1、陶瓷型铸造工艺和原理3.1 概述3.1.1 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。 陶瓷型铸造工艺工艺流程：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+水解合金熔炼陶瓷型铸造（Ceramic Mold Casting）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Shaw Process肖氏法，它是用高质量陶瓷浆料形成铸型型腔的
2、方法。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。 陶瓷型铸造所用浆料陶瓷型铸造与熔模铸造的异同点制壳材料制壳方法硬化方法起模方法应用范围熔模铸造硅酸乙酯水解液、刚玉等涂挂法氨硬化法熔模大批陶瓷型铸造硅酸乙酯水解液、刚玉等灌浆法添加催化剂拔模单件小批3.2 陶瓷型分类：陶瓷型的制造方法可分为两大类： 小型陶瓷型铸件，常采用全部以陶瓷浆料制造的陶瓷型。-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 全部采用陶瓷浆料造型过程示意图a-模型；b-准备
3、灌浆；c-灌浆；d-结胶；e-起模；f-喷烧1-铸型；2-砂箱整体陶瓷铸型整体陶瓷铸型的造型工艺过程： 首先将模型固定于模板上（a）； 再套上砂箱（b）； 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。整体陶瓷铸型的特点：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复合陶瓷铸型 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。CO
4、2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。 金属套的复合陶瓷型工艺陶瓷型铸造的特点：用陶瓷浆料形成铸型型腔，型腔表面光洁（）、尺寸精确（CT35级）铸型的耐火度高，适用于各种不同合金，特别 是高熔点的合金钢生产周期短，金属利用率高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，难于修补陶瓷型铸造的应用： 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。 主要用于生产各种金属模具：玻璃制品模具、塑料制品模具、橡胶制品模
5、具、锻造用模具、铸造用模具等。各种陶瓷型模具（a）瓶盖模具（b）平板轮胎模具3.3 陶瓷型铸造工艺过程3.3.1 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。 4脱膜剂，常用的脱模剂有上光蜡，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
6、，其加入量为耐火粉料重量的0203%。 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。下表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。 陶瓷型常用耐火材料的性能及应用耐火材料化学性质熔点 /密度/gcm-3热膨胀系数/10-7-1价格（元/吨）硅砂酸性17132.6125100120白刚玉两性20503.994.02869500锆砂弱酸性19484.54.94612000莫来石弱酸性18103.03503500铝矾土弱酸性1800
7、3.13.55058400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差粉液比对流动性的影响（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。 水解时，先在容器内放入纯净水，然后
8、加入酒精，搅拌均匀，随后量取盐酸及醋酸加入容器内，搅拌均匀。然后将搅拌器一直处于搅拌状态，然后缓慢加入硅酸乙酯，其水解的反应方程式如下： 由于该反应为放热反应，水解的温度过高或过低都会影响水解液质量。温度最好控制在 40-55范围之内。因此，在加入硅酸乙酯的过程中，若温度过高，则需在水解容器外面加冷却水；若温度过低，则需加大硅酸乙酯的流量，整个水解过程都需在密闭容器内进行，防止溶剂酒精的挥发。硅酸乙酯加入完毕后，需继续搅拌 2-3 小时，然后装入密闭容器内，待其陈化 24 小时后方可使用。硅酸乙酯水解液的配制过程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
9、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/硫酸增强韧剂陶瓷型铸造通常用硅酸乙酯-32（3034SiO2）和硅酸乙酯-40（3842SiO2）。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。 铸型常温强度 铸型高温强度硅酸乙酯硅酸乙酯工业硅酸乙酯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-40 40.68 0.015 3.0 1.05硅酸乙酯-32 30.67 0.04 0.95
10、0.944（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有适当的摩尔比，一般控制在之间。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1822，当SiO2的含量在20时，型壳的强度最高。水解液的pH值一般在12，相应的盐酸含量约为0.036%0.36%，一般取。 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） M置换1mol-OC2H5所需水的摩尔数硅酸乙酯40的
11、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 100g 11.25g 138.75ml 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，主要分为有机催化剂和无机催化剂两类，有机催化剂的性能稍好一些。 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)2 0.10.2gMgO 12g810中小件Ca(OH)2 0.350.4g45无机
12、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，最佳用量约为示意图中A量有机催化剂（5） 脱模剂 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，造成脱模困难，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脱模剂。常用脱模剂有汽车上光腊、变压器油、机油、有机硅油及白凡士林等。目的是增加陶瓷型的透气性多采用燃烧后可升华的物质：酚醛树脂、淀粉发气物质：碳酸钡、双氧水 可用双氧水H2O229%（分析纯）作透气 剂，加入量为耐火材料重量的0.2%
13、左右透气剂会使陶瓷型强度下降，一般不加（6）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）。（7）附加物3.3.2 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、锆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。 中小件或表面质量要求较高的多选细粉，但不超过60%，较大铸件，粗料可相对多一些。2浆料的配制与灌浆 耐火材料与粘结剂的配比要
14、适当，一般原则为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，尽量增加浆料中固体的含量，以增加浆料的稠度。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浆料配制流程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/g100ml-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
15、-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5030202525302037-40Ca(OH)20.40用于中小件50302040Ca(OH)20.35用于大件灌浆 搅拌时间不能过长，由下图AB为搅拌时间（结胶时间），BC就应灌浆过短： 易黏模，陶瓷层耐火材料容易沉淀过长： 浆料流动性差，轮廓不清晰浆
16、料黏度随搅拌时间的变化灌浆时，浆料倒入速度不应过快，以防卷气，边灌浆边振动，排除浆料中的气体。灌浆之后的结胶时间应注意控制,大件控制在815min，小件控制在46min（如何控制？），在保证能充满型的前提下，尽可能缩短结胶时间。 3.3.3 起模 不能立即起模，一般在结胶后515min，待陶瓷层稍有弹性时，起模效果最好。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），常采用机械起模。注意脱模剂的合理使用！陶瓷铸造成型机 3.3.4 喷烧 起模后应立即进行点火喷
17、烧，防止挥发和收缩不均匀，铸型产生裂纹或开裂。主要采用立刻点火并吹压缩空气的方式进行喷烧，从而使陶瓷型的表面有一定的强度和硬度。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 喷烧后的陶瓷型（a）瓶盖模具（b）平板轮胎模具3.3.5 焙烧 焙烧的目的是去除陶瓷型内残存的乙醇、水分和少量的有机物，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23h，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350550。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-
18、450经过喷烧后，有机溶剂的8090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。砂型的复合陶瓷型工艺3.3.6 浇注与清理 可采用的浇注方法有重力浇注、低压浇注等。陶瓷型多采用热型浇注，浇注时陶瓷型的温度应保持在200左右。浇注时注意挡渣，浇注温度和浇注速度略高于砂型铸造。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。砂型复合陶瓷型所采用的一模两腔(a)底箱（b
19、）上箱（c）合箱（d）浇注无醇陶瓷型工艺 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（57）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。常规陶瓷型铸造所用粘接剂配料表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/硫酸增强韧剂无醇陶瓷型铸造工艺：无酒精，机械搅拌+缓慢水解无醇陶瓷型铸造所用粘接剂配料表3.4 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
