熔模鑄造
1 概述
熔模鑄造又稱"失蠟鑄造",，通常是在蠟?zāi)１砻嫱可蠑?shù)層耐火材料,，待其硬化干燥后,，將其中的蠟?zāi)Ｈ廴ザ瞥尚蜌�,，再�?jīng)過(guò)焙燒，然后進(jìn)行澆注，而獲得鑄件的一種方法,，由于獲得的鑄件具有較高的尺寸精度和表面光潔度，故又稱"熔模精密鑄造"
熔模鑄造的工藝過(guò)程見(jiàn)圖1,�,？捎萌勰ｈT造法生產(chǎn)的合金種類有碳素鋼、合金鋼,、耐熱合金,、不銹鋼、精密合金,、永磁合金,、軸承合金、銅合金,、鋁合金,、鈦合金和球墨鑄鐵等。
熔模鑄件的形狀一般都比較復(fù)雜,，鑄件上可鑄出孔的最小直徑可達(dá)0.5mm,，鑄件的最小壁厚為0.3mm。在生產(chǎn)中可將一些原來(lái)由幾個(gè)零件組合而成的部件,，通過(guò)改變零件的結(jié)構(gòu),，設(shè)計(jì)成為整體零件而直接由熔模鑄造鑄出，以節(jié)省加工工時(shí)和金屬材料的消耗,，使零件結(jié)構(gòu)更為合理,。
熔模鑄件的重量大多為零點(diǎn)幾十牛（即幾十克到幾公斤），太重的鑄件用熔模鑄造法生產(chǎn)較為麻煩,，但目前生產(chǎn)大的熔模鑄件的重量已達(dá)800牛左右,。
熔模鑄造工藝過(guò)程較復(fù)雜，且不易控制,，使用和消耗的材料較貴,，故它適用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜、精度要求高,、或很難進(jìn)行其它加工的小型零件,，如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片等。
圖1是熔模鑄件的照片,。熔模鑄造的工藝過(guò)程見(jiàn)圖2,。
圖1 熔模鑄件照片
2 熔模的制造
熔模鑄造生產(chǎn)的第一個(gè)工序就是制造熔模,，熔模是用來(lái)形成耐火型殼中型腔的模型，所以要獲得尺寸精度和表面光潔度高的鑄件,，首先熔模本身就應(yīng)該具有高的尺寸精度和表面光潔度,。此外熔模本身的性能還應(yīng)盡可能使隨后的制型殼等工序簡(jiǎn)單易行。為得到上述高質(zhì)量要求的熔模,，除了應(yīng)有好的壓型（壓制熔模的模具）外,，還必須選擇合適的制模材料（簡(jiǎn)稱模料）和合理的制模工藝。
2.1 模料
制模材料的性能不單應(yīng)保證方便地制得尺寸精確和表面光潔度高,，強(qiáng)度好,，重量輕的熔模，它還應(yīng)為型殼的制造和獲得良好鑄件創(chuàng)造條件,。模料一般用蠟料,、天然樹(shù)脂和塑料（合成樹(shù)脂）配制。凡主要用蠟料配制的模料稱為蠟基模料,，它們的熔點(diǎn)較低,，為60～700C；凡主要用天然樹(shù)脂配制的模料稱為樹(shù)脂基模料,，熔點(diǎn)稍高,，約70～1200C。
經(jīng)常用來(lái)配制模料的原材料的性能見(jiàn)表1,。
表1. 常用模料原材料的性能
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名稱 |
熔點(diǎn)
(oC) |
灰分
(重量％) |
重度25 oC時(shí)
(牛/米2) |
抗拉強(qiáng)度
(牛/米2) |
延伸率
(%) |
線收縮率
(%) |
軟化點(diǎn)
(o C) |
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石蠟 |
58-66 |
< 0.11 |
(8.5-8.7)X103 |
2.21-2.94)X105 |
2-2.5 |
0.5-0.7 |
約30 |
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硬脂酸 |
70-71 |
< 0.02 |
8.4-8.7)X103 |
1.72-1.96)X105 |
2.0-3.0 |
0.6-0.69 |
約35 |
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松香 |
89-93 |
< 0.03 |
8.8-10.7)X103 |
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0.07-0.09 |
52-66 |
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川蠟 |
80-85 |
0.036-0.051 |
9.0-9.3)X103 |
11.3-12.7)X105 |
1.6-2.2 |
0.8-1.2 |
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地蠟 |
67-80 |
0.03 |
9.8X104 |
71.74X105 |
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2.0 |
約40 |
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褐煤蠟 |
82-87 |
0.1-0.5 |
8.6-10.1)X103 |
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聚乙烯 |
115-130 |
0.04-0.08 |
8.8-9.1)X103 |
118-137)X105 |
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1-1.5 |
約80 |
圖2 熔模鑄造工藝過(guò)程
2.2 模料的配制及回收
1）模料的配制
配制模料的目的是將組成模料的各種原材料混合成均勻的一體,，并使模料的狀態(tài)符合壓制熔模的要求。
配制時(shí)主要用加熱的方法使各種原材料熔化混合成一體,，而后在冷卻情況下,，將模料劇烈攪拌，使模料成為糊膏狀態(tài)供壓制熔模用,。有時(shí)也有將模料熔化為液體直接澆注熔模的情況,。
2）模料的回收。
使用樹(shù)脂基模料時(shí),，由于對(duì)熔模的質(zhì)量要求高,，大多用新材料配制模料壓制鑄件的熔模。而脫模后回收的模料,，在重熔過(guò)濾后用來(lái)制作澆冒口系統(tǒng)的熔模,。
使用蠟基模料時(shí)，脫模后所得的模料可以回收,，再用來(lái)制造新的熔模,。可是在循環(huán)使用時(shí)，模料的性能會(huì)變壞,，脆性增大,，灰分增多，流動(dòng)性下降,，收縮率增加,，顏色由白變褐，這些主要與模料中硬脂酸的變質(zhì)有關(guān),。因此,，為了盡可能地恢復(fù)舊模料的原有性能，就要從舊模料中除去皂鹽,，常用的方法有鹽酸（硫酸）處理法,，活性白土處理法和電解回收法。
2.3 熔模和模組的制造
1）熔模的制造
生產(chǎn)中大多采用壓力把糊狀模料壓入壓型的方法制造熔模,。壓制熔之前，需先在壓型表面涂薄層分型劑,，以便從壓型中取出熔模,。壓制蠟基模料時(shí)，分型劑可為機(jī)油,、松節(jié)油等,；壓制樹(shù)脂基模料時(shí)，常用麻油和酒精的混合液或硅油作分型劑,。分型劑層越薄越好,，使熔模能更好地復(fù)制壓型的表面，提高熔模的表面光潔度,。壓制熔模的方法有三種,，柱塞加壓法、氣壓法和活塞加壓法,。
2）熔模的組裝
熔模的組裝是把形成鑄件的熔模和形成澆冒口系統(tǒng)的熔模組合在一起,，主要有兩種方法：
1.焊接法 用薄片狀的烙鐵，將熔模的連接部位熔化,，使熔模焊在一起,。此法較普遍。
2.機(jī)械組裝法 在大量生產(chǎn)小型熔模鑄件時(shí),，國(guó)外已廣泛采有機(jī)械組裝法組合模組,，采用此種模組可使模組組合和效率大大提高，工作條件也得到了改善,。
3 型殼的制造
熔模鑄造的鑄型可分為實(shí)體型和多層型殼兩種,，目前普遍采用的是多型殼。
將模組浸涂耐火涂料后，撒上料狀耐火材料,，再經(jīng)干燥,、硬化，如此反復(fù)多次,，使耐火涂掛層達(dá)到需要的厚度為止,，這樣便在模組上形成了多層型殼，通常將近其停放一段時(shí)間,，使其充分硬化,，然后熔失模組，便得到多層型殼,。
多層殼有的需要裝箱填砂,；有的則不需要，經(jīng)過(guò)焙燒后就可直接進(jìn)行澆注,。
在熔失熔模時(shí),，型殼會(huì)受到體積正在增大的熔融模料的壓力；在焙燒和注時(shí),，型殼各部分會(huì)產(chǎn)生相互牽制而又不均的膨脹的收縮,，因此，金屬還可能與型殼材料發(fā)生高溫化學(xué)反應(yīng),。所以對(duì)型殼便有一定的性能要求,，如小的膨脹率和收縮率；高的機(jī)械強(qiáng)度,、抗熱震性,、而火度和高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性；型殼還應(yīng)有一定的透氣性,，以便澆注時(shí)型殼內(nèi)的氣體能順利外逸,。這些都與制造型殼時(shí)所采用的耐火材料、粘結(jié)劑以及工藝有關(guān),。
3.1 制造型殼用的材料
制造型殼用的材料可分為兩種類型,，一種是用來(lái)直接形成型殼的，如耐火材料,、粘結(jié)劑等,；另一類是為了獲得優(yōu)質(zhì)的型殼，簡(jiǎn)化操作,、改善工藝用的材料,，如熔劑、硬化劑,、表面活性劑等,。
1）耐火材料
目前熔模鑄造中所用的耐火材料主要為石英和剛玉,，以及硅酸鋁耐火材料，如耐火粘土,、鋁釩土,、焦寶石等。有時(shí)也用鋯英石,、鎂砂（MgO）等,。
2）粘結(jié)劑
在熔模鑄造中用得最普遍的粘結(jié)劑是硅酸膠體溶液（簡(jiǎn)稱硅酸溶膠），如硅酸乙酯水解液,、水玻璃和硅溶膠等,。組成它們的物質(zhì)主要為硅酸（H2SiO3）和溶劑，有時(shí)也有穩(wěn)定劑,，如硅溶膠中的NaOH,。
硅酸乙酯水解液是硅酸乙酯經(jīng)水解后所得的硅酸溶膠模鑄造中用得最早、最普遍的粘結(jié)劑,；水玻璃殼型易變形,、開(kāi)裂，用它澆注的鑄件尺寸精度和表面光潔度都較差,。但在我國(guó),，當(dāng)生產(chǎn)精度要求較的碳素鋼鑄件和熔點(diǎn)較低的有色合金鑄件時(shí)，水玻璃仍被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn),；硅溶膠的穩(wěn)定性好，可長(zhǎng)期存放,，制型殼時(shí)不需專門的硬化劑,，但硅溶膠對(duì)熔模的潤(rùn)濕稍差，型殼硬化過(guò)程是一個(gè)干燥過(guò)程,，需時(shí)較長(zhǎng),。
3.2 制殼工藝
制殼過(guò)程中的主要工序和工藝為：
1）模組的除油和脫脂
在采用蠟基模料制熔模時(shí)，為了提高涂料潤(rùn)濕模組表面的能力,，需將模組表面的油污去除掉,。
2）在模組上涂掛涂料和撒砂
涂掛涂料以前,應(yīng)先把涂料攪拌均勻,盡可能減少涂料桶中耐火材料的沉淀,調(diào)整好涂料的粘度或比重，以使涂料能很好地充填和潤(rùn)濕熔模,，掛涂料時(shí),把模組浸泡在涂料中,左右上下晃動(dòng),使涂料能很好潤(rùn)濕熔模,，均勻覆蓋模組表面。涂料涂好后,，即可進(jìn)行撒吵,。
3）型殼干燥和硬化
每涂復(fù)好一層型殼以后，就要對(duì)它進(jìn)行干燥和硬化,，使涂料中的粘結(jié)劑由溶膠向凍膠,、凝膠轉(zhuǎn)變，把耐火材料連在一起。
4）自型殼中熔失熔模
型殼完全硬化后,，需從型殼中熔去模組,，因模組常用蠟基模料制成，所以也把此工序稱為脫蠟,。根據(jù)加熱方法的不同,，有很多，脫蠟方法,，用得較多的是熱水法和同壓蒸汽法,。
5）焙燒型殼
如需造型（填砂）澆注，在焙燒之前,，先將脫模后的型殼埋箱內(nèi)的砂粒之中,，再裝爐焙燒。如型殼高溫強(qiáng)度大,，不需造型澆注,，則可把脫模后的型殼直接送入爐內(nèi)焙燒。焙燒時(shí)逐步增加爐溫,，將型殼加熱至8000-10000C,，保溫一段時(shí)間，即可進(jìn)行澆注,。
4 熔模鑄件的澆注和清理
4.1熔模鑄件的澆注
熔模鑄造時(shí)常用的澆注方法有：
1）熱型重力澆注方法有以下幾種,。
這是用得最廣泛的一種澆注形式，即型殼從焙燒爐中取出后,，在高溫下進(jìn)行由澆注,。此時(shí)金屬在型殼中冷卻較慢，能在流動(dòng)性較高的情況下充填鑄型,，故鑄件能很好復(fù)制型腔的形狀,，提高了鑄件的精度。但鑄件在熱型中的緩慢冷卻會(huì)使晶粒粗大,，這就降低了鑄件的機(jī)械性能,。在澆注碳鋼鑄件時(shí)，冷卻較慢的鑄件表面還易氧化和脫碳,，從而降低了鑄件的表面硬度,、光潔度和尺寸精度。
2）真空吸氣澆注
將型殼如圖3所示放在真空澆注箱中,，通過(guò)型殼中的微小孔隙吸走型腔中的氣體,，使液態(tài)金屬能更好地充填型腔，復(fù)制型腔的形狀,，提高鑄件精度,，防止氣孔,、澆不足的缺陷。該法已在國(guó)外應(yīng)用,。
圖3 真空吸氣澆注裝置示意圖
3）壓力下結(jié)晶
將型殼放在壓力罐內(nèi)進(jìn)行澆注,，結(jié)束后，立即封閉壓力罐,，向罐內(nèi)通入高壓空氣或惰性氣體,，使鑄件在壓力下凝固，以增大鑄件的致密度,。在國(guó)外最大壓力已達(dá)150atm,。
4）定向結(jié)晶（定向凝固）
一些熔模鑄件如渦輪機(jī)葉片、磁鋼等,，如果它們的結(jié)晶組織是按一定方向排列的柱狀晶,，它們的工作性能便可提高很多，所以熔模鑄造定向結(jié)晶技術(shù)正迅速地得到發(fā)展,。
4.2 熔模鑄件的清理
熔模鑄件清理的內(nèi)容主要為：（1）從鑄件上清除型殼,；（2）自澆冒系統(tǒng)上取下鑄件；（3）去除鑄件上所粘附的型殼耐火材料,；（4）鑄件熱處理后的清理,，如除氧化皮、盡邊和切割澆口殘余等,。
5 熔模鑄造工藝設(shè)計(jì)
如同一般鑄造工藝設(shè)計(jì),，熔模鑄造工藝設(shè)計(jì)的任務(wù)為：
（1）分析鑄件結(jié)構(gòu)的工藝性；
（2）選擇合理的工藝方案,，確定有關(guān)的鑄造工藝參數(shù),，在上述基礎(chǔ)上繪制鑄件圖；
（3）設(shè)計(jì)澆冒系統(tǒng),，確定模組結(jié)構(gòu)。
在考慮上述三方面的問(wèn)題時(shí),，主要的依據(jù)仍是一般鑄造過(guò)程的基本原則,，尤其在確定工藝方案、工藝參數(shù)時(shí)（如鑄造圓角,，撥模斜度,、加工余量、工藝筋等）,，除了具體數(shù)據(jù)由于熔模鑄造的工藝特點(diǎn)稍有不同之外,，而設(shè)計(jì)原則與砂型鑄造完全相同。
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