張守軍

河南天緣精工模具股份有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000

1 序言

近年來，隨著社會(huì)對“近無余量”“零缺陷”零件需求的不斷提高，以及對環(huán)保的日益重視，鑄造技術(shù)也日趨向“綠色化”“精密化”“輕量化”的方向發(fā)展，是鑄件生產(chǎn)不斷追求的目標(biāo)[1，2]。泡沫消失模空殼鑄造新工藝，是在泡沫消失模鑄造的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它與原有消失模鑄造的區(qū)別是泡沫模提前經(jīng)過裂解、氣化后，將空殼埋入砂箱進(jìn)行澆注[3]。消失?？諝よT造綜合了砂型鑄造、壓力鑄造、熔模鑄造及消失模鑄造等技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可用于生產(chǎn)高質(zhì)量、大尺寸、復(fù)雜薄壁合金精密鑄件。

消失?？諝よT造用涂料是鑄造過程中的關(guān)鍵，直接影響鑄件的質(zhì)量和隨后的落砂清理工作[4]。當(dāng)金屬液澆入型腔并接觸到消失模空殼時(shí)，在涂料和金屬液界面之間會(huì)產(chǎn)生各種物理及化學(xué)作用，這就要求涂料不但具有一定的強(qiáng)度，而且還要有良好的透氣性，以防止?jié)沧⑦^程中產(chǎn)生塌箱、氣孔、夾雜等缺陷[5]。由此可以看出，消失?？諝よT造涂料的高溫透氣性和高溫強(qiáng)度是評價(jià)涂料優(yōu)劣的關(guān)鍵。

本研究以河南天緣精工模具股份有限公司下屬河南天聚緣新材料科技有限公司生產(chǎn)的消失模空殼鑄造專用涂料為研究對象，分析了涂料高溫透氣性和高溫彎曲強(qiáng)度，為涂料成分優(yōu)化和推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

2 試樣制備

本研究中的消失模空殼由面層和背層組成，其中面層涂料采用鋯英粉作為主要耐火填料，平均粒度直徑為150～800μm。黏結(jié)劑采用硅溶膠，鋯英粉粉液比為2.5～3.5；背層涂料采用石英粉作為主要耐火填料，平均粒度直徑為300～800μm，同時(shí)添加少量氧化鐵粉、鈉基膨潤土、羧甲基纖維素鈉，黏結(jié)劑為硅溶膠和少量α淀粉，石英粉粉液比為1.5～2.5。由于生產(chǎn)過程中主要采用一層面層和多層背層的方式，因此制備的消失?？諝ぐ艘粚用鎸雍筒煌硨樱唧w層數(shù)組成見表1。

表1 消失模涂料空殼試樣

準(zhǔn)備透氣性試樣時(shí)，將陶瓷管插入φ37mm的泡沫球中并用膠固定陶瓷管和泡沫球，如圖1所示。

圖1 透氣性試樣用陶瓷棒和泡沫球

將涂料涂覆到泡沫球上的過程：第一步，將泡沫模樣浸入到面層涂料中，保證泡沫球表面均勻地掛滿涂料，然后在40℃下風(fēng)干≥3h；第二步，將涂有面層涂料的風(fēng)干模樣浸入到攪拌好的背層涂料中，保證表面掛滿涂料，然后在50℃下風(fēng)干≥3h；第三步，按背層層數(shù)要求，重復(fù)第二步過程。

高溫彎曲試樣同樣按上述步驟制備完成。透氣性殼型試樣和高溫彎曲強(qiáng)度殼型試樣的制備過程，如圖2所示。

圖2 透氣性試樣和彎曲試樣制備過程

制備出不同背層數(shù)量的透氣性試樣和彎曲試樣后，還需要在300℃下加熱30min，使泡沫氣化，接著升溫至900℃保溫30min，使涂料燒結(jié)，完成制殼過程。最終燒制完成的透氣性試樣和彎曲試樣，如圖3所示。

圖3 燒制完成的透氣性試樣和彎曲試樣

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 涂料透氣性

消失?？諝ね笟庑阅軝z測原理如圖4所示。在試樣中通入恒定壓力的氣體，當(dāng)氣體通過空殼時(shí)壓力降低，用壓力差、結(jié)合流量、時(shí)間及殼厚度等因素，來表征涂料的透氣性。

圖4 透氣性檢測原理

測量透氣性時(shí)，首先將試樣放入加熱爐中，然后將壓縮空氣壓力調(diào)整至0.1～0.15MPa，再以20℃/min的速度升溫至測量溫度，保溫10min后測定氣體流量，最后按式（1）計(jì)算試樣的透氣性。

按上述流程測量了涂料空殼試樣在25℃的室溫透氣性和1250℃的高溫透氣性，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著涂料厚度的增加，消失?？諝?5℃室溫透氣性數(shù)值在0.5～0.6m4/（N·min）之間變化，室溫透氣性整體變化不大。涂料高溫透氣性隨著厚度的增加而增加，當(dāng)背層從4層增加至5層、7層時(shí)，透氣性數(shù)值從0.47m4/（N·min）增加到0.58m4/（N·min），再到0.83m4/（N·min），整體呈現(xiàn)出線性變化的趨勢。需要指出的是，試樣背層為6層時(shí)的透氣性特別高，究其原因是由于制樣過程中殼有裂紋等漏氣點(diǎn)存在所致，屬于異常數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步補(bǔ)充試驗(yàn)數(shù)據(jù)。不過從現(xiàn)有透氣性數(shù)值的變化規(guī)律可以看出，隨著消失涂料模殼厚度的增加，透氣性整體呈線性變化。

圖5 涂層厚度對涂料空殼透氣性影響

另外，筆者還對本研究的消失?？諝ね苛贤笟庑耘c其他單位研究的涂料透氣性[6-10]進(jìn)行了對比分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，本研究的消失?？諝よT造用涂料透氣性要好于多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道中的透氣性能。

圖6 不同類型消失?？諝ね笟庑詫Ρ?/p>

3.2 涂料高溫強(qiáng)度

試驗(yàn)中測量了25℃室溫、900℃和1250℃不同溫度下的消失模涂料空殼強(qiáng)度，結(jié)果如圖7所示。

圖7 涂料空殼不同溫度抗彎強(qiáng)度

從圖7可以看出，隨著溫度的升高，消失模涂料空殼的強(qiáng)度整體呈下降趨勢。涂料空殼抗彎強(qiáng)度在25℃和900℃時(shí)，隨著模殼厚度的增加變化不大，基本保持不變。涂料空殼25℃室溫條件下的強(qiáng)度為3.5MP左右，當(dāng)溫度升高到900℃時(shí)，強(qiáng)度在2.5～3.0MPa。而1250℃高溫強(qiáng)度，隨著涂料空殼厚度的增加則呈現(xiàn)出上升的趨勢。分析原因，筆者認(rèn)為，在涂料空殼厚度小時(shí)，模殼內(nèi)部的缺陷對性能的影響效果更大；當(dāng)厚度增加時(shí)殼內(nèi)部缺陷的影響效果降低，且涂料空殼中的微孔對裂紋擴(kuò)展也會(huì)起到阻礙效果，從而使高溫強(qiáng)度增加；但當(dāng)涂料空殼厚度繼續(xù)增加，其強(qiáng)度的變化趨勢如何，還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

綜合對比分析涂料空殼透氣性和抗彎強(qiáng)度的變化趨勢，結(jié)果如圖8所示。

圖8 消失模涂料空殼透氣性和強(qiáng)度變化

從圖8可以看出，隨著厚度的增加，涂料空殼室溫強(qiáng)度性能和透氣性趨于穩(wěn)定，室溫抗彎強(qiáng)度穩(wěn)定在3.71MPa，室溫透氣性數(shù)值在0.58m4/（N·min）左右。涂料空殼高溫強(qiáng)度和高溫透氣性隨著厚度的增加而增加，這充分說明本研究的消失?？諝ね苛暇哂辛己玫母邷匦阅?。

正常情況下，隨著厚度的增加涂料空殼強(qiáng)度呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢，但本研究中的室溫強(qiáng)度隨著厚度的增加趨于穩(wěn)定狀態(tài)。分析原因，筆者認(rèn)為，一般來說在室溫理想條件下，涂料空殼的力學(xué)性能應(yīng)是均勻一致的，但是制備涂料空殼過程中會(huì)受到涂料漿料黏度、人工操作、放置時(shí)間等因素的影響。在厚度較薄時(shí)制備空殼的過程，內(nèi)部會(huì)形成細(xì)小孔洞，表面也粗糙不平。而上述這些缺陷會(huì)隨著空殼厚度的增加而減小，使孔洞、表面凹凸不平等因素的不利影響逐漸消失。最終，所測得的涂料空殼的力學(xué)性能趨于穩(wěn)定的理想狀態(tài)。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，圖5中15#、16#模殼具有良好的澆注前強(qiáng)度和澆注后的潰散性，工件表面質(zhì)量良好。圖9所示為采用15#模殼工藝生產(chǎn)的鑄件，模殼在工件冷卻過程中可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫落。

圖9 消失?？諝よT件實(shí)物

選擇空殼厚度時(shí)，在保證室溫強(qiáng)度的前提下，要綜合考慮空殼澆注后的潰散性，即脫殼性能，低的高溫強(qiáng)度有利于試樣脫殼?？紤]到生產(chǎn)過程中的制殼成本，在本研究中，可以采用15#或16#號(hào)試樣厚度模殼。

4 結(jié)束語

通過分析不同厚度消失模涂料空殼的透氣性和抗彎強(qiáng)度，具體結(jié)論如下。

1）消失模涂料空殼高溫透氣性隨著厚度的增加呈線性變化，空殼背層從4層增加至5層、7層時(shí)，透氣性數(shù)值從0.47m4/（N·min）增加到0.58m4/（N·min），再增加到0.83m4/（N·min）。

2）消失模涂料空殼室溫透氣性隨著厚度的增加變化不大，穩(wěn)定在0.58m4/（N·min）左右。

3）隨著厚度的增加，消失模涂料空殼室溫強(qiáng)度變化不大，高溫強(qiáng)度呈線性增加。

4）綜合考慮制樣成本、強(qiáng)度、透氣性和潰散性因素，在制備消失模涂料空殼時(shí)，建議面層采用1層、背層采用5層或6層的結(jié)構(gòu)，厚度為4～5mm。