冷冻铸造及其基本工艺技术问题

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文章编号 $&""($)(*#+!""#,"!$"""#$$%

综 述

冷冻铸造及其基本工艺技术问题
陈宗民 #薛
( 山东理工大学

冰 #杨思一
淄博<

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机械工程学院 # 山东

"!!$$$ )

摘要 $ 冷冻铸造是一种环境友好的清洁成形技术 # 适应当今铸造技术的发展方向 & 与其它精密铸造工艺相比 # 既可实现铸 件的近净形化 # 又避免或降低了模具材料 ’ 造型材料对环境带来的压力 & 本文阐述冷冻铸造技术的社会意义 # 介绍冷冻铸 造的发展状况 # 并分析目前发展中的各种冷冻铸造技术的基本工艺原理和工艺方法 # 讨论其存在的基本问题 # 包括冷冻铸 造对冰模的基本要求 ’ 冰模的制作方法 ’ 在冷冻条件下型壳及造型材料所应具有的性能 ’ 材料的选择和处理工艺 & 探讨该 工艺发展中的一些方向 & 关键词 $ 冷冻铸造 % 工艺 % 制模 中图分类号 $&’"%()( 文献标识码 $*

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当前世界上工业发达国家铸造技术的发展归
收稿日期 $!""#$"#$!% 作者简介 $ 陈宗民 (&’%($ )# 男 # 硕士 # 副教授 # 主要从事铸造材料及 工艺的研究和教学工作 &

纳起来大致有四个目标 # 即 $ ! 保护环境 # 减少以 至消除污染 %" 提高铸件质量和可靠性 # 生产优质 近净形铸件 %# 降低生产成本 %$ 缩短交货期 & 许 多特种铸造方法 # 如熔模铸造 ’ 陶瓷型铸造能够生

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上述公式的适用性还有待进一步验证 &

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结束语
汽 车 工 业 是 ./0 应 用 与 推 广 最 具 前 景 的 领

& 对 ./0 的疲劳强度 %$& 的影响 # 现 在 只 能 定 性 地 认 为 #% - 和 & 两 者 都 是 重 要 的 因素 & 在相同的抗拉强度 % - 时 #由于 ./0 的伸长 率 & 要比珠光体球铁大 #所以 ./0 的疲劳强度 %$&
要比珠光体球铁高很多 & 但是由于缺乏系统的研 究及大量的试验数据 # 目前还无法确定它们之间 的定量关系 &

关于 % - 和

域 #也是最不容易进入的领域 # 因为汽车零件是大 批量生产 # 质量稳定性 ’ 加工性 ’ 经济性等方面要 求十分严格 # 所以要在汽车领域成功地应用与推 广 # 任重而道远 # 还必须付出很大的努力 # 需要科 学地 ’ 扎扎实实地工作 # 累积数据和经验 # 扩大科 研和应用成果 &

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产高质量的精密铸件 # 但常规的特种铸造方法都 有许多局限性 $ 如传统的熔模铸造需要制作压型 % 工艺过程复杂 % 生产周期长 % 生产成本高 % 材料昂 贵 # 只适合大 % 中批量的生产需要 # 而且腊模在熔 化时膨胀易引起模壳破裂 $ 冷冻铸造 & 用冰模代替腊模或其它模样 ’ 工艺 弥补了诸多其它工艺方法的缺点 $ 其主要优点是 ( &!’ 高精度 当将冰模用于熔模铸造时 # 冰的 膨胀率不象腊模加热时的膨胀率那么大 # 因此 # 不 会使陶瓷型壳碎裂 $ 而且 # 冰具有自光洁性能 # 能 使陶瓷型壳保持很高的尺寸精度和表面光洁度 $ &"’ 工艺控制要求降低 # 对水的组成要求比腊 模低 #冰的脱模性也比较好 &#’ 水的流动性好 # 成形能力高 # 可以形成复 杂模样 $ &$’ 低成本 &%’ 无污染 因为水非常便宜 # 资源丰富 # 所 模样材料和成形及后处理过程 以成本近乎可以忽略 $ 另外 #成形能耗少 $ 对操作者和环境都无有害影响 $ 冷冻铸造技术在国内外都尚处于起步阶段 # 有 资 料 报 道 的 只 有 美 国 的 &’()*)+ 公 司 在 !,,! 年 开 始 致 力 于 冷 冻 铸 造 工 艺 &-(../. 0)12345

综 述

下发生破裂 $ 因此 # 冰模用模具的型腔部分要用具 有一定弹性的软模材料 $ 在制作软模前 #必须先要 制造与铸件形状 % 尺寸完全对应的原型 # 其材料可 以是金属 % 木材 % 塑料等 $ 母模可以采用机械加工 或快速成形的方法制作 $ 然后利用原型制作软阴 模 #阴模的材料一般为硅橡胶 % 尿烷聚硫化物等 9%:# 将具有一定流动性的材料浇入带有原型的成形框 中 #经过一段时间的固化后就形成阴模 $ 然后将阴 模夹持紧 # 再把水注入模中冷冻就可形成冰模 $ 这 种制作模具的方法比制作腊模用压型要简单 & 尽 管需要先做原型 ’$

"$# $%& 制模 用 ;-6 技术制作冰模的工艺流程与 -&? & 熔
丝沉积 ’ 类似 # 只是成形材料为水 # 并且要在冷冻 环境下成形 $ 首先在计算机中用 ;-6 成形机可接 受的软件系统对冰模进行三维造型 # 然后用切片 软件将三维图形离散成二维图形 # 根据成型件的 二维几何模型的层片信息 # 在计算机精确控制下 用特种喷头喷射出水滴 # 再在冷冻状态下逐层堆 积得到冰模 & 如图 ! 所示 ’$ ;-6 系统包括运动系 统 %喷射系统 % 控制系统和低温成形室 $ 由于水是 一种粘度低 % 流动性好的液体 # 为得到尺寸精度 高 %表面光洁的冰模 # 喷头必须能够喷射出足够细 微的水滴 $ 所以喷头的设计是冰成形的一个关键 技术 #喷嘴的直径及压力决定液滴的大小 # 喷头运 动速度决定冰层厚度 $ 影响成形质量的工艺参数 包括9@:( &!’ 喷射流量A 扫描速度 # &"’ 成形材料 # &#’ 喷头与成形面间的距离 # &$’ 成形环境温度 # &%’ 设备及控制系统精度 $

6(78.11’的研究 # 并申请了美国专利 $ 另外 # 近些
9!:

年 有 些 研 究 者 将 快 速 成 型 技 术 &;6’ 和 冷 冻 铸 造 技术结合起来 #形成了快速冷冻工艺 &;)<3= -(../.

6(7272><345’ 并取得了一定的进展 # 具 有 代 表 性 的
是美国的密苏里大学 和中国的清华大学
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# 他们

都 分 别 设 计 了 自 己 的 ;-6 系 统 并 利 用 该 系 统 对 有关的工艺参数进行了研究 $

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冰模的制作
无论是熔模铸造还是陶瓷型铸造 # 必须首先

制作与铸件外形和尺寸相对应的冰模 $ 制作冰模 有两种方法 # 一是利用模具制作冰模 & 类似腊模熔 模铸造中的压型 ’# 另一种是利用快速冷冻原型技 术 &;-6’$

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用模具制作冰模 冰模对模具的要求和腊模对压型的要求不

同 #水具有良好的流动能力 # 粘度低 $ 所以冰模用 模具必须具有良好的密封性 & 水不能从结构连接 处渗漏 ’#另外 # 水在凝固时发生膨胀 # 如果模具不 具备一定的容让性 # 冰模可能在膨胀应力的作用
图!

;-6 系统制作冰模示意图

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综 述

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造型或制壳材料
冷冻冰模可以用于陶瓷型和熔模铸造 # 用冷

证一个适中的胶凝速度 # 由 于 当 6+ 值 在 ,78 #9:8 或 小 于 ; 时 胶 凝 时 间较短 % 所以酸性和碱性材料都可以作为催化剂 # 有 关 实 验 中 常 用 的 酸 性 催 化 剂 有 +2"-$&+)% &

冻冰模翻制铸型与传统的陶瓷型和熔模铸造工艺 的主要区别是 $ 一些工序必须在低温环境中进行 # 造型材料必须为适应低温环境作出相应调整或重 新选择 # 目前 %较多的研究集中在熔模铸造中 # 以 下以冷冻铸造工艺用于熔模铸造为例 #

+"6-$% 而常用的碱性催化剂有 <=-+&)= (-+)2& >?- &)=- &>?(-+)2 以及各种有机胺 # 研究表明 %
应用有机催化剂 % 型壳的强度和表面光洁度优于 无机催化剂 # 因为 % 无机催化剂在陶瓷型壳焙烧后 依然残留在型壳中 % 这导致型壳高温性能的恶化 % 并导致裂纹和气泡的产生 #

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粘结剂 粘结剂与陶瓷粉末混合形成陶瓷浆料 % 使陶

瓷浆料固化后具有足够强度 # 用于低温条件下熔 模铸造的粘结剂在零度以下必须不会冻结而且有 良好的流动性 # 另外 % 粘结剂不能在与冰模接触 时 % 与冰和水相互作用 % 相互渗透 % 制作的型壳必 须具有好的表面光洁度和尺寸精度并且强度足够 高 # 有三种可供选择的粘结剂 $水玻璃 & 硅溶胶 & 硅 酸乙酯 # 显然 % 水玻璃和硅溶胶都不能满足低温环 境的要求 # 只有硅酸乙酯能够满足作为熔模型壳 粘结剂的要求 # 硅酸乙酯一般由四氯甲硅烷和乙醇直接反应 制取 %反应中盐酸为副产品 # 反应式如下 $

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分模剂 陶瓷浆料中的硅酸乙酯在胶凝过程中产生的

水包裹在网状结构中 % 水和乙醇与冰模表面相互 作用 % 同时 % 水解过程是放热反应 % 能够促使冰模 表面熔化 % 使型壳无法满意地复制冰模的形状 % 影 响铸件精度和表面质量 # 为解决此类问题 % 须在冰 模表面上均匀地涂刷分模剂 # 分模剂应满足以下 要求 $ (;) 与水和乙醇不溶 & 不发生反应 * (2 ) 不引起冰模熔化 % (@) 具有良好的低温涂覆性能 % (& ) 无毒 & 无污染 & 来源丰富 # 有 人 采 用 硅 油 A 煤 油 (;$;)% 经 低 温 冷 冻 后 均 匀涂覆在冰模上取得了良好的效果 395% 也有人经过 试验比较后认为十八烷的效果更好 #

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硅酸乙酯自身没有粘结能力 1 必须与水经过 水解反应 % 产生一种具有粘结作用的硅酸溶胶 # 参 与水解的水量必须足够才能生成硅酸和乙醇 % 即 硅酸在乙醇中的溶液 # 否则 %会生成一种不完全水 ’’ 有 机 硅 聚 合 物 (()2+!- )""#-+ )% 这 种 解 产 物’ 水解液制造的型壳容易产生缺陷 # 不同聚合形式 的硅酸乙酯水解时需水量不同 % 关于水解反应需 水量的计算可参阅文献345#

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发展中应该注意的问题
研究方向 目前对冷冻铸造的研究面还应当拓宽 % 不仅

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催化剂 硅酸乙酯水解后生成硅酸溶胶水解液 % 如不

在熔模铸造和陶瓷型铸造技术中 % 而且还可以拓 展到其它铸造工艺 % 并借鉴其它工艺的一些原理 和方法克服冷冻铸造中的工艺难点 # 另外 % 在制模 技术研究中 % 采用 BC6 技术制模 % 不需要压型 % 可 以缩短生产准备的周期 % 这在单件多品种生产中 具有优势 % 但由于水物理性质和该成形方法的特 点 % 使冰模的成形速度较慢 # 因此 % 这种方法并不 适合批量生产方式 # 因此 %研究适合批量生产的更 有效 & 更简捷 & 更可靠的冰模制作技术非常重要 # 作者认为 % 软模是非常适合冰模制作的 # 通过选 择 & 开发低温性能良好的软模材料 % 设计操作简 单 % 保证程度高的压型结构是提高冰模应用性能 的重要保证 #

加任何调整只与耐火粉料混合 % 其胶凝过程往往 需要几天或更长的时间 % 因此要加入催化剂缩短 胶凝时间 # 陶瓷浆料的胶凝时间取决于温度 & 水解 液的成分及 6+ 值 % 许多研究在这方面已取得共 识# 研究表明 325% 胶凝时间极大地影响型壳或铸型 的质量及制作成本 # 胶凝时间过长 % 恶化型壳或铸 型的表面质量 % 但胶凝时间过短可导致浆料完全 涂刷以前就开始硬化并引起强度下降 # 因此选择 陶瓷浆料的成分 & 确定催化剂的加入量都必须保

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综 述

低碳球铁研究的现状与展望
李玉中 $舒信福 $李玲芳 $朱延东 $常殿存
& 昆明理工大学
机电工程学院 $ 云南 昆明

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摘要 # 低碳球铁是含碳量远低于常规含碳量的球墨铸铁 $ 现在已经发展了四个品种 #* % 铸态高韧塑性铁素体低碳球铁 $ " % 铸态高强度珠光体低碳球铁 $ () 准铸态贝氏体低碳耐磨球铁 $ % % 铸态耐热 & 耐蚀奥氏体低碳球铁 ’ 低碳球铁采用传统球铁 生产中被认为有 ( 反球化 ) 作用的元素作为球化剂 $ 为球化机理的研究提供新的依据 * 球化元素与 ( 反球化 ) 元素均为表面 活性元素 $ 没有本质的区别 * 低碳球铁的优点是成本低 + 性价比高 * 关键词 # 低碳球铁 , 球化与反球化 , 展望 中图分类号 #+,"!! 文献标识码 #-

"#$%$&’ ()’*+’),& +&- "#,%.$/’% ,0 1,2 3+#4,& (.5$#,)-+6 7#+.5)’$ 8#,& ./ 012345678 9:; <=62>18 ./ .=672>?678 @:; 0?62A5678 B:-C, D=?62E16
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工艺参数的稳定化和工艺技术的成套化 稳定的冷冻铸造工艺参数 - 如最佳冷冻深度 和速度 & 冰模的收缩率 & 用冰模制作型壳的收缩率 等 %需要通过不断的试验和生产实践进行积累 $ 只 有具备充足而成熟的工艺参数才能降低实施新工 艺的风险 $ 得到人们的认可 $ 从而有利于冷冻铸造 的推广 * 参 考 文 献
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设备 & 模具的标准化和规格化 在进行基本工艺方法研究的同时 $ 要进行专

用设备和模具的研究和设计 $ 并探讨标准化和规 格化的可能性 * 这对将来提高冷冻铸造工艺的生 产效率 $ 降低生产成本至关重要 *

]!^ 张润林 V 壳型铸造和冷冻铸造近净形铸造技术 ]b^V 新 技 术 新 工 艺
- 热加工技术 %$"$$* $-*" %#""+"(V

]’^ 颜永年 V 快速成形与铸造技术 ]J^V 北京 # 机械工业出版社 $"$$%V ]‘^ 陈 金 城 V 铸 造 手 册 - 特 种 铸 造 分 册 %]J^V 北 京 # 机 械 工 业 出 版 社 $ !,,-V

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冷冻铸造及其基本工艺技术问题
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 陈宗民， 薛冰， 杨思一， CHEN Zong-min， XUE Bing， YANG Si-yi 山东理工大学,机械工程学院,山东,淄博,255000 现代铸铁 MODERN CAST IRON 2005，25(5) 1次

参考文献(7条) 1.A Yodice Freeze process 1991 2.M C Leu el Investment casting with ice patterns from rapid freeze prototyping 2004 3.吴任东 基于冰模的熔模铸造工艺研究[期刊论文]-铸造 2003(11) 4.张锡平 冰模快速成形及其在铸造中应用的研究[期刊论文]-铸造 2001(11) 5.张润林 壳型铸造和冷冻铸造近净形铸造技术[期刊论文]-新技术新工艺 2001(12) 6.颜永年 快速成形与铸造技术 2004 7.陈金城 铸造手册 1997

相似文献(7条) 1.学位论文 付鹏 Nb合金基陶瓷复合材料制备新方法及其组织性能研究 2010
本文在借鉴和改进前人制备复合材料方法的基础上，探索出了一种以多孔陶瓷作为预制体，利用无压熔渗工艺制备具有网络互穿结构金属基/陶瓷复合材料。主要包括三 个方面的研究内容：一是通过真空电弧熔炼方法制备Nb-Al、Nb-Ti-Al-Cr合金；二是采用添加造孔剂工艺与冷冻铸造方法制备了Nb2O5和Al2O3层状多孔陶瓷预制体；三是通 过无压熔渗工艺制备了Nb合金基/Al2O3陶瓷复合材料。

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