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(1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.蕪湖泓鵠材料技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241009；3.蕪湖冠鋒模具塑料有限公司，安徽 蕪湖 241100)

消失模鑄造是一種近無余量、環(huán)保綠色、表面光潔度高和設(shè)計(jì)自由度高的液態(tài)金屬精確成型技術(shù)，被譽(yù)為“21世紀(jì)的新型鑄造技術(shù)”“鑄造中的綠色工程”[1-2]．而在消失模鑄造過程中，要想獲得尺寸精度高、表面光潔度高的鑄件，模樣材料和高質(zhì)量的模樣至關(guān)重要．不能生產(chǎn)高質(zhì)量的模樣，就無法保證得到高質(zhì)量的消失模鑄件[3-4]．因此，需要對消失模模樣原材料結(jié)構(gòu)、性能等方面進(jìn)行分析．

目前，國內(nèi)外學(xué)者圍繞消失模模樣原材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能等方面進(jìn)行了大量的研究工作.Xu Q[5-6]等研究了EPS的熱性能和可燃性，發(fā)現(xiàn)微型燃燒量熱法與熱分析之間的關(guān)系．胡仙林[7]研究了STMMA的可燃性，發(fā)現(xiàn)STMMA珠粒灼燒殘余率小于0.7%．HR Azimi[8]等研究了STMMA共聚物和EPS材料的熱解行為，與EPS相比，在同一升溫速率下STMMA在較低溫度下開始分解．周曉光[9]研究了EPS和STMMA的燃燒性能，發(fā)現(xiàn)STMMA比EPS燃燒更完全．HUANG Gang[10]等進(jìn)行了STMMA白模的熱重分析和FTIR分析，為減少碳缺陷提供了依據(jù)．由于目前對EPS和STMMA的燃燒溫度、燃燒時(shí)間以及比表面積和表面結(jié)構(gòu)對其燃燒性能的影響等方面的研究尚不完善，因此研究擬對EPS和STMMA兩種材料的比表面積、熱解性能和燃燒性能進(jìn)行研究，找到在同樣條件(溫度和時(shí)間)下燃燒殘余率較小的消失模原材料，為消失模模樣材料的選擇提供依據(jù)．

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

EPS顆粒(廠家為江蘇嘉盛新材料有限公司)，尺寸為0.8mm；STMMA顆粒(廠家為杭州凱斯特化工有限公司)，尺寸為0.8mm．

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

NOVA 2000e型美國康塔NOVA 2000e比表面積及孔徑分析儀(美國康塔儀器公司);DSC-60A自動差熱熱重同時(shí)測定裝置、DTG-60H微機(jī)差熱天平(日本島津公司)；日本日立S-4800掃描電子顯微鏡(SEM)(日本日立公司)；BSA124S電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司)；KSL-1200X箱式高溫?zé)Y(jié)爐(合肥科晶材料技術(shù)有限公司).

1.3 試驗(yàn)測試方法及過程

(1)殘余率與溫度關(guān)系測試方法.稱量1 g的EPS顆粒放入到3個(gè)坩堝中，然后放入到600 ℃的箱式爐中，保溫1 min后取出空冷，稱量其質(zhì)量W2，坩堝的質(zhì)量W1，從而得出殘留物的質(zhì)量W=W2-W1，依此計(jì)算出3個(gè)坩堝中殘留物所占比例，最后取平均值得出在600 ℃時(shí)的殘余率．同理，改變箱式爐的溫度即可測定EPS和STMMA在不同溫度時(shí)的殘余率．

(2)殘余率與時(shí)間關(guān)系測試方法．按照殘余率與溫度關(guān)系的測試方法，改變EPS和STMMA在箱式爐中的保溫時(shí)間即可測定其在不同燃燒時(shí)間的殘余率．

1.4 表征方法

采用美國康塔NOVA 2000e比表面積及孔徑分析儀測試樣品的比表面積及孔徑；采用日本日立S-4800掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品珠粒的微觀結(jié)構(gòu)；利用DSC-60A自動差熱熱重同時(shí)測定裝置在保護(hù)氣氛和吹掃氣為氮?dú)?，測試時(shí)升溫速率都為30 ℃/min，溫度從室溫升到600 ℃的條件下測試樣品的TG-DTA曲線；通過日本島津DTG-60H微機(jī)差熱天平在保護(hù)氣氛和吹掃氣為氬氣，測試時(shí)以20 ℃/min速率升溫，在室溫升到500 ℃的條件下測試樣品的DSC曲線．

2 結(jié)果與討論

2.1 比表面積及粒徑分析

因?yàn)椴牧系谋缺砻娣e及粒徑與其燃燒性能有關(guān)，故為了測試兩種材料的比表面積及粒徑，對兩種材料進(jìn)行比表面積及粒徑分析，EPS和STMMA的比表面積及粒徑對比如圖1所示.從圖1可以看出，與EPS相比，STMMA珠粒的比表面積更大，且STMMA的表面積平均粒徑和體積平均粒徑都較小．一般來說，珠粒的粒徑越小，比表面積越大，反應(yīng)所需要的活化能越小，而且珠粒與空氣中的氧氣能夠充分接觸，而使珠粒能夠充分燃燒．因此，STMMA的燃燒性能比EPS要好．

2.2 預(yù)發(fā)泡前后珠粒的結(jié)構(gòu)分析

圖4 EPS發(fā)泡后剖面圖圖5 STMMA發(fā)泡后剖面圖

為了研究EPS和STMMA兩種顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對兩種珠粒預(yù)發(fā)泡前后的剖面利用SEM進(jìn)行觀察，如圖2～圖5所示． 從圖2和圖3對比可以看出，EPS顆粒剖面比較光滑，而STMMA顆粒的剖面具有較多的細(xì)小微孔．從圖4和圖5對比可以看出，預(yù)發(fā)泡后的EPS的剖面分布著細(xì)小的孔狀結(jié)構(gòu)，而預(yù)發(fā)泡后的STMMA的剖面具有較多的蜂窩狀結(jié)構(gòu)．這主要是由于STMMA珠粒進(jìn)行預(yù)發(fā)泡需要較大的壓力(0.035～0.04 MPa)，使蒸汽能夠進(jìn)入到珠粒中，從而形成很多較大的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，而EPS采用的是常壓，使蒸汽進(jìn)入到珠粒中形成大量細(xì)小的微孔．

2.3 燃燒性能分析

(1)差熱分析.為了研究EPS和STMMA的熱分解性能，如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，需要對兩種材料進(jìn)行差熱分析，得到的差熱曲線如圖6所示．從圖6中可以看出，EPS的熱分解溫度Td1=450.93 ℃，STMMA的熱分解溫度Td2=430.08 ℃，STMMA的熱分解溫度比EPS低20.85 ℃，因此STMMA在高溫下更容易熱分解放出熱量．在整個(gè)加熱分解區(qū)間，STMMA的吸熱量比EPS要小，因此STMMA在氣化和分解過程中吸收的熱量比EPS要少．

(2)熱失重分析.通過DSC-60A自動差熱熱重儀器對EPS和STMMA顆粒進(jìn)行熱失重分析，分別在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試時(shí)兩種材料的升溫速率都為30 ℃/min，溫度從室溫升到600 ℃，熱失重曲線如圖7所示.從圖7可以看出，EPS在120 ℃左右開始分解，在450 ℃左右完全分解，在300 ℃～450 ℃大量分解，跨度為150 ℃；STMMA在105 ℃左右開始分解，在330 ℃～450 ℃溫度區(qū)間大量分解，跨度為120 ℃．在330 ℃～450 ℃的高速分解區(qū)間，相同溫度下，STMMA比EPS多分解14%左右．

圖6 EPS和STMMA的DSC曲線圖7 EPS和STMMA的熱失重分析曲線

(3)燃燒性能分析.

①殘余率與溫度的關(guān)系.在進(jìn)行消失模鑄造時(shí)，所采用的模樣(EPS或STMMA等)在高溫下燃燒分解，溫度一般在1 000 ℃以上，為了得到在同樣溫度下燃燒較快的材料，對EPS和STMMA兩種材料在600 ℃～1 000 ℃進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，從而得出兩種材料的燃燒規(guī)律．

為了研究EPS和STMMA兩種材料的燃燒性能，分別對兩種材料采用不同的溫度進(jìn)行燃燒，得出了兩種材料燃燒后不同溫度與殘余率的關(guān)系，如圖8所示．從圖8中可以看出，在600 ℃～900 ℃的溫度范圍之間，EPS和STMMA兩種材料的殘余率隨著溫度的增加而減少．在600 ℃～700 ℃之間，STMMA的殘余率減小最快．在700 ℃～800 ℃之間，EPS和STMMA的殘余率減小速率一樣．在800 ℃～900 ℃之間，EPS的分解速率較快，但在同一溫度下，STMMA比EPS的殘余率?。@主要是由于EPS含碳量比較高(高達(dá)92%)，而且分子結(jié)構(gòu)中含有比較穩(wěn)定的苯環(huán)結(jié)構(gòu)(見圖9)，受熱不易分解，在加熱燃燒過程中易于散亂分解，不易瞬間全部氣化，有一部分可能變成不易分解的碳質(zhì)殘余物．EPS在高溫條件下的熱解反應(yīng)[11]為：

C8H8(s)→8C(s)+4H2(g)

而STMMA分子結(jié)構(gòu)中C/H較小(見圖10)，含碳量較低(為69.6%)，以拉鏈?zhǔn)綌嗔训姆绞竭M(jìn)行分解，內(nèi)部具有較多的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，增大了材料與空氣的接觸面積，加快了材料的燃燒，且分子結(jié)構(gòu)中含有氧原子，在加熱燃燒過程中，氧原子與碳發(fā)生反應(yīng)生成氣體，因此殘余物較少．

圖8 EPS和STMMA顆粒在不同溫度下的殘余率圖9 EPS分子結(jié)構(gòu)圖10 STMMA分子結(jié)構(gòu)

②殘余率與燃燒時(shí)間的關(guān)系.為了研究EPS和STMMA兩種材料燃燒后的殘余率與燃燒時(shí)間的關(guān)系，分別對兩種材料采用同一溫度、同一燃燒時(shí)間進(jìn)行燃燒，得出了兩種材料燃燒后不同燃燒時(shí)間與殘余率的關(guān)系如圖11所示.從圖11中可以看出，溫度為600 ℃時(shí)，隨著燃燒時(shí)間的增加，兩種顆粒的殘余率總體上逐漸減少，但STMMA的殘余率減少更快．溫度為800 ℃時(shí)，STMMA比EPS殘余率低；在1～2 min內(nèi)，EPS的殘余率減小的速率較快；在2～3 min之間，EPS繼續(xù)逐漸減少，而STMMA殘余率沒有變化，還是1%；在3～4 min之間，STMMA已經(jīng)燃燒完了，而EPS還有殘余物．溫度為1 000 ℃時(shí)，STMMA的殘余率總是比EPS小，且完成燃燒所需時(shí)間比EPS短得多．這主要是由于預(yù)發(fā)泡前后STMMA的表面具有較多的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，含碳量較低，且其分子結(jié)構(gòu)中含有氧原子，分解時(shí)吸收熱量較?。虼?，在同一溫度下，STMMA比EPS分解得多，殘余物較少．

圖11 EPS和STMMA顆粒的殘余率與燃燒時(shí)間的關(guān)系

3 鑄造應(yīng)用

為了驗(yàn)證兩種消失模模樣材料對球墨鑄鐵件缺陷的影響，對材質(zhì)為ENJS2070的球墨鑄鐵進(jìn)行澆注，澆注溫度為1 380 ℃～1 420 ℃，負(fù)壓為-0.02 MPa，經(jīng)過解箱→粗修→精修→退火工序，最后對鑄件進(jìn)行機(jī)加工，底面加工情況如表1所示．從表1中可以看出，用EPS模樣生產(chǎn)的球墨鑄鐵件底面機(jī)加工16～17 mm時(shí)仍有黑渣，且分布較廣，而采用STMMA模樣的鑄件較EPS件有較大的變化，機(jī)加工5 mm左右就無黑渣，底面的殘?jiān)毕菰诜植紖^(qū)域和嚴(yán)重程度上大幅度減少，鑄件的外觀質(zhì)量得到整體提高．

表1 機(jī)加工內(nèi)部黑渣分布

4 結(jié)論

與EPS相比，STMMA的比表面積較大、粒徑較小，有較多的蜂窩狀微孔，在高溫下燃燒得更充分，殘余物較少；STMMA的熱裂解溫度和吸收熱量較EPS低，且在同一燃燒時(shí)間或同一溫度下，STMMA比EPS燃燒得快；采用STMMA模樣生產(chǎn)的鑄件經(jīng)機(jī)加工后，底面的黑渣缺陷較EPS在分布區(qū)域和嚴(yán)重程度上大幅度減少．

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