Процес лиття за виплавленим воском

1. Вступ

Загублений (інвестиції) кастинг перетворює точні жертовні візерунки — традиційно воскові — на металеві частини за допомогою керамічної оболонки.

Його основні сильні сторони: Відмінна обробка поверхні, висока розмірна точність, і здатність відливати складні геометрії та високоякісні сплави.

Варіанти процесу (сортів воску, хімія оболонки та основні методи) Дозвольте інженерам обмінюватися витратами на надійність і вибирати маршрути, які підходять для нержавіючої сталі, мідні сплави, праски, і — з особливими застереженнями — суперсплави титану та нікелю.

2. Процес лиття за виплавленим воском

Типова послідовність (високий рівень):

1. Візерунок: робити віск (або литої смоли) візерунок(с) — один шматок або дерево/група.
2. Складання: прикріпіть візерунки до напрямних/лінійок, щоб сформувати кластер.
3. Інвестувати / будувати оболонку: занурення вузла в суспензію сполучного + ліпнина; повторіть, щоб створити оболонку.
4. вилікувати / сухий: гель і частково сухі оболонки між шарами; остаточне сушіння.
5. Депарафінізація: видалити віск (випарити або розплавити).
6. Вигорання / стрільба: рампа для спалювання органіки та стабілізації оболонки.
7. наливати: розплавити і залити метал в розігріту оболонку.
8. Витряска & очищення: видалити оболонку, вирізати ворота, чистий.
9. Постпроцес: теплова обробка, Стегно (якщо потрібно), обробка, поверхнева обробка, огляд.

3. Матеріали для викрійки: низько-, середньо-, і високотемпературні воски

Нотатки & керівництво

• Виберіть віск за розміром частини, термін служби інструменту та очікувана послідовність оболонки/складання. Низькотемпературний віск чудово підходить для дрібних деталей і невеликих обсягів, але зазнає повзучості під час тривалих циклів або теплих приміщень..
  Середня температура є робочою конячкою для інженерного лиття. Високотемпературні воски (і сконструйованих візерункових полімерів) використовуються там, де транспортування або довга оболонка створює ризик спотворення.
• Шаблонні добавки: пластифікатори, стабілізатори, покращувачі текучості та барвники впливають на поведінку впорскування, залишки депарафіну та виділення газів, що вигоріли — вкажіть склади, схвалені ливарними заводами.

4. Виготовлення викрійки: інструментарія, ін'єкційний віск, і адитивні моделі

• Лиття під тиском: сталеві/алюмінієві матриці для воску — низька вартість штуки в обсязі з високою якістю поверхні. Розмір вартості оснастки залежить від складності.
• 3D друковані візерунки з воску/смол: SLA, DLP, Струменеві принтери або воскові принтери, які можна лити, усувають інструменти для прототипів і малих тиражів.
  Сучасні литі смоли очищають депарафінізацію та наближаються до якості поверхні ін’єкційного воску.
• Візерунок дерев і проектування стробу: розмістіть шаблони на центральному литнику для ефективного розливання та подачі; включають жертвуючі стояки для термоусадочного корму.
  Використовуйте моделювання для стробування та балансу живлення для великих кластерів.

5. Shell Systems: Кремнезем-золь, Водяний стакан, і гібридні оболонки

Система оболонки є єдиною найважливішою змінною, яка визначає точність поверхні, термічний опір, проникність/вентиляція, вакуумна сумісність і придатність сплаву для лиття за виплавленим воском.

У сучасних магазинах використовуються три практичних сімейства:

• Кремнезем-золь (колоїдно-кремнеземний) раковини — премія, маршрут високої точності.
• Водяний стакан (натрій-силікат) раковини — економічний, надійний маршрут для більших / робота зі сталі/заліза.
• Гібридні раковини — комбінувати штраф, хімічно стійке внутрішнє покриття (кремнезему або циркону) із зовнішнім покриттям із водяного скла, щоб збалансувати вартість і продуктивність.

Кремнеземно-золеві оболонки (колоїдний кремнезем)

Що це таке і як це працює

Кремнеземно-золеві оболонки використовують a колоїдна суспензія субмікронних частинок кремнезему як сполучний матеріал.

Перші шари (дуже тонке прання) Використовуйте колоїд для надтонкого ліпнини, яка записує деталі; наступні шари нарощують товщину і закріплюються шляхом сушіння та випалу при високій температурі (спікання) що виробляє густий, міцні снаряди.

Ключові характеристики:

• Точність поверхні: найкращий доступний — як литий Ra зазвичай ~0,6–3 мкм з тонким пранням.
• Термічна стабільність / стрільба: снаряди можна консолідувати при 600–1000°C (магазинна практика різна з штукатуркою). Високотемпературний випал підвищує міцність оболонки і стійкість до термічних ударів.
• Вакуум/інертна сумісність:відмінно — кремнеземно-золеві оболонки сумісні з розливом у вакуумі та інертній атмосфері та є звичайним вибором для титану, суперсплави нікелю і кобальту.
• Контроль проникності: може бути налаштований шляхом сортування ліпнини та випалу, щоб забезпечити контрольовану вентиляцію для високої вартості, тугі виливки.
• Чутливість до забруднення:висока — стабільність колоїду порушується іонним забрудненням (солі, металеві штрафи) та органіки; гній і чистота рослин є критичними.
• Типова штукатурка з першим шаром: плавлений кремнезем менше 10 мкм, циркон або цирконій для реактивних інтерфейсів.
• Типові випадки використання: компоненти аерокосмічної турбіни, Суперплої, титан вакуумного лиття, Медичні імплантати, точні дрібні деталі.

Скляні раковини (натрій-силікат)

Що це таке і як це працює

Скляні раковини використовують ан водний розчин натрію (або калій) силікатний розчин як сполучна речовина.

Покриває гель у сітку, подібну до кремнезему, шляхом виділення газу CO₂ або хімічних затверджувачів (кислі солі), створення жорсткої керамічної оболонки в поєднанні з градуйованою вогнетривкою штукатуркою.

Ключові характеристики:

• Точність поверхні: підходить для загального машинобудування — як правило, як литий Ra ~2,5–8 мкм залежно від миття та штукатурки.
• Стрільба: зазвичай стабілізується на ~400–700°C; оболонки не спікаються в тій же мірі, що системи кремнезем-золь.
• Вакуумна сумісність:обмежений — не ідеально підходить для вакуумної/інертної розливки або найбільш реакційноздатних сплавів.
• Проникність / вентиляція: загалом підходить для сталей/заліза; проникність має тенденцію бути грубішою, ніж оптимізовані оболонки з кремнезему.
• Метод затвердіння:газоутворення CO₂ (швидке гелеутворення) або кислотні затверджувачі — швидко, міцний комплект на цеху.
• Чутливість до забруднення: помірний — іонне забруднення впливає на схоплювання та однорідність гелю, але рідке скло, як правило, більш стійке, ніж золь кремнезему.
• Типова штукатурка з першим шаром: тонкий плавлений кремнезем; циркон можна використовувати для покращеного захисту поверхні.
• Типові випадки використання: Тіла клапана, насосні корпуси, великі сталеві/чавунні деталі, Морське обладнання, загальнопромислове лиття.

Гібридні раковини (внутрішнє покриття з кремнезему або циркону + зовнішнє покриття з водяного скла)

Що це таке і як це працює

Спільний економічний компроміс: a внутрішнє пальто преміум-класу (золь кремнезему або циркон/цирконій) спочатку наноситься для захоплення деталей і створення хімічно стійкого бар’єру, потім зовнішнє покриття з водяного скла побудовані для забезпечення об'ємної міцності за менших витрат.

Ключові характеристики:

• Точність поверхні & хімічний бар'єр: внутрішній золь кремнезему/циркон забезпечує якість поверхні, близьку до кремнезему, і допомагає запобігти реакції метал-оболонка на межі розділу металів.
• Вартість & поводження: зовнішнє покриття з водного скла зменшує загальне використання золю кремнезему та робить оболонку більш міцною для транспортування та великих розмірів.
• Вакуумна сумісність: покращене порівняно з чистим водяним склом (завдяки внутрішньому покриттю) але все ще не такий ідеальний, як оболонки з повного кремнезему — корисно для багатьох нержавіючих та деяких нікелевих сплавів, якщо контролюється атмосфера плавлення/розливу.
• Типове використання: корпуси клапанів з високоякісними зволоженими поверхнями, частини турбіни середньої вартості, де потрібна певна вакуумна сумісність, програми, де вартість і продуктивність повинні бути збалансовані.

6. Основні технології

• Розчинні ядра (воскові або полімерні серцевини, зроблені для розчинення): створюють внутрішні проходи (канали охолодження); видаляється гарячою водою або розчинником.
• Керамічні сердечники, обпалені сполучною речовиною (кремнезем, глинозем, циркон): стабільний при високих температурах для суперсплавів; вимагають сумісності ядра оболонки.
• 3Д-друковані сердечники: Керамічні серцевини binder-jet або SLA забезпечують складну внутрішню геометрію без інструментів.

При проектуванні ядер необхідно враховувати опору сердечника, вентиляція, теплове розширення і хімічна сумісність з розплавленим металом.

7. Девакс, вигорання & стрільби снарядами — практичні розклади та пункти управління

Девакс

• Пара/автоклавна депарафінізація: звичайні для звичайних воскових дерев. Типова температура поверхні 100–120 °C; цикл від хвилин до годин залежно від обсягу воску та розміру дерева.
• Термічний депарафін / розплав розчинника: використовується для деяких полімерів — використовуйте відновлення розчинника та контролі.

Вигорання / графік вигорання (типовий інженерний приклад)

• Пандус: сповільнити до 100–200 °C, щоб видалити залишки вологи/воску (≤3–5 °C/хв рекомендовано для товстих оболонок, щоб уникнути утворення пухирців парою).
• Тримайте 1: 150–250 °C (1– 4 години) відігнати низькокиплячу органіку.
• Пандус 2: ~3 °C/хв до 350–500 °C.
• Остаточне утримання: 4–8 годин при 350–700 °C залежно від системи оболонки та сплаву. Силікатно-золеві оболонки можна обпалити до 600–1000 °C для спікання/міцності; оболонки з рідкого скла, зазвичай стабілізовані при 400–700 °C.
• Ключові елементи керування: швидкість підвищення, наявність кисню (уникайте надмірного окислення реактивних металевих оболонок), і повне видалення органіки, щоб уникнути виділення газу під час заливки.

Шкаралупу попередньо розігрійте перед заливкою: попередній нагрів оболонки до 200–800 °C залежно від сплаву для мінімізації теплового удару та покращення потоку металу; Напр., з нержавіючої сталі зазвичай попередньо нагрівають 200–450 °C; суперсплави вимагають вищих залежно від оболонки.

8. Заливання: практика розплаву, вакуумні/інертні варіанти та параметри заливки

• Плавильні печі: індукцією або опором; дегазація/фільтрація та флюсування для чистоти.
• Для температур (типовий):

• • Алюмінієві сплави: 650–720 °C
  • Мідні сплави: 1000–1200 °C
  • сталі: 1450–1650 °C
  • Нікелеві суперсплави: 1400–1600+ °C (сплав залежить від)

• Вакуумна та інертна заливка: обов'язковий для титану і високоактивних сплавів; вакуум зменшує окислення та реакції метал-оболонка.
• Для моди: гравітаційний розлив проти нижнього розливного ковша чи вакуумний допоміжний — виберіть для мінімізації турбулентності та захоплених газів. Використовуйте фільтри в стробуванні для контролю включення.

9. Матеріали звичайно литі & особливі міркування

• Нержавіючі сталі (300/400, дуплекс): добре з водяним склом & кремнезем-золь; контроль проникності оболонки та кінцевий попередній нагрів.
• Вуглець & низьколеговані сталі, пластичне залізо: добре підходить до раковин з водного скла; слідкуйте за утворенням накипу та ерозією оболонки при високій енергії розливу.
• Мідні сплави (бронза, З нами): поширений; контролювати перегрів, щоб уникнути розмивання оболонки.
• Алюмінієві сплави: можливо, але часто дешевше за допомогою інших методів лиття; забезпечити вентиляцію/проникність.
• Титан & Ви сплави: реактивні — віддають перевагу силікатно-золевим оболонкам, первинні шари з циркону/глинозему, вакуумні плавки, та інертні атмосфери. Уникайте водяного скла, за винятком випадків використання бар’єрних покриттів і спеціальних засобів контролю.
• Нікель & кобальтові суперсплави: використовувати силікатно-золеві оболонки, високотемпературний випал і вакуум/інертне поводження, де це необхідно.

10. Типовий розмірний, поверхні та можливості допуску

• Допуск на розміри (типовий як литий): ±0,1–0,3% від номінального розміру (Напр., ±0,1–0,3 мм на 100 MM Особливості).
• Оздоблення поверхні (Ра ас-литий): кремнезем ~0,6–3,2 мкм; рідке скло ~2,5–8 мкм.
• Припуск на лінійну усадку: ~1,2–1,8% (сплав & ливарний вказуйте точні).
• Мінімальна практична товщина стінки: прикраси/мікрочастини: <0.5 мм; інженерні частини: 1.0–1,5 мм типовий; структурні більш товсті ділянки звичайні.
• Повторюваність: хороша практика ливарного виробництва дає ±0,05–0,15% від серії до серії за критичними даними.

11. Поширені дефекти, основні причини та способи усунення

12. Процеси після лиття

• Витряска & видалення кераміки: механічні або хімічні методи.
• Термічна обробка: лікування розчином, старіння (T6), відпал — залежить від сплаву. Типова температура розчину: Алюмінієві сплави ~520–540 °C; сталі вищ.
• Гаряче ізостатичне пресування (Стегно): зменшує внутрішню усадкову пористість для чутливих до втоми деталей; типові цикли HIP залежать від сплаву (Напр., 100–200 МПа і 450–900 °C).
• Обробка & закінчення: критичні отвори, ущільнювальні поверхні, оброблені з допуском; полірування, пасивування або нанесення покриття за потреби.
• NDT & тестування: гідростатичний, тиск, тести на герметичність, Рентген/КТ, ультразвуковий, барвник-проникаючий, механічні випробування на спец.

13. Контроль процесів, огляд & кваліфікація

• Купуйте метрики контролю якості: суспензія твердих речовин, в'язкість, час гелю, криві печі, колоди депарафінізації, графіки вигоряння, журнали хімії розплаву та дегазації.
• Зразки купонів: розтяг, твердість & металографічні зразки, відлиті в литник для репрезентативної мікроструктури та механічних властивостей.
• Відбір проб НК: рентгенографія та КТ для критичних компонентів; вказати рівні прийнятності для пористості (об.% або максимальний розмір дефекту).
• Статистичний контроль процесу (SPC): застосовувати до критичних входів (мити тверді речовини, товщина оболонки, розплавити водень) і виходи (варіація розмірів, розраховує пористість).

14. Common Misconceptions & Уточнення

«Лиття за виплавленим воском лише для високоточних деталей»

Неправда. Лиття за виплавленим воском на основі водного скла є економічно ефективним для деталей середньої точності (±0,3–0,5 мм) - 40% автомобільних відливок з втрати воску використовують цей варіант.

«Низькотемпературний віск поступається середньотемпературному»

Контекстно-залежний. Низькотемпературний віск дешевший і підходить для низької точності, великооб'ємні деталі (Напр., обладнання) — середньотемпературний віск необхідний лише для більш жорстких допусків.

«Силікатний золь завжди кращий за розплавлене скло»

Неправда. Водне скло на 50–70% дешевше та швидше для застосувань із середньою точністю — золь кремнезему виправданий лише для аерокосмічних/медичних деталей, для яких потрібен допуск ±0,1 мм.

«Лиття за виплавленим воском має високий рівень браку»

Неправда. Золь кремнезему для лиття з виплавленим воском має коефіцієнт браку 2–5% (можна порівняти з литтям під тиском) — рідке скло має 5–10% (все ще нижчий, ніж лиття в пісок на 10–15%).

«3D-друк робить лиття за виплавленим воском застарілим»

Неправда. AM ідеально підходить для прототипів/малого обсягу, але лиття за виплавленим воском у 5–10 разів дешевше для середнього та великого об’єму (>1,000 частини) і обробляє більші частини (до 500 кг).

15. Висновок

Процес лиття за виплавленим воском залишається основним методом виробництва комплексу, високоякісні металеві компоненти.

Коли ви спарюєте право матеріал візерунка, хімія оболонки і практика розплаву/атмосфери з дисциплінованим контролем процесу, лиття за виплавленим воском надійно створює деталі, які було б важко або неможливо зробити іншими способами.

Сучасні вдосконалення (3Г друковані лекала, гібридні оболонки, вакуумна заливка і ГІП) поширити процес на нові сплави та застосування, але вони також підвищують потребу в ретельній специфікації, випробування та забезпечення якості.

 

Поширені запитання

Яку систему оболонки вибрати для титану?

Кремнезем-золь (з цирконовим/глиноземним першим шаром) + вакуумне/інертне плавлення та заливка. Рідке скло, як правило, непридатне без значних бар'єрних заходів.

Наскільки гарними можуть бути деталі лиття за втраченими моделями?

Особливості <0.5 мм можливі (ювелірні вироби/точність); в інженерних частинах прагнути до ≥1 мм на надійність, якщо це не доведено випробуваннями.

Я можу очікувати типову обробку поверхні?

Кремнезем-золь: ~0,6–3,2 мкм Ra; водоплавне скло: ~2,5–8 мкм Ra. Тонкі мийки та полірування воскових штампів покращують обробку.

Коли рекомендується HIP?

До втоми-критично, тисковмісні, або аерокосмічні деталі, де внутрішня пористість повинна бути зведена до мінімуму — HIP може значно збільшити довговічність у втомі.

Чи можу я використовувати 3D-друковані шаблони замість воскових інструментів?

Так — ливарні смоли і друкований віск скорочують час і вартість інструментів для прототипів/невеликих обсягів. Переконайтеся, що характеристики депарафінізації смоли та сумісність оболонки перевірені.