失蜡铸造材料 | 蜡, 陶瓷, 贝壳 & 合金

1. 介绍

失去蜡 (投资) 铸件 因其再现精细细节的能力而备受赞誉, 薄截面和复杂的几何形状，具有出色的表面光洁度和相对严格的公差.

获得一致的结果不仅仅是几何形状或机器设置的问题——从根本上来说这是一个材料问题.

蜡混合物, 投资化学, 耐火骨料, 核心成分, 坩埚和合金化学都会发生热相互作用, 脱蜡过程中采用化学和机械方法, 烧毁和金属注射.

为每个步骤选择正确的材料是高产量生产和重复返工之间的区别.

2. 失蜡铸造工作流程概述

关键阶段 以及所涉及的主要物质元素:

1. 图案化 (蜡) — 模型蜡或注塑热塑性塑料; 浇注/蜡浇道系统.
2. 集会 & 门控 — 蜡棒 (刺激), 基板.
3. 外壳构建 (投资) — 浆料 (活页夹 + 精细耐火材料), 灰泥/骨料涂层.
4. 烘干 / 脱瓦 — 蒸汽/高压釜或烘箱去除有机图案.
5. 倦怠 / 壳烧结 — 控制升温以氧化/燃烧残余有机物并将外壳烧结至所需强度.
6. 融化 & 浇注 — 坩埚材料加气氛 (空气/惰性/真空) 和浇注系统 (重力 / 离心 / 真空).
7. 冷却 & 去壳 — 机械或化学去壳; 精加工.

每个阶段都使用不同系列的针对温度进行优化的材料, 化学, 和该阶段的机械载荷.

3. 蜡 & 图案材料

功能: 承载几何, 定义表面光洁度, 并在外壳建造过程中提供可预测的膨胀.

普通蜡 / 图案材料族

关键属性及其重要性

• 注射流动性: 影响填充和浇口质量.
• 收缩 & 热膨胀: 必须符合投资扩张特性，以避免外壳破裂或尺寸误差.
• 灰分含量: 燃尽时残留碳/灰分含量低，可减少壳金属反应.
• 力量 & 疲劳: 图案必须能够经受搬运和外壳旋转而不会变形.

实用数字 & 笔记

• 典型注蜡收缩率: ~0.1–0.4% 线性 取决于蜡和温度控制.
• 使用 低灰分 高精度珠宝和活性合金配方.

4. 投资 (耐火) 系统——类型和选择标准

投资=粘合剂 + 耐火粉. 选择取决于最高金属浇注温度, 所需的表面光洁度, 热膨胀控制, 和抵抗与熔融金属反应的能力.

主要投资家族

1. 石膏保税投资 (石膏基)

• • 使用: 珠宝和低熔点合金 (金子, 银, 锡) 浇注温度在哪里 < 〜1,000°C.
  • 优势: 出色的表面饰面, 低渗透性 (适合精细细节).
  • 极限: 约 1,000 °C 以上时强度较差; 分解并软化——不适用于钢或高温合金.

2. 磷酸盐粘合投资 (例如。, 磷酸钠或磷酸镁)

• • 使用: 高温合金 (不锈钢, 镍合金) 以及需要高达 ~1,500 °C 耐火强度的应用.
  • 优势: 更高的热强度, 更好的抗金属反应和抗裂性能.
  • 极限: 在某些配方中，与石膏相比，表面抛光较差; 更复杂的混合.

3. 硅溶胶 / 胶体二氧化硅键合 (氧化铝/二氧化硅混合物)

• • 使用: 宽温度范围内的精密零件; 适合添加锆石或氧化铝.
  • 优势: 良好的高温稳定性, 精细的表面光洁度.
  • 极限: 热膨胀和凝固时间的控制至关重要.

4. 锆石 / 氧化铝 (氧化物) 强化投资

• • 使用: 活性合金 (钛, 高温镍合金) — 减少金属投资反应.
  • 优势: 非常高的耐火度, 与活性金属的反应性低.
  • 极限: 成本明显更高; 在某些情况下减少抛光.

投资选择清单

• 最高浇注温度 (选择高于熔体温度的投资 + 安全利润).
• 所需的表面光洁度 (Ra目标).
• 热膨胀匹配 — 偏移以补偿蜡膨胀和金属收缩.
• 渗透性 & 力量 — 抵抗铸造压力和离心/真空载荷.
• 化学反应性 — 特别是对于活性金属 (的, 毫克, al).

5. 灰泥, 涂料和外壳材料

壳是通过交替构建的 浆料浸入 和 灰泥 (较粗的耐火颗粒). 材料和颗粒尺寸控制壳厚度, 渗透性和机械强度.

• 泥浆: 投资粘合剂 + 精细耐火材料 (通常为 1–10 µm) 用于擦掉和精细的表面再现.
• 灰泥: 较粗的二氧化硅/锆/氧化铝颗粒 (20–200 µm) 增加身体厚度.
• 涂料 / 洗: 专业面漆 (例如。, 富含氧化铝或锆石) 充当 阻挡层 用于活性合金并提高图案精细度或减少金属熔敷反应.

选择提示

• 使用 锆石/氧化铝屏障清洗 用于钛和活性合金，以最大限度地减少 α 情况和化学反应.
• 限制最终涂层中的灰泥颗粒尺寸，以达到所需的表面抛光效果.

6. 磁芯及磁芯材料 (永恒的 & 可溶的)

核心产生内部空隙. 失蜡铸造用途:

• 陶瓷制品 (耐火) 内核 — 二氧化硅, 锆石, 氧化铝基; 化学键合 (树脂或硅酸钠) 或烧结.
• 可溶 (盐, 蜡) 内核 — 陶瓷芯不切实际的复杂内部通道铸造后盐芯浸出.
• 混合核心 — 陶瓷芯包裹在熔模外壳中，以防止脱蜡和烧坏.

关键属性

• 壳温下的强度 为了避免搬运和烧毁.
• 与投资扩张相适应 (匹配生坯强度和烧结行为).
• 渗透性 让气体在浇注过程中逸出.

7. 坩埚, 浇注系统 & 工装材料

坩埚和浇注材料的选择取决于 合金化学, 熔化温度, 和 反应性.

常用坩埚材质

• 石墨 / 碳坩埚: 广泛用于铜, 青铜, 黄铜, 和许多有色合金. 优势: 出色的导热率, 便宜的.
  限制: 与一些熔体发生反应 (例如。, 钛) 某些合金不能在氧化气氛中使用.
• 氧化铝 (al₂o₃) 坩埚: 对许多合金具有化学惰性，可用于更高的温度.
• 氧化锆坩埚: 非常耐火且耐化学腐蚀——用于活性合金 (但成本更高).
• 碳化硅 (sic)-内衬坩埚: 高耐热震性; 适用于某些铝熔体.
• 陶瓷-石墨复合材料 和 坩埚涂层 (氧化屏障) 用于延长寿命并最大限度地减少污染.

浇注系统

• 重力浇注 — 最简单的, 用于珠宝和小批量.
• 离心铸件 — 珠宝中常见的将金属压入精致细节的方法; 注意模具和金属应力的增加.
• 真空辅助 / 真空浇注 — 减少气体截留并在减压下实现活性金属铸造.
• 真空感应熔化 (vim) 和真空自耗电极熔化 (我们的) — 适用于高纯度高温合金和钛等活性金属.

重要的: 用于反应性或高温合金 (钛, 镍高温合金), 使用真空或惰性气体熔化以及防止污染的坩埚/涂层, 并确保浇注系统与金属兼容 (例如。, 真空离心).

8. 通常采用熔模铸造工艺铸造的金属和合金

失蜡铸造可以处理广泛的合金系列. 典型类别, 代表性熔点 (°C) 和工程笔记:

笔记: 列出的熔点适用于纯元素或指示性合金范围. 始终使用制造商提供的熔化/凝固数据进行精确的过程控制.

实用铸造温度规则: 浇注温度通常为 20–250°C 以上 液相线取决于合金和工艺，以确保填充和补偿热损失 (检查合金数据表).

9. 铸造气氛, 反应 & 防护措施

反应性合金 (al, 的, 毫克) 和高温熔体需要仔细的气氛和外壳化学控制:

• 氧化: 发生在空气中 → 熔体表面形成氧化膜并作为夹杂物被捕获. 使用 惰性气氛 (氩气) 或者 真空 关键合金的熔体.
• 金属熔敷化学反应: 投资中的二氧化硅和其他氧化物可以与熔融金属反应形成脆性反应层 (例子: 钛金属阿尔法表壳).
  屏障洗涤 和 富含锆石/氧化铝的面漆 减少互动.
• 碳拾取/脱气: 蜡/投资分解产生的碳可以转移到熔体中; 充分的烧尽和撇渣/过滤可减少污染.
• 氢气吸收 (有色金属熔体): 造成气孔. 通过熔体脱气来缓解 (氩气吹扫, 旋转脱气机) 并保持投资干燥.

防护措施

• 使用 阻隔涂层 对于活性金属.
• 使用 真空气或惰性气体 指定时的熔化和浇注系统.
• 过滤 (陶瓷过滤器) 在浇注过程中去除夹杂物和氧化物.
• 控制湿度并避免湿包埋——浇注过程中水蒸气迅速膨胀并导致外壳损坏.

10. 脱瓦, 燃尽和外壳预热——材料 & 温度

这三个工艺阶段去除有机图案材料, 完全烧尽粘合剂并烧结外壳，使其具有浇注后所需的机械强度和热状态.

材料兼容性 (投资类型, 隔离衣, 核心化学) 严格的温度控制至关重要——这里的错误会导致外壳破裂, 气孔隙度, 金属壳反应和不正确的尺寸.

脱蜡——方法, 典型参数及选型指导

倦怠 (粘合剂燃尽, 有机物去除和烧结)

目的: 氧化并去除残留有机物/灰烬, 完全结合反应, 将外壳致密/烧结至所需的热强度, 并稳定外壳尺寸.

一般倦怠策略 (铸造实践):

1. 从环境温度受控升温 → 200–300 °C 在 0.5-3℃/分钟 缓慢去除挥发物——保持在这里可以避免剧烈汽化而损坏贝壳.
2. 继续斜坡至中间停留 (300–600°C) 在 1-5℃/分钟, 根据壳厚度保持 0.5–3 小时以燃烧粘合剂和碳质残留物.
3. 最终升温至烧结/保持温度 适合投资和合金 (见下表) 并浸泡 1–4 h 实现壳强度和低残留碳.

推荐倦怠 / 烧结温度带 (典型的):

外壳预热——目标温度, 浸泡时间和监控

目标: 使壳的温度分布接近浇注温度，以便 (一个) 与熔体接触时的热冲击最小化, (b) 外壳完全烧结且坚固, 和 (c) 倾倒时的气体逸出可以忽略不计.

一般指导

• 预热至低于但接近浇注温度的温度 — 通常介于 (对于温度 - 50 °C) 和 (对于温度 - 200 °C) 取决于合金, 壳质量和投资.
• 浸泡时间: 30 分钟 → 3 h 取决于壳体质量和所需的热均匀性. 较厚的贝壳需要更长时间的浸泡.
• 统一: 目标 ±10–25°C 穿过外壳表面; 使用嵌入式热电偶或红外热成像进行验证.

推荐外壳预热表 (实际的):

11. 与材料选择相关的缺陷 & 故障排除

下面是一个紧凑的, 可操作的故障排除表链接 常见的熔模铸造缺陷 到 与材料相关的根本原因, 诊断检查, 和 实际补救措施 / 预防.

在调查运行时将其用作车间参考 - 每行均已写入，以便铸造技术人员或工程师可以遵循诊断步骤并快速应用修复.

快传奇:INV = 投资 (壳) 材料/粘合剂; 蜡 = 图案材料 (或3D打印树脂); 坩 = 熔体容器/衬里.

12. 环境的, 健康 & 安全考虑; 回收 & 废物处理

主要危险

• 可吸入结晶二氧化硅 (RCS) 远离灰泥和投资粉尘——严格控制 (呼吸器, 局部排气, 湿法).
• 倦怠产生的烟雾 — 可燃有机物; 通过通风和热氧化剂进行控制.
• 熔融金属危害 — 溅起, 烧伤; PPE 和钢包处理协议.
• 活性金属危害 (的, 毫克) — 存在氧气时有火灾危险; 需要无氧环境进行熔化/浇注.
• 热壳处置 — 热和化学危害.

浪费 & 回收

• 金属废料 通常会被回收和再利用——主要的可持续发展效益.
• 二手投资 可以回收 (浆料分离, 离心机) 以及回收的可重复使用的耐火材料 (但要注意污染和罚款).
• 花费的投资 过滤器粉尘可根据粘合剂化学成分进行分类 - 根据当地法规管理处置.

13. 实用选择矩阵 & 采购清单

快速选择矩阵 (高级)

• 珠宝 / 低温合金: 石蜡/微晶蜡 + 石膏投资 + 蒸汽脱蜡.
• 普通青铜 / 黄铜 / 铜合金: 蜡混合物 + 二氧化硅/磷酸盐投资 + 建议真空或惰性浇注.
• 铝合金: 蜡 + 为铝配制的硅溶胶/胶体包埋材料 + 干贝壳 + 惰性或受控气氛 + 合适的坩埚 (带涂层的 SiC/石墨).
• 防锈的, 镍合金: 蜡 + 磷酸盐或氧化铝/锆石投资 + 高壳烧结温度 + 真空/惰性熔化 & 过滤.
• 钛: 蜡或印刷图案 + 氧化锆/氧化铝屏障投资 + 真空熔化和浇注 + 锆石阻挡层 + 特殊坩埚.

采购 & 绘图清单 (必备物品)

1. 合金规格 和所需的机械/腐蚀性能.
2. 表面光洁度目标 (RA) 和化妆品要求.
3. 尺寸公差 & 关键数据 (识别加工面).
4. 外壳类型 (投资家族) 和最小外壳厚度.
5. 倦怠时间表约束 (如果适用的话) 和预热/倾倒温度窗口.
6. NDT & 验收 (射线照相 %, 压力/泄漏测试, 机械取样).
7. 铸造方法 (重力 / 离心 / 真空 / 压力) 和融化的气氛 (空气 / 氩气 / 真空).
8. 坩 & 过滤要求 (陶瓷过滤器, 坩埚材料限制).
9. 浪费 & 回收期望 (投资回收 %).
10. 安全 & 风险状况 (活性金属条款, 许可证需求).

14. 结论

失蜡铸造的材料选择范围广泛且跨学科: 每种材料——蜡, 投资, 灰泥, 核, 坩埚和合金——在热学中发挥功能性作用, 化学和机械相互作用.

选择材料时要着眼于 合金的熔化化学成分和温度, 必需的 表面饰面, 可以接受 孔隙率, 和 后处理.

适用于反应性或高温合金 (钛, 镍基高温合金), 投资于专业投资 (氧化锆/氧化铝), 真空熔炼和阻隔涂层.

用于珠宝和低温合金, 石膏投资和精细灰泥提供卓越的光洁度和准确性.

设计之间的早期合作, 图案和铸造团队对于锁定正确的材料集以实现可靠的生产至关重要, 高产生产.

 

常见问题解答

如何选择不锈钢铸造投资?

选择一个 磷酸盐结合 或者 氧化铝/锆石 强化包埋率高于合金液相线且具有足够的热强度; 需要在浇注前达到 1,000–1,200 °C 的壳温度的壳烧结计划.

我可以使用普通石膏包埋铝吗?

不. 石膏投资在相对较低的温度下软化并分解; 铝需要针对有色金属配制的投资，并设计用于处理铝熔体的特定热和化学条件.

为什么钛铸件会出现阿尔法壳?

Alpha-case是由钛在高温下与氧反应产生的富氧脆性表面层.

通过使用氧化锆/氧化铝阻挡涂层来减少它, 真空或氩气气氛并清洁, 干投资.

回收投资是否经济?

是的——许多铸造厂通过浆料分离回收和再循环熔模细粉和粗料, 离心机和热回收.

经济性取决于吞吐量和污染.

青铜和钛应该使用什么坩埚?

青铜: 带涂层的石墨或碳化硅坩埚通常可以工作.

钛: 使用惰性, 非碳坩埚和真空或冷坩埚感应熔炼系统 - 常规石墨坩埚会发生反应并污染钛.

什么是铝铸件最具成本效益的耐火系统?

二氧化硅沙 (总计的) + 水玻璃 (活页夹) 成本比硅溶胶-锆石系统低 50–60%, 和铝的低熔点 (615°C) 避免与二氧化硅发生反应——非常适合大批量生产, 低成本铝制零件.

脱蜡蜡如何回收利用?

脱蜡后的蜡通过5-10μm的筛网过滤，除去杂质, 加热至 80–100°C 均化, 并重复使用5-8次.

再生蜡保养 95% 原件的性能并降低材料成本 30%.