设计，完成型壳制作：
第三周：型壳脱蜡，焙烧及浇注、清理，完成实训报告。