纯钛铸造机

纯钛铸造机 純鈦鑄造機 金屬鈦有良好的機械性能，生物相容性及耐腐蝕性好、比重小、強度高，是理想的口腔修復。但由於鈦熔點高(1668?)，化學性能活潑，在高溫下極易 與空氣中氫、氧、氮等元素及包埋料中的Si、Al、Mg等元素結合，在鑄件表面 形成氧化污染層，使其優良的理化性能變差，硬度、脆性增加，塑性、彈性降低， 因此鑄造應在保護性氣體中進行。此外鈦的黏稠度大，密度小，且熔化後液體的 流動性差，鑄造溫度與鑄型溫差(300?)較大，冷卻快，因此如採用常規鑄造方 法，鈦鑄件表面和內部難免有氣孔等缺陷出現，對鑄件的質量影響很大，因此必 頇採用特殊的加工方法和操作手段。 這就要求鈦鑄造機和其他中高熔鑄造機在設計上有不同之處。 (一)根據鈦的性能要求，純鈦鑄造機要有以下要求 1〃與常規鑄造機相比，純鈦鑄造機應有更高的溶解溫度和初速度。 2〃鑄造過程中要注意防治污染，比一般的鑄造機要求嚴格，要減少或消除 對鈦鑄件的污染。 3〃澆鑄金屬時要有更高的壓力。 (二)影響鑄鈦機性能的因素，由於鈦的特性使鈦的鑄造比較困難，鑄造機的 性能就成為鑄造成敗的關鍵 1〃壓力 鑄造壓力和熔金室的真空度要夠。 2〃溫度 鑄型溫度和鑄造溫度要足夠。 3〃鑄造方法 選用適合的鑄造方法，鑄造壓力的來源要保証。 隨著鑄造技術的不斷改進，如今純鈦鑄造技術已日漸成熟。1940年Bother最早將鈦引進口腔，1965年瑞典學者Brinemark最早把鈦種植體引進口腔領域， 1980年日本研制出牙科鑄鈦機。如今，國際上純鈦鑄造的發展很快，日本、德 國等都可生產性能先進的鑄造機。我國的純鈦鑄造機研制起步較晚，但發展很 快，1995年我國研發了首台牙科鑄鈦機，之後技術不斷完善，2002年推出第5代新產品，使我國在純鈦鑄造方面逐漸達到國際水準(圖3－6，圖3－7)。 一、種類 臨床常用純鈦鑄造機有以下幾類： 1〃按鑄造方式分類(彩圖3-8) (1)加壓鑄造式鑄鈦機：在較低壓力的惰性氣體(氬氣)的保護下溶解鈦料，鈦 熔化後流到鑄道口時，對液體鈦加以較高的壓力，使液體鈦注入鑄模腔內。此法 關鍵是正確掌握好加壓時間。因為加壓時間過早，高氣壓提前流入鑄模腔內，影 響液體鈦的注人，從而造成鑄件表面或內部缺陷。加壓時間過晚，液體鈦流動性 差，造成鑄造失敗。 (2)加壓吸引式鑄鈦機：依靠惰性氣體的壓力，和鑄造室真空狀態形成的負 壓使鈦液進入鑄型腔。鑄造時，先使熔金室和鑄造室形成高度真空，熔化鈦時向 熔金室內注人惰性氣體，鑄造室持續抽真空，注人熔化的金屬時，因在熔金室和 鑄造室之間形成壓力差和重力作用，熔化的金屬由上部熔金室落人下部鑄造室的 鑄模口，並被壓住，充滿整個鑄造型腔。為了確保鑄件質量，常在鑄模下方安裝 吸注裝置。此種方法必頇使熔金室和鑄造室兩室間嚴密隔絕，才能保証壓差的形 成。 (3)離心式鑄造機：利用離心力使液體鈦及鈦合金注人鑄模腔內的方法。由 於鈦的比重較小，要想使液體鈦及鈦合金能充滿整個熔模腔，離心力的初速度就 顯得極為重要。為增加初速度，有的鑄鈦機採用先將鑄型高速旋轉，在旋轉狀態 下利用高速離心力將液體鈦注人熔模腔內。有的鑄鈦機則採用在熔解鈦及鈦合金 料時，讓產生離心力的馬達先旋轉，待鈦及鈦合金料熔解後，利用離合器與高速 旋轉的馬達咬合起來，以高速離心力將液體鈦及鈦合金注人到鑄模腔內。離心力 目前有水平離心力和垂直離心力。 (4)壓力、吸引、離心式鑄造機：將離心力、抽吸、加壓三種方式結合起來， 以提高鑄鈦件的成功率。在熔解鈦及鈦合金料時，從鑄型的底部及四周進行抽吸 排氣，使熔金室和鑄造室之間產生較大的壓力差。當鈦料熔化後，離心力促使液 體鈦注人熔模腔內，同時再從液體鈦及鈦合金表面加入一個較大的惰性氣體正壓 力，液體鈦及鈦合金在離心力、負壓抽吸及液體鈦和鈦合金表面的較大正壓力的 共同作用下，促使液體鈦及鈦合金快速地注人熔模腔內。不僅可用於鈦鑄造，也 可用於貴金屬合金、鎳鉻合金、鈷鉻合金、銀合金等多種合金的高精密鑄造。這 種方法目前應用較廣，後面將詳細介紹它的使用。 2〃按熔化金屬的熱源分類 (1)弧熔解式：弧熔解法是利用輔助電源使電機對鈦料發生弧放電，惰性氣 體產生的電子和陽離子在電極間加速運動放出熱電子而持續產生等離子弧，由等 離子弧所產生的高熱將鈦料熔化。目前弧熔解法的牙科鑄鈦機基本上都是採用鎢 棒作為負極，被熔解的鈦料為陽極產生弧放電法，即所謂的非消耗式電極法。由 於等離子弧所產生的溫度很高，可以在較短時間內將鈦料熔化，同時，此方法是 從金屬的上方進行加熱，具有高熔鈦液不會與坩堝接觸或接觸的時間短，避免了 液體鈦被污染的優點。但由於弧放電是集中於某部位，當鈦料量大時會出現部分 熔化，部分不熔化的現象，因而兩級間的距離應適宜。 (2)高頻感應式：利用高頻交流電產生的磁場，使被熔化的金屬本身產生感 應電流(內渦流)，通過渦電流加熱熔化鈦料。特點是熔化鈦料的溫度較均勻，但 高溫下的鈦溶液與坩堝接觸的時間較長，易使鈦料受到污染。 (3)電磁懸浮高頻波熔解式：1952年美國的Okress發明了此技術，是利用磁力使金屬懸浮在空中並使用高頻波感應熔解的方法，從而避免了坩堝材料對金屬 的污染，並可以控制熔解溫度，但由於熔解量的限制而不適用於工業，只適用於 部分實驗性熔解爐，如今已應用於齒科(圖3－4)。 圖3-4 電磁懸浮高頻波溶解 3〃按鑄造的工作室數目分類 (1)一室鑄鈦機：熔解和鑄造在同一室內完成。 (2)二室鑄鈦機：分熔金室和鑄造室。鈦熔化後，由熔金室注入鑄造室。 鈦溶液的流動方式有兩種：一是從近心端一次流人到遠心端，在增大壓力時或豎 排氣道時可減少鑄件缺陷的產生，有利於型腔充盈。二是先流到近心端再返流到 遠心端，此方式是容易產生湍流導致鑄件缺陷。 4〃按制作坩堝的材料分類 (1)銅坩堝：多用於弧熔解方式。 1)底部開口式坩堝：特點是在坩堝底部設有一個使液鈦順利下流的口，由於 等離子弧在對鈦料加熱時，是從鈦料的頂部開始熔化，當鈦料的底部也熔化時， 熔化的金屬是從下面的孔流人鑄型腔內。 2)分離式坩堝(底部分瓣)：當鈦料熔化後，控制系統便可使坩堝分離成兩半， 熔化的金屬態從下面的孔流人鑄型腔內。 3)傾斜式(傾倒)坩堝：與以上兩種的不同之處為，當鈦料熔化時，由控制系 統使坩堝發生傾斜，液體順利地注人鑄型腔內。 4)石墨坩堝：採用高密度的石墨加工制成的鈦鑄造用坩堝，現已用於弧熔解 方式的鑄造機上。由於弧熔鈦料是從上部加熱熔化，當坩堝底部易受污染的鈦料 在未熔化時，就將熔化的液態鈦利用離心力，注人鑄型腔內，較好地解決了坩堝 材料污染鈦料的問題，此類坩堝效果好，造價低，可反復使用。 (2)氧化鋁陶瓷坩堝：氧化鋁陶瓷純度高，耐化學腐蝕性好，注漿成型，密 度高，耐急冷急熱性好，不易炸裂，此類坩堝主要用於高頻熔金的離心鑄造，要 求坩堝的表面光潔度好，致密度高，為防止坩堝材料污染液體鈦料，需在坩堝內 部涂布一層防止鈦料受到污染的膜。 (3)不設坩堝：利用電磁場使鈦塊懸浮在熔解室內，可減少對鈦的污染。 二、各類鑄鈦機的特點 (一)禹心貳鑄鈦機 由於鈦密度小，在進行離心澆鑄時鑄造機的離心速度和離心力必頇足夠大才 能保証牙科鑄鈦件的完整。一般認為離心速率達3000r／min能夠滿足牙科鑄造 的需要。 1〃單純離心力鑄造機 利用離心力使液體鈦及鈦合金注人熔模腔內的方 法。由於鈦的比重輕，要使其能充滿整個熔模腔，離心力的初速度就顯得極為重 要。為增加初速度，有的鑄鈦機採用先將鑄型高速旋轉，在旋轉狀態下利用高速 離心力將液體鈦注人熔模腔內。有的鑄鈦機則採用在熔解鈦及鈦合金料時，讓產 生離心力的馬達先旋轉，待鈦及鈦合金料熔解後，利用離合器與高速旋轉的馬達 咬合起來，以高速離心力將液體鈦及鈦合金注人到鑄模腔內。離心方式目前主要 應用水平離心和垂直離心兩種方式 2〃離心力壓力鑄鈦機 該法是將液體鈦及鈦合金利用離心力注人熔模腔內同時在液體鈦及鈦合金的表面加一個較大的壓力，以促使液體鈦及鈦合金注人熔 模腔內。 3〃離心力、抽吸、加壓鑄鈦機 將離心力，抽吸，加壓三種方式結合起來，以提高鑄鈦件的成功率。在熔解鈦及鈦合金料時，從鑄型的底部及四周進行抽吸 排氣，使熔金室和鑄造室之間產生較大的壓力差。當鈦料熔化後，離心力促使液 體鈦注人熔模腔內，同時再從液體鈦及鈦合金表面加入一個較大的惰性氣體正壓 力，液體鈦及鈦合金在離心力、負壓抽吸及液體鈦和鈦合金表面的較大正壓力的 共同作用下，促使液體鈦及鈦合金快速的注入熔模腔內。 (二)差壓式鑄鈦機 壓差方式鑄造時，先使熔金室和鑄造室形成高真空度，熔化鈦時向熔金室內 注人惰性氣體，鑄造室持續抽真空，注人熔化的金屬時，因在熔金室和鑄造室之 間形成壓力差和重力作用，熔化的金屬由上部熔金室落人下部鑄造室的鑄模口， 並被壓住，充滿整個鑄造型腔。為了確保鑄件質量，常在鑄模下方安裝吸注裝置。 此種方法必頇使熔金室和鑄造室兩室間嚴密隔絕，才能保証壓差的形成。 (三)加壓鑄鈦機 在較低壓力的惰性氣體(氬氣或氦氣)的保護下熔解鈦料，鈦熔化後流到鑄道 口時，對液體鈦加以較高的壓力，而使液體鈦注人鑄模腔內。此法關鍵是正確掌 握好加壓時間。因為如果加壓時間過早，高氣壓提前流人鑄模腔內，影響液體鈦 的注人，從而造成鑄件表面或內部缺陷。加壓時間過晚，液體鈦及鈦合金已發生 凝固，流動性差，壓力將不起作用。造成鑄造失敗。 三、壓力、吸引、離心式鑄造機三合一鑄鈦機 臨床實踐使用証明，三合一的鑄造方式效果較其他較好，因此，這里詳細介 紹壓力、吸引、離心式鑄造機三合一鑄鈦機。 (一)結構和工作原理 1〃結構 (1)主要由旋轉體、動力部分、供電系統、真空系統、氬氣系統、機電控制 系統組成。 (2)旋轉體內部為熔金室和鑄造室，兩室被隔盤分開、由鑄模、坩堝、電極 及配重組成。 (3)動力部分包括電動機、飛輪、離合器、定位裝置等。 (4)供電系統包括直流逆變電源、電極裝置等。 (5)真空系統包括真空泵、高真空截止閥、真空表等。 (6)氬氣系統包括減壓閥、截止閥、安全閥、壓力表等。 (7)電控系統包括程序控制電腦、各種電器元件、數碼顯示器等。 2〃工作原理 在真空和氬氣的保護下，直流電弧對坩堝中的金屬加熱，使 之熔化，在鑄造力作用下熔融金屬充滿鑄腔，完成鑄造。 (1)抽真空：鈦料和鑄圈分別放在熔金室和鑄造室內，兩室隔開且均需與大 氣隔離，兩室同時抽真空。 (2)充氬氣：熔金室內充氬氣，鑄造室繼續抽真空，維持約5秒，使熔解室鑄模腔內的殘留空氣可通過包埋料進一步清除。 (3)引弧熔解：採用非自耗電極電弧加熱的凝殼熔鑄法，以高頻電引弧，直 流電弧加熱，大電流通過被電離的氬氣和鈦錠，使鈦料熔化。 (4)鑄造：當鈦料全部熔化，瞬時停止充氬氣(鑄圈內接近真空)，電弧未停止離心鑄造即開始。 (5)飛輪儲能釋放：飛輪提前蓄能，當離合器結合時，旋轉體突發性轉動， 熔化的鈦液高速射人鑄腔，充滿鑄模腔內。 (6)氬氣加壓：當鈦液進入鑄道模腔尚未凝固前，即以壓力為0.3MPa的氬氣 加壓，而鑄模腔外部仍在抽氣，通過包埋料的透氣性吸引鈦液，減少腔內的余氣 和包埋料受熱發生的氣體，防止鑄件發生氣泡。 (二)技術參數 1〃電源 220／380V，50Hz。 2〃功率 80kW。 3〃熔解電流 50～300A。 4〃氬氣壓力 0.3～0.4MPa。 5〃最大熔金量40g。 6〃熔解時間 90秒。 (三)使用方法 1〃手動(目測)方式 (1)打開氬氣瓶氣閥旋鈕，並調整氬氣的壓力至0.31MPa。 (2)打開電源：包括電壓裝置、鑄造主機電源、真空泵電源。 (3)按下啟動鍵，保護窗自動打開，鑄造臂旋轉至水平位置，照明燈亮。 (4)檢測真空加壓系統：按下真空檢測鍵，真空值會升高至正常。 (5)檢查鑄腔：打開鑄腔按下加壓檢測鍵，檢測到有氬氣噴出。檢查鑄腔的 墊圈是否有傷痕，調整旋臂與空腔內邊緣之距離為50cm。 (6)確定電流值：根據鑄造合金的類別，設定其相應的電流。 1)貴金屬：40～50A。 2)鎳鉻合金：100～150A。 3)鈦：280A～300A。 (7)選擇坩堝：根據不同的金屬，使用不同的石墨坩堝，按照需要量放人適 量所鑄造金屬於坩堝內。 (8)調整電極棒至所需位置，固定旋鈕。 (9)安置鑄型：放人專用的鈦鑄型固定位置，關閉鑄造室，並旋緊頂蓋旋鈕。 (10)檢查密封性：按下密封檢測鍵，確定其檢測燈是否熄滅，如果燈仍亮， 再次旋緊頂蓋旋鈕，直至燈熄滅。 (11)按下鑄造開始鍵，保護窗關閉，鑄造開始運行，此時，熔解燈亮，觀察 其金屬熔解狀態，當金屬熔融達到鑄造條件時按下鑄造鍵，其離心、加壓、吸引， 開始按程序進行 (12)鑄造結束後，保護窗自動升起，打開鑄造室，取出鑄型與石墨坩堝。 (13)鑄造完成後處理：取出鑄型後，關閉保護窗，分別關閉氬氣壓力閥和氬 氣瓶總閥，關閉變壓裝置電源，關閉鑄造機主體電源。 2〃自動方式 (1)放鑄料於熔金室。 (2)將相應型號的鑄模放人鑄造室內。 (3)在隔離蓋的鑄造室一側放置密封墊圈，並使澆鑄口對准鑄造模。 (4)關閉鑄造室。 (5)調整配重，稱量鑄型及套圈的重量，根據重量調整平衡砝碼，配平離心 臂兩端根據鑄圈的重量用配重加以平衡。 (6)關閉防護罩。 (7)設定相應的熔鑄時間和電流，打開氬氣開關，使輸入氬氣壓力在0.3～0.4MPa之間，一般鑄造時間設置在30～38秒，電流為250A。 (8)啟動按鈕，抽真空，充氬氣，熔鑄自動進行，按下述程序自動開始工作： 抽吸熔金室、鑄造室內的空氣，輸入低壓氬氣，自動啟弧熔金，熔化鈦金屬10 秒後，旋轉電機開始轉動，當熔化鈦金屬達設定時間後，鈦材已完全熔化，旋轉 體與離合器自動咬合，離心臂瞬間以l300r／min的速度開始旋轉，離心臂開始旋轉後，鑄鈦機內的PC機自動切斷熔解鈦料的電源，電機旋轉10秒後自動斷電，旋轉體逐漸停轉。 (9)當其旋轉臂停止運行，鑄造即完成，待旋轉體完全停止後，打開鑄造機 的外門，擰鬆鑄造室後部的密封調節旋鈕，放鬆鑄造室的栓扣使其與熔金室分 開，用鑷子取出坩堝內的殘料，然後打開鑄造室的隔離蓋，用夾子取出鑄型，冷 水急冷鑄型，把旋轉體定在水平位置，鑄造即告完成。 (四)注意事項 1〃設備應符合安裝要求。 2〃氬氣壓力應保持在0.3～0.4MPa之間，否則會損傷設備。 3〃旋轉臂兩端應正確配置，保持水平，若不恰當，旋轉時將產生劇烈振動， 損傷設備。 4〃連續旋轉的時間間隔應按照設定要求操作。 5〃最大熔金量為40g，合金熔解時間為90秒。 6〃鑄造結束，應在真空表和壓力表復位後才能開啟鑄造室。 7〃禁止在未裝鑄模和密封墊的情況下通人氬氣，防治氬氣進人真空系統， 損壞真空儀表。 (五)維護保養 1〃鑄造前每次應檢查真空度和氬氣壓力，以防鑄造失敗。 2〃注意檢查氬氣管道是否通暢及真空泵的濾芯是否正常。 3〃真空泵應保持正確油位，檢查並及時更換鑄造室內的耐熱密封墊圈，保 証有正常的真空度。 4〃保持設備清潔，鑄室內必頇清潔乾淨，檢查並保証過濾器、通氣道及旋 轉槽內清潔無異物，清掃或更換不潔目視鏡。 5〃定期檢查傳動皮帶是否磨損鬆弛，及時調整皮帶鬆緊度並按規定更換皮 帶。 6〃熔化電源回路為大電流回路，各連接處必頇緊固，不得鬆動，防止連接 處發熱產生事故。 7〃在定期檢查時，必頇切斷總電源，檢查絕緣電阻。 8〃及時修正電弧電極，調整石墨坩堝的位置。 9〃按時更換鑄造室內電極棒的瓷性護套。 10〃柱意更換設備規定功率的保險管。 (六)常見故障及排除方法 鈦鑄造機的常見故障及其排除方法見表3－4。 表3－4 鈦鑄造機的常見故障及其排除方法 鑄造室電弧產生不穩定 電極棒尖端呈圓形 調磨其尖端成90度 真空度不夠 真空泵濾芯阻塞 更換濾芯 發出異常聲音 氣路不暢，氬氣管扭轉或擠壓 檢查糾正管道 電弧不能產生 變壓裝置異常燈亮 確定電壓和溫度 不能啟動變壓裝置 確定變壓裝置打開否 熔解金屬困難 電板距離未達要求 按標准檢測調整電極距離 與坩堝電極接觸不良 調整其安放位置 氬氣量過少 加大流量或更換氳氣瓶 旋轉鑄造臂有異常雜音 旋轉槽有異物污染 清除污染 未調整平衡臂 調整其平衡臂至標准狀態 鑄腔密封鍵燈亮 鑄腔密封不良 調整密封狀態 鑄圈底面不平 包埋時去底面 鑄腔密封墊圈或橡膠圈破損 更換墊圈或橡膠圈 變壓裝置異常燈亮 電壓不穩或溫度過高 穩定電壓及10分鐘後再詴 熔解時，目視看不清 目視窗有污物 目視窗有污物 四、國過外各類型純鈦鑄造機簡介 1〃鈦奴瑪鑄造機TITANIUMER 日本產的鑄鈦系統，採用氬弧熔解鈦塊，利用 離心 力使熔解鈦注入室溫鑄型。 2〃奧托凱AUTOCAST HC－? 日本產的一型氬弧熔解全方向加壓鑄鈦 機。 3〃卡瑪迪鑄鈦機CASTMATICS 日本產的銅質底部開孔坩堝，兩室加壓同 時吸引式鑄鈦機。 4?塞科拉鑄鈦機CYCLARC 日本產的兩室差壓鑄鈦機。 國外各型純鈦鑄造機簡介見表3－5。 表3－5 國外各型純鈦鑄造機簡介 氬氣 含鋯的感應 氣壓 一室 ARVARTRONPC305T Asahivest D 鑄型 AUTOCASTHC－? 氬氣 銅 電弧 氣壓 一室 T-Invest 氬氣 銅 電弧 加壓吸引 二室 CASTMATICS Ti Tanmold 氬氣 電弧 加壓吸引 二室 CYCLARC Titavest MZ 氮氣 電弧 離心(水平) 二室 TICASTSUPERR Selevest CB 氬氣 氧化鎂 電弧 離心(垂直) 二室 TITANIUMER 2000VF Titanium VestEX 氬氣 銅 電弧 離心(垂直) 二室 TYCAST3000 Tycast 五、國產LZ-?型牙科鑄鈦機的操作步驟和注意事項 Investmant (一)操作步驟 1〃開啟電源，預熱3～5分鐘。打開輸入惰性氣體的閥門，從烤箱中取出鑄 型，進行稱量後放人鑄造室內，調整其至適當的位置。 2〃在熔金室的坩堝內放人適量的鈦或鈦合金錠，調整鎢電極之間的距離， 使之在4.5～5mm之間，以獲得最佳的弧熔距離。 3〃將密封圈放置在熔金室與鑄造板之間的隔離板上。 4〃關閉熔金室與鑄造室之間的鎖緊裝置，旋緊鑄造室的鑄型緊固旋鈕，使 鑄型與隔離板緊密接觸，形成各自封閉的熔金室和鑄造室。 5〃調整鑄造室旋轉臂的平衡砝碼，使旋轉臂兩端達到平衡。 6〃根據鈦錠的重量，在調節器上調整好熔金時間，即可按自動熔金按鈕， 此時該機按預定程序開始工作，當使用自動程序進行鑄鈦時，I、?、?、?信號燈，依次顯示抽真空、通氬氣、熔煉、鑄造四個過程，如果進行過程中出現異 常情況，可按“自動停止”按鈕，程序可中斷，電機停轉。 7〃當離心臂停止轉動後，打開鑄造機門，旋鬆鑄型緊固旋鈕，打開熔金室 與鑄造室之間的鎖緊裝置，取出鑄型，馬上放置冷水中急冷鑄件。 8〃用鑷子取出存留在鑄造室坩堝內的殘余鈦料，整個鑄造工作即告完成。 (二)使用注意 1〃注意檢查鎢電極尖端情況，使電極的尖端隨時處於尖銳狀態，以利引弧。 2〃注意調整好平衡配重。 3〃機器在工作時應注意觀察下列指標 (1)真空度：?-0.095MPa。 (2)惰性氣體的壓力：熔化合金時0.08～0.1MPa。鑄造時0.3～0.4MPaA。 (3)電弧是否正常，電流應控制在230～250A。 4〃禁止在未放置鑄型及密封墊的情況下輸人氬氣，以免沖壞真空表。 5〃禁止在旋轉臂未停止轉動前重復啟動引弧裝置，不要打開防護罩。 6〃禁止超過規定電流長時間熔化合金。 7〃每次鑄造應間隔一定時間5～10分鐘，充分冷卻，以免燙壞鑄造室與熔 金室的密封橡膠圈。 8〃每次鑄造後應及時取出鑄型和殘留在坩堝內的鈦料，必要時清潔熔金室 內的殘渣及黏附在隔離板上的包埋料。