Förlorad vaxgjutning

1. Introduktion

Förlorad wax (investering) gjutning omvandlar exakta offermönster – traditionellt vax – till metalldelar via ett keramiskt skal.

Dess kärnstyrkor är: Utmärkt ytfinish, högdimensionell noggrannhet, och förmågan att gjuta komplexa geometrier och högpresterande legeringar.

Processvarianter (vaxkvaliteter, skalkemi och kärnmetoder) låt ingenjörer handla kostnad kontra trohet och välj vägar som fungerar för rostfria stål, kopparlegeringar, järn, och — med särskilda försiktighetsåtgärder — titan och nickel superlegeringar.

2. Förlorad vaxgjutning

Typisk sekvens (hög nivå):

1. Mönster: göra vax (eller gjutbart harts) mönster(s) — en bit eller träd/gäng.
2. Montering: fäst mönster på löpare/grind för att bilda ett kluster.
3. Investera / skal bygga: doppa montering i bindemedelsslam + stuck; upprepa för att bygga skal.
4. Bota / torka: gel och delvis torra skal mellan lagren; slutlig torkning.
5. Dewax: ta bort vax (ånga eller smälta ut).
6. Utbrändhet / bränning: ramp för att bränna organiskt material och stabilisera skalet.
7. Hälla: smält och häll metall i förvärmt skal.
8. Skakning & rengöring: ta bort skalet, skära grindar, rena.
9. Efterbehandling: värmebehandling, HÖFT (vid behov), bearbetning, ytfin, inspektion.

3. Mönstermaterial: låg-, medium-, och högtemperaturvaxer

Anteckningar & vägledning

• Välj vax efter delstorlek, verktygslivslängd och förväntad skal/byggsekvens. Lågtemperaturvax är bra för fina detaljer och låg volym men lider av krypning för långa cykler eller varma butiksområden.
  Medium temp är arbetshästen för teknisk gjutning. Högtemperaturvaxer (och konstruerade mönsterpolymerer) används där hantering eller långa skal skapar risk för snedvridning.
• Mönstertillsatser: mjukgörare, stabilisatorer, flödesförbättrare och färgämnen påverkar injektionsbeteendet, avvaxrester och utveckling av utbränd gas—specificera gjuterigodkända formuleringar.

4. Mönsterproduktion: verktyg, injektionsvax, och additiva mönster

• Formsprutning: stål/aluminium stansar för vax — låg kostnad per styck vid volym med hög ytkvalitet. Verktygskostnadsskala beror på komplexitet.
• 3D tryckta gjutbara vax/hartsmönster: Sla, Dlp, materialsprutande eller gjutbara vaxskrivare eliminerar verktyg för prototyper och små serier.
  Moderna gjutbara hartser avvaxar rent och närmar sig injektionsvaxets ytkvalitet.
• Mönsterträdbildning och grinddesign: arrangera mönster på en central inlopp för effektiv hällning och utfodring; inkluderar offerstigare för krympmatning.
  Använd simulering för gating och matningsbalans för stora kluster.

5. Skalsystem: Klaffol, Vattenglas, och hybridskal

Skalsystemet är den enskilt viktigaste variabeln som bestämmer yttrohet, termisk motstånd, permeabilitet/ventilation, vakuumkompatibilitet och legeringslämplighet vid gjutning av förlorat vax.

Tre praktiska familjer används i moderna butiker:

• Klaffol (kolloidal-kiseldioxid) skal — premien, högtrohetsrutt.
• Vattenglas (natriumsilikat) skal — det ekonomiska, robust väg för större / stål/järnarbete.
• Hybridskal — kombinera böter, kemiskt resistent innerpäls (silika-sol eller zirkon) med vattenglas ytterskikt för att balansera kostnad och prestanda.

Silica-sol skal (kolloidal kiseldioxid)

Vad det är och hur det fungerar

Silica-sol skal använder en kolloidal suspension av sub-mikron kiseldioxidpartiklar som bindemedel.

De första rockarna (mycket fin tvätt) använd kolloiden för att bära ultrafin stuckatur som registrerar detaljer; efterföljande skikt bygger tjocklek och konsolideras genom torkning och bränning vid hög temperatur (sintring) som producerar tät, starka skal.

Nyckelegenskaper:

• Yttrohet: bästa tillgängliga — som gjuten Ra vanligt ~0,6–3 µm med fintvätt.
• Termisk stabilitet / bränning: skal kan konsolideras på 600–1 000°C (butikspraxis varierar med stuckatur). Bränning vid hög temperatur ökar skalstyrkan och motståndskraften mot värmechock.
• Vakuum/inert kompatibilitet:excellent — Silica-sol skal är kompatibla med vakuum och inert atmosfär och är det vanliga valet för titan, nickel och kobolt superlegeringar.
• Permeabilitetskontroll: kan trimmas genom stuckaturgradering och bränning för att ge kontrollerad ventilering för högt värde, täta gjutningar.
• Kontamineringskänslighet:hög — Kolloidstabiliteten störs av jonkontamination (salter, finmetaller) och organiska ämnen; flytgödsel och växtrenhet är avgörande.
• Typisk stuckatur i första skiktet: sub-10 µm smält kiseldioxid, zirkon eller zirkoniumoxid för reaktiva gränssnitt.
• Typiska användningsfall: komponenter för flygturbiner, Superlegering, vakuumgjuten titan, medicinsk implantat, precision små delar.

Skal av vattenglas (natriumsilikat)

Vad det är och hur det fungerar

Vattenglasskal använder en vattenhaltigt natrium (eller kalium) silikatlösning som pärm.

Belägger gel till ett kiselliknande nätverk genom CO₂-gasning eller kemiska härdare (sura salter), producerar ett styvt keramiskt skal i kombination med graderad eldfast stuckatur.

Nyckelegenskaper:

• Yttrohet: bra för allmän ingenjörskonst - som gjuten Ra vanligtvis ~2,5–8 µm beroende på tvätt och stuckatur.
• Bränning: stabiliseras vanligtvis kl ~400–700°C; skal är inte sintrade i samma utsträckning som silica-sol system.
• Vakuumkompatibilitet:begränsad — inte idealisk för vakuum/inerta gjutningar eller de mest reaktiva legeringarna.
• Permeabilitet / ventilering: generellt bra för stål/järn; permeabiliteten tenderar att vara grövre än optimerade silica-sol skal.
• Härdningsmetod:CO₂-gasning (snabb gelning) eller syrahärdare - snabbt, robust set på verkstadsgolvet.
• Kontamineringskänslighet: måttlig – jonkontamination påverkar härdningen och gelens enhetlighet men vattenglas är i allmänhet mer tolerant än silica-sol.
• Typisk stuckatur i första skiktet: fin smält kiseldioxid; zirkon kan användas för förbättrat ytskydd.
• Typiska användningsfall: ventilkroppar, pumphus, stora stål/järndelar, marina hårdvara, allmänna industriella gjutgods.

Hybridskal (silica-sol eller zirkon innerbeläggning + ytterrockar av vattenglas)

Vad det är och hur det fungerar

En gemensam ekonomisk kompromiss: en premium innerrock (silica-sol eller zirkon/zirkoniumoxidtvätt) appliceras först för att fånga detaljer och skapa en kemiskt resistent barriär, sedan ytterrockar av vattenglas är byggda för att ge bulkstyrka till lägre kostnad.

Nyckelegenskaper:

• Yttrohet & kemisk barriär: inre kiseldioxid-sol/zirkon ger nästan kiseldioxid-sol ytkvalitet och hjälper till att förhindra metall-skal-reaktioner vid metallgränsytan.
• Kosta & hantering: yttre vattenglasskikt minskar den totala användningen av kiseldioxidsol och gör skalet mer robust för hantering och stora storlekar.
• Vakuumkompatibilitet: förbättrad jämfört med rent vattenglas (tack vare innerrock) men fortfarande inte lika idealiskt som skal med full kiseldioxid-sol - användbart för många rostfria och vissa nickellegeringar om smält-/gjutatmosfärer kontrolleras.
• Typiska användningsområden: ventilhus med högkvalitativa fuktade ytor, medelvärde turbindelar där viss vakuumkompatibilitet behövs, applikationer där kostnad kontra prestanda måste balanseras.

6. Kärnteknologier

• Lösliga kärnor (vax eller polymerkärnor gjorda för att lösas upp): producera inre passager (kylkanaler); avlägsnas med varmt vatten eller lösningsmedel.
• Bindemedelseldade keramiska kärnor (kisel, aluminiumoxid, zirkon): stabil vid höga temperaturer för superlegeringar; kräver skal-kärnkompatibilitet.
• 3D-tryckta kärnor: binder-jet eller SLA keramiska kärnor möjliggör komplexa interna geometrier utan verktyg.

Design för kärnor måste beakta kärnstöd, ventilering, termisk expansion och kemisk kompatibilitet med smält metall.

7. Dewaxing, utbrändhet & granatskjutning — praktiska scheman och kontrollpunkter

Dewaxing

• Ånga/autoklavavvax: vanligt för konventionella vaxträd. Typisk yttemperatur 100–120 °C; cykla minuter till timmar beroende på vaxvolym och trädstorlek.
• Termiskt avvax / lösningsmedelssmälta: används för vissa polymerer – använd lösningsmedelsåtervinning och kontroller.

Utbrändhet / schema för utbrändhet (typiska ingenjörsexempel)

• Ramp: sakta upp till 100–200 °C för att avlägsna fukt/vaxrester (≤3–5 °C/min rekommenderas för tjocka skal för att undvika ångblåsor).
• Hålla 1: 150–250 ° C (1–4 timmar) att driva bort lågkokande organiska ämnen.
• Ramp 2: ~3 °C/min till 350–500 °C.
• Sista håll: 4–8 timmar vid 350–700 °C beroende på skalsystem och legering. Silica-sol skal kan brännas till 600–1000 °C för sintring/styrka; vattenglasskal som vanligtvis stabiliseras vid 400–700 °C.
• Nyckelkontroller: ramphastighet, syretillgång (undvika överdriven oxidering för reaktiva metallskal), och fullständigt avlägsnande av organiska ämnen för att undvika gasutveckling under hällning.

Shell förvärm innan häll: skal förvärmas till 200–800 °C beroende på legering för att minimera termisk chock och förbättra metallflödet; TILL EXEMPEL., rostfritt häller vanligtvis 200–450 °C förvärmning; superlegeringar kräver högre beroende på skal.

8. Hällande: smältträning, vakuum/inert alternativ och hällparametrar

• Smältugnar: induktion eller motstånd; avgasning/filtrering och flussning för renlighet.
• För temperaturer (typisk):

• • Aluminiumlegeringar: 650–720 °C
  • Kopparlegeringar: 1000–1200 ° C
  • Stål: 1450–1650 °C
  • Nickel superlegeringar: 1400–1600+ °C (legeringsberoende)

• Vakuum och inert hällning: obligatoriskt för titan och högreaktiva legeringar; vakuum minskar oxidation och metall-skal-reaktioner.
• För mode: gravity pour vs bottom pour slev vs vakuumassisterad - välj att minimera turbulens och medbringade gaser. Använd filter i gating för inkluderingskontroll.

9. Material som vanligtvis gjuts & särskilda hänsyn

• Rostfria stål (300/400, duplex-): bra med både vattenglas & Klaffol; kontrollskalpermeabilitet och slutlig förvärmning.
• Kol & låglegerade stål, duktil järn: väl lämpad till vattenglasskal; Se upp för skalning och skalerosion vid höga hällenergier.
• Kopparlegeringar (brons, Med oss): gemensam; kontrollera överhettning för att undvika skaltvätt.
• Aluminiumlegeringar: möjligt men ofta billigare med andra gjutningsmetoder; säkerställa ventilation/permeabilitet.
• Titan & Ni legeringar: reaktiva — föredrar silica-sol skal, zirkon/aluminiumoxid första strykningarna, vakuum smälter, och inerta atmosfärer. Undvik vattenglas om inte barriärrockar och specialistkontroller används.
• Nickel & koboltsuperlegeringar: använd silica-sol skal, högtemperatureldning och vakuum/inert hantering där det behövs.

10. Typisk dimensionell, yt- och toleransförmåga

• Dimensionell tolerans (typiska som gjutna): ±0,1–0,3 % av nominell dimension (TILL EXEMPEL., ±0,1–0,3 mm på 100 mm -funktion).
• Ytfin (Ra som gjuten): silika-sol ~0,6–3,2 µm; vattenglas ~2,5–8 µm.
• Linjär krympningstillägg: ~1,2–1,8 % (legering & gjuteri specificera exakt).
• Minsta praktiska väggtjocklek: smycken/mikrodelar: <0.5 mm; tekniska delar: 1.0–1,5 mm typiskt; strukturella tjockare sektioner vanliga.
• Repeterbarhet: god gjutpraxis ger ±0,05–0,15 % run-to-run på kritiska datum.

11. Vanliga defekter, grundorsaker och botemedel

12. Eftergjutningsprocesser

• Skakning & borttagning av keramik: mekaniska eller kemiska metoder.
• Värmebehandling: lösningsbehandling, åldrande (T6), glödga — legeringsberoende. Typiska lösning temps: Al-legeringar ~520–540 °C; stål högre.
• Het isostatisk pressning (HÖFT): minskar inre krympningporositet för utmattningskänsliga delar; typiska HIP-cykler beror på legering (TILL EXEMPEL., 100–200 MPa och 450–900 °C).
• Bearbetning & efterbehandling: kritiska borrningar, tätningsytor bearbetade till tolerans; putsning, passivering eller beläggning appliceras efter behov.
• Ndt & testning: hydrostatisk, tryck, läckagetester, Röntgen/CT, ultraljuds-, färgpenetrerande medel, mekanisk testning per spec.

13. Processkontroll, inspektion & kompetens

• Handla QC-statistik: fasta ämnen i uppslamning, viskositet, geltid, ugnskurvor, avvaxningsstockar, rampdiagram för utbrändhet, smältkemi och avgasning av stockar.
• Provkuponger: drag-, hårdhet & metallografikuponger gjutna i grind för representativa mikrostrukturer och mekaniska egenskaper.
• NDT-provtagning: röntgen och CT-skanning för kritiska komponenter; specificera acceptansnivåer för porositet (vol% eller max defektstorlek).
• Statistisk processkontroll (Spc): tillämpas på kritiska ingångar (tvätta fasta ämnen, skaltjocklek, smälta väte) och utgångar (dimensionell variation, porositet räknas).

14. Vanliga missuppfattningar & Förtydliganden

"Gjutning av förlorat vax är endast för högprecisionsdelar"

Falsk. Vattenglasbaserad förlorad vaxgjutning är kostnadseffektiv för delar med medelprecision (± 0,3–0,5 mm) - 40% av bilar förlorade vaxgjutgods använder denna variant.

"Lågtemperaturvax är sämre än medeltemperaturvax"

Kontextberoende. Lågtemperaturvax är billigare och lämpar sig för låg precision, högvolymdelar (TILL EXEMPEL., hårdvara) — medeltemperaturvax behövs endast för snävare toleranser.

“Silica Sol är alltid bättre än vattenglas”

Falsk. Vattenglas är 50–70 % billigare och snabbare för applikationer med medelprecision — kiseldioxidsol är endast motiverat för flyg-/medicinska delar som kräver ±0,1 mm tolerans.

"Gjutning av förlorat vax har höga skrotfrekvenser"

Falsk. Silica sol förlorad vaxgjutning har en skrothastighet på 2–5 % (jämförbar med pressgjutning) — vattenglas har 5–10 % (fortfarande lägre än sandgjutningens 10–15 %).

"3D-utskrift gör borttappad vaxgjutning föråldrad"

Falsk. AM är idealisk för prototyper/låg volym, men förlorad vaxgjutning är 5–10 gånger billigare för medel till hög volym (>1,000 delar) och hanterar större delar (fram till 500 kg).

15. Slutsats

Den förlorade vaxgjutningsprocessen förblir en främsta metod för att producera komplex, högfientliga metallkomponenter.

När du parar höger mönstermaterial, skalkemi och smälta/atmosfär praxis med disciplinerad processkontroll, Lost-wax-gjutning skapar på ett tillförlitligt sätt delar som skulle vara svåra eller omöjliga på annat sätt.

Moderna förbättringar (3D tryckta mönster, hybridskal, vakuum hällning och HIP) utöka processen till nya legeringar och applikationer – men de ökar också behovet av noggrann specifikation, testning och QA.

 

Vanliga frågor

Vilket skalsystem ska jag välja för titan?

Klaffol (med zirkon/aluminiumoxid första strykningen) + vakuum/inert smältning och hällning. Vattenglas är i allmänhet olämpligt utan omfattande barriäråtgärder.

Hur fina kan funktioner vara med borttappad vaxgjutning?

Drag <0.5 mm är möjliga (smycken/precision); i tekniska delar syftar till ≥1 mm för robusthet om det inte bevisas genom försök.

Typisk ytfinish kan jag förvänta mig?

Klaffol: ~0,6–3,2 µm Ra; vattenglas: ~2,5–8 µm Ra. Fintvättar och polering av vaxformar förbättrar finishen.

När rekommenderas HIP?

För trötthetskritisk, tryckinnehållande, eller flyg- och rymddelar där den inre porositeten måste minimeras — HIP kan dramatiskt förbättra utmattningslivslängden.

Kan jag använda 3D-utskrivna mönster istället för vaxverktyg?

Ja — gjutbara hartser och tryckt vax minskar bearbetningstiden och kostnaden för prototyper/låga volymer. Se till att hartsavvaxningsegenskaper och skalkompatibilitet är validerade.