特种铸造4第四章_陶瓷型铸造

第四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4.1概述4.1.1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。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。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。4.2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6、随即点火喷烧（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合铸型，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：铸件的表面质量好：表面光洁度高；尺寸精度高。可以铸造大型铸件。投资少，投产快，生产准备周期短。原材料价格昂贵。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。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。表6-1陶瓷型用耐火材料的性能及成分名称化学成分（质量分数，％）性能Al2O3SiO2ZrO2Fe2O3CaO＋MgO熔点/℃密度/(g/cm3)线胀系数/K-1硅砂＜2.0＞97－＜0.5－17132.6512.5×10－6刚玉＞97＜0.25－＜0.15－20453.95～028.6×10－6棕刚玉＞95－－－－19003.95～028.6×10－6煤矸石41～4654～511～1.50.4～0.81700～17902.62～2.655.0×10－6铝钒土＞80.0－－0.8～1.40.7～0.4≈18003.2～3.4(5.0～5.8×10－6莫来石＞67.0－－－－18002.8～3.15.4×10－6锆砂＜0.30＜33.0＞65.0＜0.4－24307～96×10－6（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。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。（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。表4-2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（20℃）/（mm2/s）密度（20℃）/(g/cm3)硅酸乙酯-4040.680.0153.01.05硅酸乙酯-3230.670.040.950.944（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。（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。表4-3硅酸乙酯40的水解液配方表硅酸乙酯水乙醇盐酸技术指标硅酸乙酯-40蒸馏水体积分数为96.5%体积分数为36.5%密度为1.189g/cm3加入量100g11.25g138.75ml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 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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。（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。4.3.2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。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。4.3.3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。4.3.4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。4.3.5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℃。4.3.6浇注与清理　　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。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。（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。根据铸件的大小和经验及时地进行灌浆，在准备浆料和灌浆时要注意如下几点：（a）在保证浆料具有一定的流动性和充型能力的前提下，尽量增加浆料中固体的含量，以增加浆料的稠度；（b）在保证冲满型的前提下，尽可能缩短结胶时间。（c）严格遵守加料次序，即耐火材料往水解液中边加边搅动，直至混合均匀后加入催化剂：由于催化剂的加入量少，更应该注意它在浆料中的均匀性。国内现在还没有连续测定浆料粘度和正确决定灌浆时间的检测法，一般是凭经验确定灌浆时间，即当耐火材料已经没有沉淀现象，浆料粘度突然发生变化，这时就该立刻浇灌。浆料的结胶时间（或称灌浆时间）应根据零件的大小来决定。在严格控制其他条件的前提下，结胶时间可通过调整催化剂的加入量来实现，小件一般控制在4~6mim中、大件可控制在8~15min。（3）陶瓷型的起模陶瓷浆料从灌浆到起模这段时间，一般称作硬化时间，这段时间陶瓷浆料将经过五种状态：液态，黏稠态、稠塑性态、弹塑性态和弹性状态等。这五种状态可分为两个阶段：陶瓷结构形成阶段（浆料从催化剂加入到稠塑性状态）和强度增长阶段（即从稠塑性状态到弹性状态）。如果起模太早，陶瓷型会出现大量的裂纹而报废。一般认为，起模时间最好在它刚处于弹性状态，陶瓷浆料开始脱液收缩之前。起模时间太迟，浆料开始脱液收缩，铸型的精度会受影响。因此，一般认为，为了防止铸型产生裂纹，起模时间可延长一些，最好处于弹性状态的后期。陶瓷型需要的起模力较大，用手工很困难，故在生产中常用机械起模。起模后铸型暴露在空气中，由于乙醇快速挥发，铸型的表面会产生大量的龟裂。过去人们是喷一层10％的石蜡-四氯化碳溶液，覆盖在陶瓷型的表面阻止乙醇的挥发，由于四氯化碳毒性太大，应用不多。采用高沸点的溶剂或在溶剂中加入少量高沸点的物质，以阻碍快速挥发，操作简单，效果较好。（4）陶瓷型的喷烧和焙烧在生产实践中，一般采用两种方法：慢速的水浴法和快速的喷烧法。慢速的水浴法可使溶剂均匀的从铸型的各个表面缓慢地除去，制得的陶瓷型尺寸精度高，收缩小，适用于小件的整体陶瓷型。由于排除溶剂较慢，还需要缓慢烘干，再排除水分，所以此法的应用并不广泛。快速喷烧是在起模后立即喷烧，可使浆料中大量的有机溶剂来不及挥发就被快速烧掉，从而把陶瓷型的尺寸固定。随着溶剂的烧掉和热的综合利用，迅速提高了铸型表面的强度，使整个铸型的收缩减小，铸型的尺寸精度高。在喷烧过程中，对于形状复杂，空气难以进入的型腔部分，为了避免燃烧不充分而产生收缩裂纹，应吹入压缩空气助燃。经过喷烧后，有机溶剂的80％～90％可以去掉，残留部分经过焙烧可以完全挥发掉。所以，喷烧过的陶瓷型一定要经过焙烧。但是，焙烧会使铸型的尺寸膨胀，温度越高膨胀就越大。陶瓷型放入高温炉里焙烧时，型腔的工作面要向上平放，切忌型腔面侧立或向下倒放。同时，砂底套也应该放在一块平板上，以防止变形影响铸型的尺寸。(5)浇注与清理浇注一定要挡渣。浇注温度和浇注速度略高于砂型铸造。冷却至室温再开箱，以防止铸件裂纹与变形。4.4复合陶瓷型工艺如前所述如将整个铸型做为陶瓷型称为整体陶瓷型，实际应用中很不经济，且因陶瓷型的透气性小，型壁太厚喷烧时容易变形，故生产中广泛使用复合陶瓷型。复合陶瓷型工艺，即仅在型腔表面灌注一层陶瓷浆料，背面则用其它砂型如水玻璃砂型或金属型套等。各种复合陶瓷型铸造工艺过程如图9-2、图9-3所示。图9-2砂型的复合陶瓷型工艺示意图图9-3金属套的复合陶瓷型工艺6.5无醇陶瓷型工艺按常规，硅酸乙酯水解需要加入乙醇，水解液存放12h以后，才能进行制浆。无醇陶瓷型工艺，是指在硅酸乙酯的水解过程中不需要加入乙醇，直接将耐火材料与硅酸乙酯，水盐酸和促凝剂混合在一起，充分搅拌。在搅拌过程中硅酸乙酯与耐火材料相互接触产生机械摩擦，并且在盐酸的催化作用下，进行缓慢水解。部分水解的硅酸胶体在促凝剂的作用下，将进行逐步胶凝，即经过一段时间的搅拌，把机械式水解和陶瓷灌浆结合在一体，完成水解灌浆工艺。它的优点是：陶瓷型强度较高；简化了水解工艺；避免了水解液的配制误差而造成的浪费，适合于单件生产。它的缺点是：搅拌时间较长；由于盐酸较多（5％～7％）有较强烈的气味，劳动条件较差，对复杂的铸件成形性较差、透气性差。6.6陶瓷铸造的应用陶瓷铸造已成为铸造大型厚壁、精密铸件的主要方法。如铸造冲模、锻模、玻璃器皿模、压锻模和板模等，可以大大节约加工工时，也可用于生产中型精密铸钢件。陶瓷铸造型芯陶瓷铸造成型机为什么要发展特种铸造?当前特种铸造的主要方法有哪些?答：市场对铸件的需求量日益增加，对铸件质量、生产周期的要求也越来越苛刻常见的特种铸造方法：熔模铸造，消失模铸造，金属型铸造，压力铸造，低压铸造，挤压铸造，差压铸造，真空吸铸，离心铸造，石膏型铸造，陶瓷型铸造，连续铸造，半连续铸造，壳型铸造，磁型铸造，石墨型铸造，冷冻铸造等。与砂型铸造相比,试分析特种铸造的优点及局限性？答：与砂型铸造相比，特种铸造的优点：1铸件尺寸精确（熔模铸造CT4-7,消失模铸造CT6－9，压力铸造CT4－8），表面粗造度低（熔模铸造：Ra1.6-6.3,消失模铸造Ra6。3-20，压力铸造：Ra1.6-6.3）。可实现少切削或无切削加工。2铸件内部质量好，力学性能高。铸件壁厚可以减薄（最小壁厚：熔模铸造0.5，消失模铸造：2－3，压力铸造：0.3）。3降低金属消耗和铸件废品率（工艺出品率：熔模铸造30－60％，消失模铸造40－75％，压力铸造60－90％）。4简化铸造工序（熔模铸造除外），易于实现机械化和自动化。5改善劳动条件，提高劳动生产率。并不是每一种特种铸造方法都有上述全部特点！