第二讲 熔模铸造发展与展望 2010.2.6

一、熔模铸造工艺及应用 二、国际熔模铸造 三、中国熔模铸造的发展 一、熔模铸造工艺及应用 二、国际熔模铸造 三、中国熔模铸造的发展

一、熔模铸造工艺及应用 1.工艺过程 2.工艺特点 3.熔模铸造的应用

熔模精密铸造简称熔模铸造又叫失蜡铸造或脱蜡铸造，是一种少、无切削加工的先进金属零件的生产方法。

1.工艺过程 蜡模 零件

压蜡模（压型）

压蜡模视频

组焊模组

组焊模具视频

上涂料、撒砂、干燥（模组上制型壳）

上涂料视频

脱蜡

蒸汽脱蜡视频

焙烧

焙烧视频

浇铸

浇铸视频

除壳

去壳视频

清理

表面清理视频

《天工开物》 宋应星著 油蜡分两，……其上高蔽晴雨（夏月不可为，油不冻结）……油蜡墁定，然后雕镂书文、物象……然后细土与碳末为泥，涂墁以渐，而加厚至数寸，使其内外透体干坚，外施火力，化其中油蜡，从口上空隙熔流净尽，则其中空处，即钟鼎托体之躯也。凡油蜡一斤需位，填铜十斤……烘炉熔化时，决开槽梗，一齐如水横流，从槽道中注而下，钟鼎成矣。

熔模铸造工艺视频1 熔模铸造工艺视频2

2.工艺特点 4）熔模铸造可生产复杂、精密的铸件，且合金不限。 1）用易熔模，不用开箱取模，无分箱造成的不精确和毛刺飞边； 2）液体涂料，铸型光洁、精确； 3）热壳浇注，金属液对型壳的复印性好。 4）熔模铸造可生产复杂、精密的铸件，且合金不限。 5）熔模铸造是一种少、无切削加工的先进金属零件制造工艺。

3.熔模铸造的应用 熔模铸件可分为两类： 1）航空、军工件——质量高，价格贵。 2）商业件——质量低，价格便宜。 熔模铸造件几乎用于所有工业部门。

典型熔模铸造件举例： 飞机发动机的动叶片、静叶片、涡轮叶片

飞机发动机 材质：高温合金

定向凝固叶片和单晶叶片

飞机叶片 为保证散热制作为空心

涡轮喷嘴 高温合金材料，代替了多零件组装的组装件，喷嘴喉部面积能很好控制，同时降低成本。 重7.2公斤，100%经过X射线和荧光探伤。

工业涡轮叶片 材质：高温合金 重量：13kg和12.6kg

汽轮机四节导向叶片 尺寸：609.6×509.4mm 重量：64kg

以上为各种飞机发动机、发电机用涡轮叶片。 下面介绍复杂的结构铸件。

壳体 由两个切面解剖后的结构铸件 外形和内腔都很复杂，由13个蜡模组装成为一个整体的蜡模，在制壳得到，该壳体为铝合金件，重2.365kg

热交换器 航天测试仪表用，轮廓尺寸190.5 ×139.7×55.7mm，壁厚1.5mm，上面分布着1200多个小针以提供最大的散热面积，件重0.1845kg。 其它工艺很难生产，为典型熔模铸件。

该件采用大量的薄壁机构，最薄处1mm，它被用来代替由三个机械加工组装的组装件，使其重量由2.16kg减到1.24kg。 材料：铝合金 该件采用大量的薄壁机构，最薄处1mm，它被用来代替由三个机械加工组装的组装件，使其重量由2.16kg减到1.24kg。 此为薄壁箱体代表件。 火箭发射器用基体座框架

前机匣 飞机引擎器结构件。 用于A310、A300、波音747、波音767等多种飞机。 涡轮叶片被安装在内腔的方孔座上，该件与压缩机部件相连。 原为88个不锈钢零件经机械加工后焊接组成，现用一个整体钛合金铸件代替。 最外轮廓尺寸1320mm。 整体件使尺寸控制更好，重量减轻。 前机匣

飞机用铝合金万向连轴件 由两个圆接头组成，其中一个圆接头完全包在另一个圆接头中。 该铸件用熔模铸造一次整铸而成，制壳周期短成本低，两个接头间的间隙有保证，该件的质量要求严格，需要经过x光，荧光检查，外轮廓125.4mm壁厚1.5mm重量0.34kg。 飞机用铝合金万向连轴件

形状复杂，很多表面有很薄的片，原使用砂型铸造的方法分两部分生产，在机械加工组装而成，改为铝合金整体铸件后提高了该件的可靠性和性能，减少了大量的机械加工和铸件重量，需要经过x光、荧光检查，尺寸多达1194个。 M1A2坦克显示器框架

熔模铸造生产不需要机械加工，零件的线条轮廓非常美观质量高。 不锈钢猎枪零件

摩托车车架换向接头，原由13个零件组装而成，现为整铸的金属件大大减少了焊接校正的工作量，并使得铸件尺寸更为准确。

不锈钢高尔夫球杆球头 有空心和实心多种，图上空心杆头壁厚只有0.9mm。

人造机械手 腕关节和手指框架都是由熔模铸造生产的铝铸件

铜铸多刺植物

镶宝石“戒指树”

熔模铸件应用与各行各业，从航空、航天、军工到一般机器零件、医疗体育用品、工艺品等。

二、国际熔模铸造 1、发展 20世纪30年代末用于工业生产，最初生产飞机涡轮增压器，很快进入国防、航空部门，后很快进入其它工业部门。

20世纪末市场分布 20世纪末熔模铸造（不包括前苏联）年产值约70亿美金

20世纪90年代，美国年产值从23.2亿美元至34.2亿美元，增长47.4%。 英国1999年年产值为1993年的1倍多。

熔模铸造市场产品结构

2.产品更“精密”、“大型”、“薄壁”、“高强”，生产更“快速”。 这些依靠熔模铸造技术的发展、技术的进步取得的，熔模铸造在不断吸收其它技术，改进本身的工艺和设备，从而使自己在工艺的各各环节上均有长足的进步。 对熔模铸造发展有较大影响的新材料、新工艺、新技术和新设备很多。

如金属材质改进、钛合金精密铸造技术、水溶型芯、陶瓷型芯、定向凝固、单晶技术、过滤技术、快速成形技术、计算机在熔模铸造中的应用、机械自动化等。

1）产品更精密

熔模铸造尺寸精确度可达到CT4～6级。 美国熔模铸造协会ICI标准对于一般尺寸规定为CT4～6级，而特殊线性公差CT3级 。 除尺寸公差外，铸件还能达到较高的形位公差。

多年来对影响铸件尺寸的因素进行了大量的研究，并提出了提高熔模铸造的新的策略。

2）更大、更薄的产品 最大轮廓尺寸可达1.8m； 最小壁厚0.5mm； 铸件的重量接近1000kg。

前机匣 飞机引擎器结构件。 用于A310、A300、波音747、波音767等多种飞机。 涡轮叶片被安装在内腔的方孔座上，该件与压缩机部件相连。 原为88个不锈钢零件经机械加工后焊接组成，现用一个整体钛合金铸件代替。 最外轮廓尺寸1320mm。 整体件使尺寸控制更好，重量减轻。 前机匣

火箭发射器用 材料：铝合金 该件采用大量的薄壁机构，最薄处1mm，它被用来代替由三个机械加工组装的组装件，使其重量由2.16kg减到1.24kg。 此为薄壁箱体代表件。 基体座框架

大型薄壁熔模铸件生产技术是建立在制模、制壳、熔炼等工艺技术水平高度发展，以及材料优质、设备先进的基础上的。

优质蜡料提供，如性能优良的填充模料、水溶性模料、水溶芯，使得模料的性能更加优越，收缩更小、强度更高、抗变形能力更强。

压蜡设备改进 可以很精确控制蜡温、压力、流动性工艺参数，在生产陶瓷型芯复杂薄壁蜡模时，也能得到轮廓清晰尺寸稳定并不损坏型芯的优质蜡模。

压蜡设备从小型向大型发展，最大合型力300KN，如美国的V-3002型压蜡机。 粘结剂、耐火材料等原材料改进为制更大、更强型壳做好了准备。 涂料、制壳工艺及最佳型壳系统的研究也取得很大进展。

研究表明：大型型壳应有较大的断裂模数，从结构上不应是整体的而以分层结构为佳。这样就能更好的防止型壳裂纹的延伸，防止产生穿透性裂纹。 对大型型壳应选用粉液比和粘度更高的涂料，延长制壳干燥时间。

当生产复杂铸件时，比如飞机发动机的空心涡轮叶片内腔必须采用预制陶瓷型芯。

随着熔模铸造的发展，为生产更复杂，更精确的铸件，陶瓷型芯的技术一直在发展着。 制壳机械手（人）提举力也从小到大，出现了提重超过1吨的大型制壳机械手。 同时，兴起了许多新工艺以生产更大的精密铸件。如：石膏型熔模铸造法，是由带有沙箱的石膏型代替多层的陶瓷型壳以生产大型薄壁的铝合金铸件。

例如美国TEC-Cast公司用石膏熔模铸造生产了900kg重的大型铝精密铸件。其最小壁厚仅0. 8～1 例如美国TEC-Cast公司用石膏熔模铸造生产了900kg重的大型铝精密铸件。其最小壁厚仅0.8～1.5mm，尺寸精度CT4～6级，表面光洁。

又如Relicast CS法： 该方法生产几十公斤甚至几千公斤熔模铸造的方法。

3）产品更强 熔模铸件的力学性能越来越好，产品的强度越来越高，这是几个方面得到的：材质的进步、凝固技术的使用等等。 材质的进步：超热合金、钛合金、高强铝合金、复合材料等等方面的进展。

超热合金 飞机发动机的发展对叶片零件的耐热性、高温抗蠕变性能的要求越来越高，高温合金以形成一个完整的体系，钴基、镍基、铁—镍超耐热合金系列材料，如：EM700、X40、MA6000、MA2、N247、B1900等牌号。

钛合金 钛合金比强度非常高，成为现代工业的一个结构合金，70年代起在工业上应用，广泛用于飞行器、飞机、导弹、化工设备等零件上。 如：飞机中间机匣、压气机机匣、化工泵阀、医疗移入物等。

前机匣 飞机引擎器结构件。 用于A310、A300、波音747、波音767等多种飞机。 涡轮叶片被安装在内腔的方孔座上，该件与压缩机部件相连。 原为88个不锈钢零件经机械加工后焊接组成，现用一个整体钛合金铸件代替。 最外轮廓尺寸1320mm。 整体件使尺寸控制更好，重量减轻。 前机匣

钛合金在高温下有很高的活性，几乎和所有的耐火材料都会发生化学反应，因此精铸钛合金技术关键：面层型壳材料、熔炼浇铸。

真空自耗电极凝壳炉 利用钛合金制成的自耗电极与水冷铜坩埚产生电弧，利用电弧的热量将电极熔化，为防止钛液和空气中的氧氮反应，熔炼在真空中进行。 另外钛合金的密度小，为了得到致密的钛件需要采用离心浇铸。 真空自耗电极凝壳炉

凝固技术应用： 从疲劳损坏的叶片看，裂纹都是沿着垂直于叶片主应力方向（纵向轴）晶粒边界发生和发展的，因此定向凝固技术引进到涡轮叶片的生产中。

定向凝固示意图 将型壳焙烧到金属液浇注温度以上，加入金属液，此时金属无凝固，再将底部的水冷铜套通水冷却从下而上的切断加热线圈使得铸件由下而上的方向性凝固，从而得到柱状晶结构。

单晶技术 在定向凝固技术的基础上，出现了单晶技术。 单晶制取方法有选晶法和籽晶法两种，以选晶法为例：

底部为螺旋形选晶器，浇入金属液后金属液和水冷铜结晶器接触由于激冷作用产生许多结晶核心，它们竞争生长的结果形成了一束选优取向的柱状晶，但这些柱状晶最后只有一个晶体从螺旋选晶器的底部生长出来，从而整个的叶片是一单晶叶片。

定向凝固叶片和单晶叶片 等轴晶叶片 定向凝固叶片 单晶凝固叶片

1960年以来涡轮叶片材料及工艺发展

热等静压（HIP）技术： 利用高温、高压靠金属的蠕变和塑性变形让铸件的内部的缩松、裂纹等缺陷内合。

经过HIP后铸件的缩松内合了，铸件切面颜色一致，处理后铸件密度可以达到金属的理论密度，从而使金属性能得到很大的提高。 热等静压处理前后铸件断面照片

热等静压处理可使镍基高温合金、钛合金和铝合金的高温低波疲劳性能提高3～10倍，使铸件性能变化和分散程度降低到原来的1/6。 总之，材质的改变，一些新技术应用，大大提高了熔模铸件的力学性能。

4）生产铸件“更快” 熔模铸造与快速成型技术（上世纪八十年代）结合，用快速成型的模型来代替蜡模，或者用快速成型直接生产型壳，大大缩短了生产周期。

机械化、自动化的进展，打破了“熔模铸造工艺不可能实现机械化”的旧观念。 在日本、英国已经成功的应用熔模铸造技术生产成本低的汽车等民用零件。

总之，随着技术熔模铸造会生产更“精密”、“大型”、“薄壁”、“高强”高价值的产品，这是现代熔模铸造具有鲜明的特点。 熔模铸造又在生产低成本件和快速生产中有了新的突破。 从而，扩大了熔模铸造应用面，在于其它工艺的竞争中始终处在优势地位。

三、中国熔模铸造的发展 1.发展概况 2001年和1988年产量对比

2001年和1988年产值对比

十年来出口精铸业年产值（2001年总产值45亿）

亚洲第一，占亚洲年产值40%。（2002年12月亚洲熔模铸造会议报道）

2.现状 1）存在着两种工艺和两类不同工艺水平的工厂。 第一类工艺：采用中温模料和硅溶胶或硅酸乙酯型壳的熔模铸造工艺。（国际通用工艺） 第二类工艺：用低温模料和水玻璃型壳的熔模铸造工艺。（达不到国际生产铸件水平）

不同工艺水平工厂水量及产值

第一类公司：西安航天发动机公司铸造厂 西罗公司 吉泰精密铸件有限公司 广圣精密铸件有限公司 第二类公司：二汽精密铸造厂 洛拖精密铸造厂 万贯精密铸造厂

2）产品档次低 国际熔模铸造件按质量分为两类，一类是航天、航空和军用件，另一类是商业件。 前者除尺寸精度、表面光洁度外对化学成分、力学性能、内部缺陷等都有严格的要求，有些还有其它特殊的要求，并常常需要100%磁粉或X光探伤，后者远低于前一类。 我国尚有还达不到国际熔模铸造件要求的第三类铸件。

不同工艺水平工厂水量及产值

各国熔模铸造件市场结构比较（%）

我国第二类件，多为不锈钢的管配件、阀体、管束、五金、工具、马具零件、高尔夫球头、机器零件以及灯饰铜件，这些零件国外多采用砂铸。

各国熔模铸造件合金种类的比例（%）

合金件少，产品档次低故年产值低。

1998年美国和中国出口精铸业比较

3.展望 1）中国熔模铸造仍将继续高速度发展 我国加入WTO，有利于出口； 已形成一批出口企业，有出口国际十多年的经验； 国内需求增加。

2）急速提高产品质量，改善产品结构 3）充实必要的先进检测设备 比如做高精密铸件需要三坐标测量仪。 4）提高企业管理水平，引进计算机管理 5）引进和培养人才

总结： 熔模铸造是一种先进的金属零件生产工艺，国内外发展迅速。现代熔模铸造的特点是更“精”、更“大”、更“薄”、更“强”。中国熔模铸造需要提高产品档次，继续加大发展。

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