石膏型熔模特种铸造工艺

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Vo1.23 No.6 Nov.2002 铸造技术 F0I J‘、 DRY TECHN0L0GY ・347・ 

石膏型熔模特种铸造工艺 

张永红,蒋玉明,杨 屹 

(四川大学,四川成都610065) 摘要:详细地研究石膏的性能、石膏型熔模铸造生产工艺参数和工艺过程,成功的生产出伺服仪舵体等铸件。 关键词:石膏型;熔模铸造;q半水石膏;媒晶剂 中图分类号:TG249 5 文献标识码:A 文章编号:1000—8365(2002106—0347—03 

Special Technique of Plaster Mould in Investment Casting 

ZHANG Yonghong,J IANG Yuming,YANG Yi (Sichuan University,Chengdu 610065.China) Abstract:The properties of plaster and technological parameters as well as the technological process of production in the course of plaster mould for investment casting have been studied in details in this paper. 

Key words:Plaster mould;Precise casting;a—hemihydrate plaster;Crystal modifier 

熔模石膏型是普通熔模铸造法和普通石膏法优势 

互补的结合,其特点是: (1)石膏浆料流动性和复制性良好,石膏导热性 

差,有利于金属液充填,其生产不受拔模的限制,铸件 

壁厚最小可为0.5 rfllTl。 (2)铸件尺寸稳定,精度高,可达±0.002 mm;表 面光洁度高,一般可达 ~0一,一次性整体铸造出像 

航空机载雷达波导元件这一类内腔尺寸精度和表面光 洁度极高的产品。 

(3)石膏型透气性较差,一般铸件都是在真空下 

浇注,加压状态下结晶凝固,因而铸件组织致密,综合 

水蒸汽+气压 机械性能良好。 

(4)铸件成品率高,可达90%以上。 

(5)石膏铸型残余强度低,溃散性良好,利于铸件 清理。 石膏铸型是以a半水石膏为基体,以耐火材料和 

其他添加物为填充的均匀混合物。石膏混合料需满 足:浆料流动性好;强度、硬度适宜,收缩膨胀率小且稳 

定;化学性能稳定等。石膏的主要化学成分是二水硫 酸钙(CaSO4・2H2O),俗称生石膏,它随着脱水方式和 温度的不同有不同形态,采用a相半水石膏作铸型基 

体材料。 

a.cl l唧‘ a-c)so4(III) (椭 Il 

吸水 1啪℃ 

i7o ̄2oo'c 400"C以上 B-Clk ̄O4.1,2 o ̄ )B- ̄s04(III)——zCa ̄SO,(II 吸水 

1铸型材料的制备 

1.1 a半水石膏的制备 

生产a半水石膏的原材料必须性能稳定、满足生 

产技术指标要求。杂质对石膏结晶习性有一定的影 响,原材料中FeH、 ”、Mg 3种杂质含量应严格 

控制,因受其影响易得到强度很低的a半水石膏针状 

晶体_l J。所用原矿为眉山市所生产的生石膏,见表1。 

采用蒸汽水煮法生产高强度短柱状a半水石膏。 

根据影响a—CaS04・1/2H2O形成的主要因素:温度、 

收稿日期:2002—06—2l; 修订日期:2002—08—07 作者简介:张永红(1971一)。四川眉山人,工程师,工学硕士.研究方 向:材料成形与控制. )查三!!竺!.S02 ̄+CaO+1/2020S04(I SO2 t)—————_◆ T 

表1眉山市生石膏的化学成分 Tab.1 Chemical composition of raw plaster made by Meishan city 训(%) 

CaO so3 Sio2 AI2o3 MgO H2O 30.99 44.27 0.79 0.08 0.02 0.21 19.92 

压力、时间、添加剂。首先,加入0.25%~0.5%由 

K2SO4、Al2SO4和另2种有机酸盐组成的媒晶添加剂 

于反应釜中,将生石膏按一定比例倒人含有媒晶添加 

剂的均匀水溶液中充分浸泡,促使反应均匀、彻底。温 度控制在125℃~145℃,压力0.3 a~0.4 MPa。 

蒸煮时间为(6~8)h。由于半水石膏在低于脱水温度 条件下有较强的逆变性,故待反应完全、充分后,应立 

即通过离心机甩去大部分水,然后放人干燥炉中,在 维普资讯 http://www.cqvip.com ・348・ F0UNDRY TECHNOL0GY VoI_23 NO.6 Nov.2002 

120℃~150℃下烘干。我们生产的a半水石膏的性 

能指标,见表2,其生产工艺,见图1。 

A.蒸汽锅炉 B.反应釜 C.离心机 1.压力表 2.温度计 

图1 蒸汽水煮法制备a半水石膏的装置示意图 Fig.1 Sketch map of a—hemihydrate plaster made by steam 表2 a半水石膏的性能Tab.2 Propenles ofⅡ.hemihydrate plaster 

备注 石膏粒度:0.075 mYn~0.053 mYn 

1.2石膏混合料的制备 

结合国内常用的耐火材料,采用石英、铝矾土、煤 矸石、硅藻土作耐火填充材料,经过多次反复实验、测 定、得出了较满意的配方,见表3。 

表3石膏混合料配方Tab.3 Mixing prescription of piaster 

石膏的粒度对其凝结时间和铸型强度有较大影 响,粒度越细,石膏溶解越快,晶核的生成和数量增多, 

从而加快凝结时间;粒度较大时,溶解可能不够充分, 

焙烧时容易裂型或掉砂。因此配料时石膏粒度要适 中,过细过粗都不好。加入石英是为了利用它在 

573℃左右由t3相向a相发生同素异构转变产生的体 

积膨胀(约为8‰)来抵消石膏在加热过程中的收缩。 铝矾土、煤矸石在工作温度范围内几乎无相变,热膨胀 

系数很小,线量变化小且稳定、易控制;2者分散度小、 外形较圆整、在标准稠度下需水量少,流动性良好;另 外,2者结构呈多孔、表面粗糙,宜于被石膏浆料包裹、 

粘结,因而有利于强度的提高。加入一些硅藻土或桃 胶利于提高铸型透气性。当然,添加适量不同粒度的 

耐火填料砂,有利于改善铸型浆料流动性、致密性、溃 

散性。为了进一步提高铸型强度,还可以添加0.05% 

~0.3%的玻纤和3%~5%的增强剂。表4是表3配 

方所得到的性能指标。 

表4石膏混合料的性能指标Tab.4 Property standard of mixed piaster 

备注:T为温度,L为线形变量,搅拌机转速为700 r/rain,搅拌时间为2 min: 流动性测定方法:从浆料搅拌开始记时,3 r血后倒入 OIT ̄aXo40ITfiTI的是试样筒中,然后将浆料在玻璃上铺开,待凝固后测量其铺开的直径。 

2生产工艺控制 

2.1 压型工艺 蜡模不管是用模具成型还是通过快速成型(RP) 技术直接成型,为了得到尺寸精确度高、表面光洁度好 的铸件,石膏型生产中对模料都有比较严格的要求:① 

熔点低,不大于56℃;②线量膨胀收缩率低;③热稳定 性好;④粘度要低;⑤强度要高。 

压型模具材料可以是钢模、铝模、低熔合金、石膏 模,对单件产品也可通过RP技术直接成形。形成铸 

件内腔的方法有:①直接通过压型后抽芯;②由石膏浆 料成芯,放入模具中压制;③由水溶性材料压制成,然 后溶芯,可溶性材料可以是聚乙二醇基或尿素基材料。 2.2装型工艺 装型前,蜡模表面需用中性洗衣粉或者N ̄CO3 水溶液去除油脂。铸造工艺设计(如合理的浇注系统) 

除与普通壳型熔模铸造有相同的要求外,还具有如下 

特点和要求: (1)对局部壁较厚或 

厚、薄相差很悬殊的区域, 可使用不锈钢冷铁在厚处 

(热节处)起到激冷效果, 

见图2。为一伺服仪舵 

体,材质ZL104,工作环境 图2伺服仪舵体示意图 需要承受7 MPa的液压并Fig.2 Helmbody of sifu apparatus 

保压3 min不能出现渗漏(不允许渗补)。这对铸件组 

织致密性和综合性能要求都很高,为了达到该技术指 标,采用在腔内加放冷铁成功实现了这一目的。 

(2)模组应经受得住石膏浆料的挤压、冲刷和震动;

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(3)应保证浆料能顺序充填,气泡及凝固后的自 

由水能顺利排出; 

(4)蜡模与砂箱壁最近间隔不得低于25mm,以 

确保石膏铸型强度;对大型薄壁铸件,灌浆前放人铁丝 网、钢筋作为芯骨,以提高铸型强度。 (5)失蜡时,要利于蜡液顺利排出、排净。 

2.3灌浆工艺 

灌浆过程中控制水膏比及水温是关键。水的加入 量影响浆料流动性、铸型强度和铸件表而品质。水多 

虽流动性好,但浆料凝固后残余水多,聚集在石膏结晶 

结构网间,破坏其粘结力、内聚力,降低铸型强度,过多 残留水还造成铸型表层剥离、脱层或产生水纹,进而影 

响铸件表而光洁度;水少,浆料粘度大,流动性差,铸件 

成型不好,气体难于上浮、排出;铸型焙烧时易开裂。 

水温对浆料凝固时间有很大影响,水温高,原子扩散 快,石膏水化析晶速度加快,促使凝结时间缩短。水质 能影响石膏性能l ,水质较硬时,水中Ca2 、Mg2 离 子能导致晶格网络不完整、使强度减低。因此,每次灌 

浆前,必须根据具体的每批次石膏混合料,按照铸件大 小和形状确定灌浆时间一般控制在(8~25)S,调整浆 

料流动性和凝结时间(加入适量的某无机酸及其盐作 

促凝剂或某有机酸及其盐作缓凝剂来调整)。水应该 用经过软化的工业自来水,水温控制在(25~30)℃。 

灌浆在相对真空度为(65~90)MPa下能达到满意效 

果,石膏混合料先在搅拌器内浸泡2 min~3 min,再抽 真空,以免粉料被吸走。搅拌机搅拌剧烈程度会影响 

浆料的凝结时间。转速一般控制在(550~800)r/min 较理想,搅拌时间控制在(1~3)min内。灌浆完毕后 

立即施以微震,以便浆料在未凝结时进一步充填铸型 

和排出气体,其灌浆装置,见图3。 

1.搅拌器 2.浇灌室 3.砂箱 4.马达 5.震动装置 6.照明灯 7.窥视孔 

图3灌浆装置简图 Fig.3 Irrigating thick liquid apparatus 2.4石膏型脱蜡、焙烧工艺 

石膏有一定的强度回复期,灌浆完毕后铸型在冬 

天最好放置24 h以上,夏天放置16 h以上,以使残留 水分尽量蒸发,获得较高的铸型湿强度。脱蜡方式有 

蒸汽脱蜡或直接在焙烧炉中低温脱蜡,蒸汽脱蜡时应 先将脱蜡锅预热gtJ(S5--100)℃,再通蒸汽,否则会因 

蒸汽在铸型内凝结成水浸湿铸型表面,导致石膏回溶 

而表层剥离。采取在焙烧炉中低温失蜡时,失蜡温度 

不能过高,因为蜡料熔化后会过度膨胀并伴随剧烈沸 

腾而破坏铸型型腔表面。焙烧过程中,由于铸型导热 性差,湿强度低,因而升温不能过快,采取阶段性升温 

可得到满意效果。关于在焙烧炉中低温失蜡并焙烧的 工艺,见图4