第4章陶瓷型铸造

§4陶瓷型铸造知识要点掌握程度相关知识陶瓷型铸造的工艺实质了解陶瓷型铸造的工艺流程、工艺特点及应用快速制模技术陶瓷型铸造的工艺设计熟悉陶瓷型铸造工艺设计的过程，根据铸件的特点能够合理地编制陶瓷型铸造工艺工程流体力学，铸造工艺设计基础陶瓷型铸造工艺了解陶瓷型铸造所用造型材料，熟悉陶瓷浆料的配制工艺胶体化学，陶瓷材料学第4章陶瓷型铸造本章教学要点4.1概述陶瓷型铸造（CeramicMoldCasting）是在砂型铸造和熔模铸造基础上发展起来的一种铸造方法，又称ShawProcess肖氏法，它是用高质量陶瓷浆料形成铸型型腔的方法。4.1.1工艺过程陶瓷型铸造的工艺流程催化剂结胶硬化起模硅酸乙酯硅酸乙酯水解液耐火材料配置浆料准备模型及砂套灌浆喷烧焙烧熏烟合箱浇注打箱清理铸件++水解合金熔炼小型陶瓷型铸件，常采用全部以陶瓷浆料制造的陶瓷型。陶瓷型的制造方法-全部由陶瓷浆料灌注而成陶瓷型-又称带底套的陶瓷铸型底套整体陶瓷铸型复合陶瓷铸型砂套金属底套（1）整体陶瓷铸型的造型过程首先将模型固定于模板上（a）；再套上砂箱（b）；然后将预先调好的陶瓷浆料倒入砂箱（c）；将表面刮平，等待结胶硬化（d）；待浆料一旦出现弹性即可进行起模（e）；随即点火喷烧（吹压缩空气助燃）（f）；待火熄灭后，移入高温炉中焙烧即成所需的陶瓷型。全部采用陶瓷浆料造型过程示意图a-模型；b-准备灌浆；c-灌浆；d-结胶；e-起模；f-喷烧1-铸型；2-砂箱整体陶瓷铸型特点陶瓷浆料多，成本高透气性差型壁厚，喷烧时产生较大变形用于制陶瓷芯或陶瓷镶块（2）复合陶瓷铸型的造型过程首先将底套模型固定于模板上（a）；再套上砂箱（b）；然后将预先调好的陶瓷浆料倒入砂箱（c）；将表面刮平，等待结胶硬化（d）；待浆料一旦出现弹性即可进行起模（e）；随即点火喷烧（吹压缩空气助燃）（f）；待火熄灭后，移入高温炉中焙烧即成所需的陶瓷型。（2）复合陶瓷型制造过程复合陶瓷铸型，即与金属液直接接触的面层，灌注陶瓷浆料，而其余部分用砂套或金属套代替。目前生产上应用最广的是CO2水玻璃砂底套陶瓷型。CO2水玻璃砂套有强度高、透气性好、制作简便等优点。其特殊之处，在于实现要准备两个模型，一个用于灌陶瓷浆料的铸件模，另一个用于制造底套，其尺寸较铸件模大。复合陶瓷型制作工艺a）底套用模样;b）砂底套;c）涂层强化;d）铸件模准备;e）灌浆硬化;f）起模;g）喷烧底套模样铸件模4.1.2工艺过程特点用陶瓷浆料形成铸型型腔，型腔表面光洁、尺寸精确铸型的耐火度高，适用于各种不同合金，特别是高熔点的合金钢不适合做孔深或多分型面的铸件存在灌浆过程，不适合浇注批量大的铸件，难于机械化、自动化陶瓷型起模后产生缺陷，难于修补4.1.3应用可生产较精密、复杂的各种大小铸件，合金不限，以单件小批为主主要用于生产各种模具：玻璃制品模具、塑料制品模具、橡胶制品模具、锻造用模具、铸造用模具等4.2陶瓷型铸造工艺4.2.1母模与底套（1）母模可用木模、石膏模、金属模、快速成形样件尺寸精度母模公差比铸件公差高表面粗糙度比铸件低2级（2）底套陶瓷型的底套一般都采用水玻璃砂制作水玻璃砂可采用CO2硬化或有机酯硬化硅砂水玻璃（M2.4）膨润土20～40目12～20目CO2硬化50507～81～2有机酯硬化50504～5—底套用型砂配方（质量比）对于批量小、尺寸大的零件，制作底套的模具可在原母模上贴黏土层或橡胶层形成。黏土层或橡胶层的厚度即为陶瓷浆料层的厚度。批量生产时，要制作专用的模型制造底套。中小件大件铸铝5～78～10铸铁、铸钢6～88～12铸钢8～1010～15陶瓷灌浆厚度的选用（mm）4.2.2陶瓷浆料原材料（1）耐火材料耐火材料及粒度级配根据合金种类选择耐火材料种类粒度级配目的：为了达到高浆料粉液比，铸件表面更光洁常用耐火材料性能及应用耐火材料化学性质熔点/℃密度/g·cm-3热膨胀系数/10-7℃-1价格（元/吨）硅砂酸性17132.6125100～120白刚玉两性20503.99～4.02869500锆砂弱酸性＞19484.5～4.94612000莫来石弱酸性18103.03503500铝矾土弱酸性18003.1～3.550～58400粉液比粉液比即耐火材料和黏结剂之间的比例。粉液比大，虽然强度会高些，但陶瓷浆料的流动性差，表面光洁度差。如果粉液比小，虽然流动性会好，表面光洁度较好，但容易产生裂纹。粉液比对流动性的影响粉液比陶瓷浆料流动性3.0:1非常好3.2:1好3.4:1较好3.6:1差铸型常温强度铸型高温强度硅酸乙酯322.96MPa3.88MPa硅酸乙酯403.46MPa4.99MPa（2）黏结剂硅酸乙酯40比32好，陶瓷型强度高，水解容易掌握采用硅酸乙酯水解液作为黏结剂，水解液的原料及其作用如表所示。名称作用备注硅酸乙酯黏结剂#40酒精溶剂水水解纯净水或蒸馏水盐酸催化剂、稳定水解液醋酸增强韧剂水解计算及水解方法同熔模铸造加水量B（g）乙醇加入量C（g）实际加水量（g）盐酸加入量D（g）%3.2'CBB10001840045aMBMa'110001SCBS乙'1000GbbDw盐盐M—置换1mol-OC2H5所需水的摩尔数（2）黏结剂硅酸乙酯40M0.35SiO216～18%陈化时间20～24h最佳水解参数作用：改变PH值，使黏结剂胶凝种类：有机和无机两种，以有机催化剂性能更好（3）催化剂使用无机催化剂的问题：陶瓷型强度偏低，起模时间要求严格加入量结胶时间min大件Ca(OH)20.1～0.2gMgO1～2g8～10中小件Ca(OH)20.35～0.4g4～5①无机催化剂氢氧化钙、氧化镁加入量（每100ml水解液）各种催化剂对陶瓷型强度的影响②有机催化剂各种有机胺如醇胺、环己胺、甲基胺用有机催化剂的陶瓷型强度高，同时取模时间范围大（半小时），使操作方便，用量可按图右中A量②有机催化剂燃烧升华的物质：酚醛树脂、淀粉、萘发气物质：碳酸钡、双氧水可用双氧水H2O2≥29%（分析纯）作透气剂，加入量为耐火材料重量的0.2%左右透气剂会使陶瓷型强度下降，一般不加（4）透气剂为提高陶瓷型的某些性能，有时需加附加物如防止喷烧时产生大裂纹，可在水解液中加入0.5%左右的甘油或醋酸（提高陶瓷型的韧性）。（5）附加物4.3陶瓷型制作4.3.1陶瓷浆料配制国内的一些陶瓷浆料配方序号浆料名称耐火材料/g硅酸乙酯水解液/ml催化剂/g·100ml-1应用范围1硅石浆料筛号270筛号50-100筛号30-5040Ca(OH)20.2-0.4用于中大件5530152锆砂浆料筛号270筛号100-200筛号20-4025-35Ca(OH)20.35用于中大件6525103煤矸石浆料筛号270筛号200筛号70-100筛号30-6031-35Ca(OH)20.1-0.2MgO1-2用于中大件303030-4010-5有机催化剂2-10ml用于中大件4铝矾土浆料筛号270筛号200筛号70-100筛号30-6031-35Ca(OH)20.1-0.2MgO1-2用于大件303030-4010-5Ca(OH)20.4-0.6用于中小件5刚玉浆料W28筛号320筛号180筛号6037-40Ca(OH)20.45用于中小件50—30202525302037-40Ca(OH)20.40用于中小件—50302040Ca(OH)20.35用于大件为提高陶瓷浆料的透气性，可在100g耐火材料中加0.3g双氧水。为防止陶瓷型开裂可加入质量分数为10%甘油硼酸溶液，如每100ml水解液加入质量分数3%～5%的甘油硼酸溶液。序号3、4使用的为硅酸乙酯40水解液。①W28是模料行业粒度标准。②催化剂加入量是指100ml硅酸乙酯水解液加入中加入的克数。浆料配制流程先将耐火材料、催化剂等混合均匀附加物加入到水解液中混合均匀4.3.2灌浆搅拌时间不能过长，由下图AB为搅拌时间（结胶时间），BC就应灌浆过早：易黏模，陶瓷层耐火材料容易沉淀过迟：浆料流动性差，轮廓不清晰浆料黏度随搅拌时间的变化结胶时间大件控制在8～15min小件控制在4～6min；灌浆要慢，避免卷气边灌边震动，改善流动性，使气泡上浮4.3.2灌浆4.3.3起模起模应在陶瓷型处于弹性状态时起模用无机催化剂时，起模时间=2倍结胶时间过早起模，铸型未结胶而破坏过迟起模，铸型无弹性而破坏用有机催化剂起模时间长，操作方便硅酸乙酯水解液的黏附能力强使用分型剂，提高铸型表面质量常用分型剂：上光蜡、石蜡、变压器油、凡士林、硅油、树脂漆和聚苯乙烯液，以聚苯乙烯液和树脂漆为佳为容易起模，涂分型剂4.3.4喷烧陶瓷型喷烧工艺与尺寸变化率的关系陶瓷型喷烧工艺与强度的关系起模后立即喷烧，防止挥发不均匀，收缩不均匀，铸型开裂喷烧后的陶瓷型（a）瓶盖模具（b）平板轮胎模具4.3.5焙烧焙烧的目的是去除陶瓷型中残余的乙醇、水分和少量的有机物，并使硅酸胶体脱水，最后形成体型结构，并进一步提高陶瓷层的强度。不同合金对铸型强度要求不同，陶瓷型焙烧温度也可不同。铸钢件600℃铸铁件500℃铸铝、铸铜件350℃～450℃4.3.5焙烧4.3.6浇注浇注方法可采用重力浇注、低压浇注等。陶瓷型采用热型浇注，浇注时陶瓷型的温度保持在200℃左右。浇注后铸件最好在型内冷却至室温才开箱，以防铸件产生裂纹或变形。低压浇注时所采用的一模两腔(c)底箱（d）上箱低压浇注图（a）合箱（b）浇注4.4陶瓷型铸造的发展趋势（1）CAD和RP技术制造母模根据零件CAD模型，快速自动完成复杂的三维实体(模型)制造RP技术可直接或间接用于模具制造，具有技术先进、成本较低、设计制造周期短和精度适中等特点。从模具的概念设计到制造完成，仅为传统加工方法所需时间的1/3和成本的1/4左右。（2）陶瓷型制备新工艺的多样性目前，陶瓷型制备新工艺中应用最广泛的应属薄壁陶瓷型，其次涂敷浆砂制备陶瓷型也得到了较好的推广，还有喷涂法制备陶瓷型和复合陶瓷型等。(3)采用研磨抛光技术，提高模具表面品质模具表面品质对模具使用寿命、制作外观品质等方面均有较大影响，我国目前仍以手工研磨抛光为主，品质不稳定，故采用机械抛光为好。而数控研磨机可实现三维曲面模具的自动化研磨抛光，特种研磨与抛光方法如挤压衍磨、电化学抛光、超声抛光以及复合抛光等效果更好，可以明显提高模具的表面品质。（4）可替代硅酸乙酯水解液黏结剂的开发及应用研究长期以来硅酸乙酯水解液一直作为重要的黏结剂广泛应用于铸造行业。但是随着人们对产品的要求越来越高和硅酸乙酯水解液自身的各种缺陷，20世纪60年代，硅溶胶作为黏结剂应用于铸造领域，立即以其无可比拟的优势逐步取代了曾经广泛使用的制备工艺复杂、有污染和成本高的硅酸乙酯解液。硅溶胶以其独特的优点（如价格低廉、无需水解工序，不存在VOC问题、生产工艺简单、浆料性能稳定和废弃的陶瓷浆料可重复利用等）受到大多数专家和铸造企业的广泛青睐。目前，硅溶胶用于陶瓷型铸造已经得到进一步研究。因此，硅溶胶和快干硅溶胶即将成为陶瓷型铸造较合适的黏结剂。习题一、填空题1.陶瓷型铸造可分为和两大类。2.陶瓷型精密铸造常用的黏结剂是。3.为提高生产率，在制造陶瓷型的浆料中必须加入来缩短胶凝时间。4.陶瓷型喷烧目的是使酒精燃烧起来，均匀地挥发，从而使陶瓷型表面有一定的强度和硬度，并出现均匀密布的。二、问答题1、试述陶瓷型铸造的特点及应用范围。2、为什么广泛采用复合陶瓷型，而不使用单一陶瓷型？3、灌浆时间应如何控制？灌浆过早、过迟会产生什么问题？4、陶瓷浆料制备过程中加入催化剂的作用是什么？5、灌浆时应注意哪些问题？6、陶瓷型在配置浆料、灌浆、起模、喷烧和焙烧各工序中各应注意些什么？