本文關鍵詞：冷凍鑄造及其基本工藝技術問題，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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文章編號 $&""($)(*#+!""#,"!$"""#$$%

綜 述

冷凍鑄造及其基本工藝技術問題
陳宗民 #薛
( 山東理工大學

冰 #楊思一
淄博<

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機械工程學院 # 山東

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摘要 $ 冷凍鑄造是一種環(huán)境友好的清潔成形技術 # 適應當今鑄造技術的發(fā)展方向 & 與其它精密鑄造工藝相比 # 既可實現鑄 件的近凈形化 # 又避免或降低了模具材料 ’ 造型材料對環(huán)境帶來的壓力 & 本文闡述冷凍鑄造技術的社會意義 # 介紹冷凍鑄 造的發(fā)展狀況 # 并分析目前發(fā)展中的各種冷凍鑄造技術的基本工藝原理和工藝方法 # 討論其存在的基本問題 # 包括冷凍鑄 造對冰模的基本要求 ’ 冰模的制作方法 ’ 在冷凍條件下型殼及造型材料所應具有的性能 ’ 材料的選擇和處理工藝 & 探討該 工藝發(fā)展中的一些方向 & 關鍵詞 $ 冷凍鑄造 % 工藝 % 制模 中圖分類號 $&’"%()( 文獻標識碼 $*

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當前世界上工業(yè)發(fā)達國家鑄造技術的發(fā)展歸
收稿日期 $!""#$"#$!% 作者簡介 $ 陳宗民 (&’%($ )# 男 # 碩士 # 副教授 # 主要從事鑄造材料及 工藝的研究和教學工作 &

納起來大致有四個目標 # 即 $ ! 保護環(huán)境 # 減少以 至消除污染 %" 提高鑄件質量和可靠性 # 生產優(yōu)質 近凈形鑄件 %# 降低生產成本 %$ 縮短交貨期 & 許 多特種鑄造方法 # 如熔模鑄造 ’ 陶瓷型鑄造能夠生

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上述公式的適用性還有待進一步驗證 &

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結束語
汽 車 工 業(yè) 是 ./0 應 用 與 推 廣 最 具 前 景 的 領

& 對 ./0 的疲勞強度 %$& 的影響 # 現 在 只 能 定 性 地 認 為 #% - 和 & 兩 者 都 是 重 要 的 因素 & 在相同的抗拉強度 % - 時 #由于 ./0 的伸長 率 & 要比珠光體球鐵大 #所以 ./0 的疲勞強度 %$&
要比珠光體球鐵高很多 & 但是由于缺乏系統(tǒng)的研 究及大量的試驗數據 # 目前還無法確定它們之間 的定量關系 &

關于 % - 和

域 #也是最不容易進入的領域 # 因為汽車零件是大 批量生產 # 質量穩(wěn)定性 ’ 加工性 ’ 經濟性等方面要 求十分嚴格 # 所以要在汽車領域成功地應用與推 廣 # 任重而道遠 # 還必須付出很大的努力 # 需要科 學地 ’ 扎扎實實地工作 # 累積數據和經驗 # 擴大科 研和應用成果 &

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產高質量的精密鑄件 # 但常規(guī)的特種鑄造方法都 有許多局限性 $ 如傳統(tǒng)的熔模鑄造需要制作壓型 % 工藝過程復雜 % 生產周期長 % 生產成本高 % 材料昂 貴 # 只適合大 % 中批量的生產需要 # 而且臘模在熔 化時膨脹易引起模殼破裂 $ 冷凍鑄造 & 用冰模代替臘�；蚱渌� ’ 工藝 彌補了諸多其它工藝方法的缺點 $ 其主要優(yōu)點是 ( &!’ 高精度 當將冰模用于熔模鑄造時 # 冰的 膨脹率不象臘模加熱時的膨脹率那么大 # 因此 # 不 會使陶瓷型殼碎裂 $ 而且 # 冰具有自光潔性能 # 能 使陶瓷型殼保持很高的尺寸精度和表面光潔度 $ &"’ 工藝控制要求降低 # 對水的組成要求比臘 模低 #冰的脫模性也比較好 &#’ 水的流動性好 # 成形能力高 # 可以形成復 雜模樣 $ &$’ 低成本 &%’ 無污染 因為水非常便宜 # 資源豐富 # 所 模樣材料和成形及后處理過程 以成本近乎可以忽略 $ 另外 #成形能耗少 $ 對操作者和環(huán)境都無有害影響 $ 冷凍鑄造技術在國內外都尚處于起步階段 # 有 資 料 報 道 的 只 有 美 國 的 &’()*)+ 公 司 在 !,,! 年 開 始 致 力 于 冷 凍 鑄 造 工 藝 &-(../. 0)12345

綜 述

下發(fā)生破裂 $ 因此 # 冰模用模具的型腔部分要用具 有一定彈性的軟模材料 $ 在制作軟模前 #必須先要 制造與鑄件形狀 % 尺寸完全對應的原型 # 其材料可 以是金屬 % 木材 % 塑料等 $ 母模可以采用機械加工 或快速成形的方法制作 $ 然后利用原型制作軟陰 模 #陰模的材料一般為硅橡膠 % 尿烷聚硫化物等 9%:# 將具有一定流動性的材料澆入帶有原型的成形框 中 #經過一段時間的固化后就形成陰模 $ 然后將陰 模夾持緊 # 再把水注入模中冷凍就可形成冰模 $ 這 種制作模具的方法比制作臘模用壓型要簡單 & 盡 管需要先做原型 ’$

"$# $%& 制模 用 ;-6 技術制作冰模的工藝流程與 -&? & 熔
絲沉積 ’ 類似 # 只是成形材料為水 # 并且要在冷凍 環(huán)境下成形 $ 首先在計算機中用 ;-6 成形機可接 受的軟件系統(tǒng)對冰模進行三維造型 # 然后用切片 軟件將三維圖形離散成二維圖形 # 根據成型件的 二維幾何模型的層片信息 # 在計算機精確控制下 用特種噴頭噴射出水滴 # 再在冷凍狀態(tài)下逐層堆 積得到冰模 & 如圖 ! 所示 ’$ ;-6 系統(tǒng)包括運動系 統(tǒng) %噴射系統(tǒng) % 控制系統(tǒng)和低溫成形室 $ 由于水是 一種粘度低 % 流動性好的液體 # 為得到尺寸精度 高 %表面光潔的冰模 # 噴頭必須能夠噴射出足夠細 微的水滴 $ 所以噴頭的設計是冰成形的一個關鍵 技術 #噴嘴的直徑及壓力決定液滴的大小 # 噴頭運 動速度決定冰層厚度 $ 影響成形質量的工藝參數 包括9@:( &!’ 噴射流量A 掃描速度 # &"’ 成形材料 # &#’ 噴頭與成形面間的距離 # &$’ 成形環(huán)境溫度 # &%’ 設備及控制系統(tǒng)精度 $

6(78.11’的研究 # 并申請了美國專利 $ 另外 # 近些
9!:

年 有 些 研 究 者 將 快 速 成 型 技 術 &;6’ 和 冷 凍 鑄 造 技術結合起來 #形成了快速冷凍工藝 &;)<3= -(../.

6(7272><345’ 并取得了一定的進展 # 具 有 代 表 性 的
是美國的密蘇里大學 和中國的清華大學
9": 9#%$:

# 他們

都 分 別 設 計 了 自 己 的 ;-6 系 統(tǒng) 并 利 用 該 系 統(tǒng) 對 有關的工藝參數進行了研究 $

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冰模的制作
無論是熔模鑄造還是陶瓷型鑄造 # 必須首先

制作與鑄件外形和尺寸相對應的冰模 $ 制作冰模 有兩種方法 # 一是利用模具制作冰模 & 類似臘模熔 模鑄造中的壓型 ’# 另一種是利用快速冷凍原型技 術 &;-6’$

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用模具制作冰模 冰模對模具的要求和臘模對壓型的要求不

同 #水具有良好的流動能力 # 粘度低 $ 所以冰模用 模具必須具有良好的密封性 & 水不能從結構連接 處滲漏 ’#另外 # 水在凝固時發(fā)生膨脹 # 如果模具不 具備一定的容讓性 # 冰�？赡茉谂蛎洃Φ淖饔�
圖!

;-6 系統(tǒng)制作冰模示意圖

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綜 述

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造型或制殼材料
冷凍冰�？梢杂糜谔沾尚秃腿勰ｈT造 # 用冷

證一個適中的膠凝速度 # 由 于 當 6+ 值 在 ,78 #9:8 或 小 于 ; 時 膠 凝 時 間較短 % 所以酸性和堿性材料都可以作為催化劑 # 有 關 實 驗 中 常 用 的 酸 性 催 化 劑 有 +2"-$&+)% &

凍冰模翻制鑄型與傳統(tǒng)的陶瓷型和熔模鑄造工藝 的主要區(qū)別是 $ 一些工序必須在低溫環(huán)境中進行 # 造型材料必須為適應低溫環(huán)境作出相應調整或重 新選擇 # 目前 %較多的研究集中在熔模鑄造中 # 以 下以冷凍鑄造工藝用于熔模鑄造為例 #

+"6-$% 而常用的堿性催化劑有 <=-+&)= (-+)2& >?- &)=- &>?(-+)2 以及各種有機胺 # 研究表明 %
應用有機催化劑 % 型殼的強度和表面光潔度優(yōu)于 無機催化劑 # 因為 % 無機催化劑在陶瓷型殼焙燒后 依然殘留在型殼中 % 這導致型殼高溫性能的惡化 % 并導致裂紋和氣泡的產生 #

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粘結劑 粘結劑與陶瓷粉末混合形成陶瓷漿料 % 使陶

瓷漿料固化后具有足夠強度 # 用于低溫條件下熔 模鑄造的粘結劑在零度以下必須不會凍結而且有 良好的流動性 # 另外 % 粘結劑不能在與冰模接觸 時 % 與冰和水相互作用 % 相互滲透 % 制作的型殼必 須具有好的表面光潔度和尺寸精度并且強度足夠 高 # 有三種可供選擇的粘結劑 $水玻璃 & 硅溶膠 & 硅 酸乙酯 # 顯然 % 水玻璃和硅溶膠都不能滿足低溫環(huán) 境的要求 # 只有硅酸乙酯能夠滿足作為熔模型殼 粘結劑的要求 # 硅酸乙酯一般由四氯甲硅烷和乙醇直接反應 制取 %反應中鹽酸為副產品 # 反應式如下 $

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分模劑 陶瓷漿料中的硅酸乙酯在膠凝過程中產生的

水包裹在網狀結構中 % 水和乙醇與冰模表面相互 作用 % 同時 % 水解過程是放熱反應 % 能夠促使冰模 表面熔化 % 使型殼無法滿意地復制冰模的形狀 % 影 響鑄件精度和表面質量 # 為解決此類問題 % 須在冰 模表面上均勻地涂刷分模劑 # 分模劑應滿足以下 要求 $ (;) 與水和乙醇不溶 & 不發(fā)生反應 * (2 ) 不引起冰模熔化 % (@) 具有良好的低溫涂覆性能 % (& ) 無毒 & 無污染 & 來源豐富 # 有 人 采 用 硅 油 A 煤 油 (;$;)% 經 低 溫 冷 凍 后 均 勻涂覆在冰模上取得了良好的效果 395% 也有人經過 試驗比較后認為十八烷的效果更好 #

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硅酸乙酯自身沒有粘結能力 1 必須與水經過 水解反應 % 產生一種具有粘結作用的硅酸溶膠 # 參 與水解的水量必須足夠才能生成硅酸和乙醇 % 即 硅酸在乙醇中的溶液 # 否則 %會生成一種不完全水 ’’ 有 機 硅 聚 合 物 (()2+!- )""#-+ )% 這 種 解 產 物’ 水解液制造的型殼容易產生缺陷 # 不同聚合形式 的硅酸乙酯水解時需水量不同 % 關于水解反應需 水量的計算可參閱文獻345#

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發(fā)展中應該注意的問題
研究方向 目前對冷凍鑄造的研究面還應當拓寬 % 不僅

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催化劑 硅酸乙酯水解后生成硅酸溶膠水解液 % 如不

在熔模鑄造和陶瓷型鑄造技術中 % 而且還可以拓 展到其它鑄造工藝 % 并借鑒其它工藝的一些原理 和方法克服冷凍鑄造中的工藝難點 # 另外 % 在制模 技術研究中 % 采用 BC6 技術制模 % 不需要壓型 % 可 以縮短生產準備的周期 % 這在單件多品種生產中 具有優(yōu)勢 % 但由于水物理性質和該成形方法的特 點 % 使冰模的成形速度較慢 # 因此 % 這種方法并不 適合批量生產方式 # 因此 %研究適合批量生產的更 有效 & 更簡捷 & 更可靠的冰模制作技術非常重要 # 作者認為 % 軟模是非常適合冰模制作的 # 通過選 擇 & 開發(fā)低溫性能良好的軟模材料 % 設計操作簡 單 % 保證程度高的壓型結構是提高冰模應用性能 的重要保證 #

加任何調整只與耐火粉料混合 % 其膠凝過程往往 需要幾天或更長的時間 % 因此要加入催化劑縮短 膠凝時間 # 陶瓷漿料的膠凝時間取決于溫度 & 水解 液的成分及 6+ 值 % 許多研究在這方面已取得共 識# 研究表明 325% 膠凝時間極大地影響型殼或鑄型 的質量及制作成本 # 膠凝時間過長 % 惡化型殼或鑄 型的表面質量 % 但膠凝時間過短可導致漿料完全 涂刷以前就開始硬化并引起強度下降 # 因此選擇 陶瓷漿料的成分 & 確定催化劑的加入量都必須保

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綜 述

低碳球鐵研究的現狀與展望
李玉中 $舒信福 $李玲芳 $朱延東 $常殿存
& 昆明理工大學
機電工程學院 $ 云南 昆明

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摘要 # 低碳球鐵是含碳量遠低于常規(guī)含碳量的球墨鑄鐵 $ 現在已經發(fā)展了四個品種 #* % 鑄態(tài)高韌塑性鐵素體低碳球鐵 $ " % 鑄態(tài)高強度珠光體低碳球鐵 $ () 準鑄態(tài)貝氏體低碳耐磨球鐵 $ % % 鑄態(tài)耐熱 & 耐蝕奧氏體低碳球鐵 ’ 低碳球鐵采用傳統(tǒng)球鐵 生產中被認為有 ( 反球化 ) 作用的元素作為球化劑 $ 為球化機理的研究提供新的依據 * 球化元素與 ( 反球化 ) 元素均為表面 活性元素 $ 沒有本質的區(qū)別 * 低碳球鐵的優(yōu)點是成本低 + 性價比高 * 關鍵詞 # 低碳球鐵 , 球化與反球化 , 展望 中圖分類號 #+,"!! 文獻標識碼 #-

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工藝參數的穩(wěn)定化和工藝技術的成套化 穩(wěn)定的冷凍鑄造工藝參數 - 如最佳冷凍深度 和速度 & 冰模的收縮率 & 用冰模制作型殼的收縮率 等 %需要通過不斷的試驗和生產實踐進行積累 $ 只 有具備充足而成熟的工藝參數才能降低實施新工 藝的風險 $ 得到人們的認可 $ 從而有利于冷凍鑄造 的推廣 * 參 考 文 獻
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設備 & 模具的標準化和規(guī)格化 在進行基本工藝方法研究的同時 $ 要進行專

用設備和模具的研究和設計 $ 并探討標準化和規(guī) 格化的可能性 * 這對將來提高冷凍鑄造工藝的生 產效率 $ 降低生產成本至關重要 *

]!^ 張潤林 V 殼型鑄造和冷凍鑄造近凈形鑄造技術 ]b^V 新 技 術 新 工 藝
- 熱加工技術 %$"$$* $-*" %#""+"(V

]’^ 顏永年 V 快速成形與鑄造技術 ]J^V 北京 # 機械工業(yè)出版社 $"$$%V ]‘^ 陳 金 城 V 鑄 造 手 冊 - 特 種 鑄 造 分 冊 %]J^V 北 京 # 機 械 工 業(yè) 出 版 社 $ !,,-V

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冷凍鑄造及其基本工藝技術問題
作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次數： 陳宗民， 薛冰， 楊思一， CHEN Zong-min， XUE Bing， YANG Si-yi 山東理工大學,機械工程學院,山東,淄博,255000 現代鑄鐵 MODERN CAST IRON 2005，25(5) 1次

參考文獻(7條) 1.A Yodice Freeze process 1991 2.M C Leu el Investment casting with ice patterns from rapid freeze prototyping 2004 3.吳任東 基于冰模的熔模鑄造工藝研究[期刊論文]-鑄造 2003(11) 4.張錫平 冰�？焖俪尚渭捌湓阼T造中應用的研究[期刊論文]-鑄造 2001(11) 5.張潤林 殼型鑄造和冷凍鑄造近凈形鑄造技術[期刊論文]-新技術新工藝 2001(12) 6.顏永年 快速成形與鑄造技術 2004 7.陳金城 鑄造手冊 1997

相似文獻(7條) 1.學位論文 付鵬 Nb合金基陶瓷復合材料制備新方法及其組織性能研究 2010
本文在借鑒和改進前人制備復合材料方法的基礎上，探索出了一種以多孔陶瓷作為預制體，利用無壓熔滲工藝制備具有網絡互穿結構金屬基/陶瓷復合材料。主要包括三 個方面的研究內容：一是通過真空電弧熔煉方法制備Nb-Al、Nb-Ti-Al-Cr合金；二是采用添加造孔劑工藝與冷凍鑄造方法制備了Nb2O5和Al2O3層狀多孔陶瓷預制體；三是通 過無壓熔滲工藝制備了Nb合金基/Al2O3陶瓷復合材料。

  本文關鍵詞：冷凍鑄造及其基本工藝技術問題，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。