硅溶胶熔模铸造工艺

硅溶胶熔模铸造工艺

硅溶胶精密铸造的基本特点是用易熔材料为铸型，以耐火材料为铸型，在浇注前将铸型熔化，形成型腔。早在3000多年前，这种技术就已被用来铸造工艺品。二战期间，由于军工的需要，美国、英国等国家采用熔模铸造生产涡轮喷气发动机的固定叶片，从而将这一工艺推向工业领域，并不断发展和完善半个多世纪以来。硅溶胶熔模铸造的生产工艺流程多种多样，从蜡模、壳型铸造、浇注、到清洗，是一个紧密的链条。任何一个环节出现问题，都直接影响铸件的最终成形和质量，需要特别加强过程控制和研究。

1、制壳技术的重要性 在所有生产工艺中，蜡模制造和模壳制造是体现熔模铸造独特特点的两个工艺步骤，在工艺研究中需要特别重视。近年来，全球熔模铸造工艺在蜡模制造方面取得了重大进展。生产者通过选择合适的模具材料和采用现代化的工艺设备，可以保证蜡模的尺寸精度和表面质量。同时，与熔模铸造的后续制造流程相比，蜡模制造相对独立，可以通过目视检查和尺寸测量筛选出不合格品，避免进一步生产和增加损失。进入模壳的制造过程，关系到铸件最终质量的表面质量和尺寸精度就隐藏起来了。在铸件被清理之前，模壳内腔质量的变化可视为“黑匣子”，在制造过程中无法直接观察到尺寸和质量的变化。只有更加清楚地了解模壳的制造过程与缺陷之间的关系，才能保证整个生产过程的可控性。更重要的是，型壳作为铸造成形的直接型腔，其性能最终影响液态金属的成形质量。因此，人们对熔模铸造的制壳工艺非常关注。在国际重要的熔模铸造会议美国熔模铸造协会（ICI）年度技术会议上，型壳研究一直是关注的热点话题，约有三分之一的论文与型壳相关，可见型壳的重要性熔模铸造制造技术开发。在国际通用的熔模铸造制壳工艺中，硅溶胶制壳因其环保优势而占据主导地位，但也需要面对激烈的市场竞争的挑战：一方面需要适应较大、航空航天和军事工业提出的更薄、更复杂的铸件；另一方面，对于大量民用产品来说，缩短生产周期、提高市场响应能力已成为当务之急。

2、制壳技术的发展及其对新型硅溶胶开发的要求

1、满足复杂熔模铸件对硅溶胶型壳的要求

制造大型、薄壁、复杂铸件，需要解决制壳能力问题，如适合大规模制壳作业的设备，包括制壳机器人、脱蜡设备等。另一方面，最终型壳在强度、抗变形能力、尺寸精度等方面都有较高的要求，特别是型壳的强度和抗变形能力是铸造大型熔模铸件的基础。只有保证型壳的性能要求，正确成形铸件，才能进一步解决铸件的尺寸精度问题。硅溶胶型壳的强度根据其受热效果的不同可分为常温强度、高温强度、残余强度。常温强度是为了保证制壳和脱蜡过程中壳的完整性。高温强度是为了保证外壳在烘烤和浇注过程中不被损坏。虽然高温强度很重要，但实验测量表明，经过950℃以上的高温锻烧后，℃硅溶胶的壳强度可达7-14MPa，超过硅酸乙酯6-8MPa，完全满足熔模铸造技术的要求。相反，随着高温强度的增加，残余强度也增加，使铸件的清壳困难，需要适当压减。与硅酸乙酯相比，硅溶胶壳的弱点在于室温强度较低。因此，当型壳变得较大、较复杂时，在制壳和脱蜡时很容易造成型壳的开裂或变形，影响铸件最终的表面质量和尺寸精度。因此，提高硅溶胶的室温强度已成为推广和发展硅溶胶制壳技术的重要任务，也是研究新型硅溶胶的重要目标。

2、发展硅溶胶提高熔模铸造效率的要求

与大型复杂薄壁铸件相比，民用产品对铸件质量的要求较低。但对于后者来说，缩短生产周期、提高生产效率的问题就显得更加突出。普通硅溶胶的凝胶过程主要依靠硅溶胶的脱水和干燥，其凝胶时间比化学硬化硅酸乙酯的凝胶时间要长。采用氨水干燥，硅酸乙酯壳每层约2小时即可硬化，而硅溶胶的最终硬化一般需要12小时以上。对于一些较难干燥的区域如深孔，则需要更长的时间。同时，由于熔模铸造型壳分层制造，每一层都需要充分干燥，以保证型壳下层在浸入涂层时不会出现溶解、剥落的问题。然而，浸没涂层中的水本身会浸入已经干燥的外壳中，导致整体干燥周期较长。这是一般硅溶胶型壳熔模铸件的生产周期示意图。从图中可以看出，制壳时间占整个铸件生产周期的50%以上。要缩短产品的交货期，缩短制壳周期是问题的核心环节。缩短制壳周期的关键因素可分为内部因素和外部因素两个方面。内部因素主要是粘合剂的特性，外部因素是干燥条件。

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