熔模铸造型壳制造与增强快干硅溶胶

作者：清华大学 吕志刚 闫双景 崔旭龙 姜不居

欢迎访问e展厅 展厅 11 铸造机械/压铸设备展厅 造型机, 压铸机, 消失模铸造设备, 混砂机, 烘砂机, ... 摘要：熔模铸造是生产精密铸件的一种先进工艺，硅溶胶是影响型壳质量的重要因素。增强快干硅溶胶有利于缩短制壳周期，提高制壳效率。同时提高型壳的常温强度，对避免型壳开裂有积极作用。 关键词：熔模铸造，型壳，硅溶胶，增强 熔模铸造的基本特征是采用易熔材料为模样，以耐火材料为铸型，浇注前熔出模样而形成铸型空腔。早在3000年前，该工艺已经被用来铸造工艺品。第二次世界大战期间，由于军事工业的需要，美英等国用熔模铸造的方法生产涡轮喷气发动机的静叶片，从而将该工艺推向工业领域，并在半个多世纪里得到不断发展和提高。熔模铸造的生产工序繁多，从蜡模、型壳、浇注，一直到清理，是一个紧密的链条，任何环节出现问题都直接影响到最终铸件的成形和质量，需要特别加强工艺的控制与研究。 1．制壳工艺的重要性 所有生产工序中，蜡模制造和型壳制造是反映熔模铸造自身特色的两个工艺环节，需要在工艺研究中特别给予关注。 近些年来，世界范围的熔模铸造工艺在蜡模制造方面取得了长足的进步，生产者可以通过选择合适的模料和采用现代化的工艺装备保证蜡模的尺寸精度和表面质量。同时，与熔模铸造的后续制造过程相比，蜡模制造相对独立，可以通过外观检查和尺寸测量等手段筛除不合格品，避免继续生产而增加损失。 进入到型壳制造环节，与铸件最终质量相关的表面质量和尺寸精度等信息则被隐藏起来，直到铸件被清理出来之前，型壳内腔质量的变化可以看成一个“黑箱”，制造环节中无法直接观察其尺寸及质量的变化，只有对型壳的制造工艺与缺陷的关系了解得更加清楚，才能保证整个生产流程的可控性。更为重要的是型壳作为铸件成形的直接型腔，其性能最终影响液态金属的成形质量。因此，人们非常关注熔模铸造的制壳过程。在国际重要的熔模铸造专业会议——美国熔模铸造协会ICI每年一度的技术会议上，型壳研究始终是受关注的热点，有1/3左右的论文与型壳有关，说明型壳制造技术发展对熔模铸造的重要性。 在国际上通用的熔模铸造制壳工艺中，硅溶胶型壳由于环保优势占据了主导地位，但其同样需要面对激烈市场竞争的挑战：一方面是要适应航空航天及军工领域提出的更大、更薄、更复杂铸件的质量要求；另一方面对于大量民用产品而言，缩短生产周期，提高市场反应能力也成为当务之急。 2．型壳技术的发展对新型硅溶胶研制提出的要求 2.1满足复杂熔模铸件对硅溶胶型壳的要求 要制造出大型、薄壁、复杂铸件的型壳，一方面需要解决型壳制造能力的问题，比如适合大型型壳操作的装备，包括制壳机械手、脱蜡设备等。 另一方面，最终型壳在强度、抗变形能力和尺寸精度等性能方面有更高的要求，特别是型壳的强度和抗变形能力是浇铸大型熔模铸件的基础。只有在保证型壳这方面的性能要求，使铸件正确成形，才能进一步提到铸件尺寸精度问题。 硅溶胶型壳的强度按照其所受热作用不同，可以分为常温强度、高温强度和残留强度。常温强度是要保证在制壳和脱蜡过程中型壳的完整性。高温强度则是要保证型壳在焙烧和浇注过程不被破坏。高温强度固然重要，但实验测定，经过950℃以上的高温焙烧后，硅溶胶的型壳强度可以达到7~14MPa，超过硅酸乙酯的6~8MPa，完全能够满足熔模铸造工艺的要求，反而是随着高温强度的提高，残留强度也提高，造成铸件清壳困难，需要适当降低。与硅酸乙酯相比，硅溶胶型壳的弱点在于常温强度相对低，从而当型壳做大和变复杂以后，容易造成制壳和脱蜡时型壳开裂或变形，影响铸件最终的表面质量和尺寸精度。因此，提高硅溶胶的常温强度已成为推广和发展硅溶胶型壳工艺的重要任务，也是研究新型硅溶胶的重要目标。 2.2 提高熔模铸造效率对硅溶胶发展的要求 相对于大型复杂薄壁铸件而言，民用产品对铸件质量要求低。但是，针对后者，缩短生产周期，提高生产效率的问题则变得更为突出。普通硅溶胶的胶凝过程主要依靠硅溶胶脱水干燥，比采用化学硬化的硅酸乙酯胶凝所需时间长。硅酸乙酯型壳采用氨干每层可以在2h左右完成硬化，而硅溶胶最终硬化则一般需要12h以上，对于一些深孔等难以干燥的部位则需要更长的时间。同时，由于熔模铸造型壳需要分层制造，每一层都需要干燥充分，保证下层制壳浸涂料时不会造成回溶脱落的问题，而浸涂料本身，水分会浸入已干燥的型壳内，从而造成整体干燥周期长。图1是一般情况下硅溶胶型壳熔模铸件生产周期的示意图。从图中可以看出，制壳的时间占整个铸件生产周期的50%以上。要缩短产品的交货时间，缩短制壳周期是问题的核心环节。而缩短制壳周期的关键因素可分为内因和外因两个方面，内因主要为粘结剂特性，外因则为干燥条件。 作为内因的硅溶胶粘结剂的研究除了前面提到的提高胶凝后的常温强度，“快干”也成为重要的研究方向，不断的研究又发现“增强”和“快干”目标能够有机地统一。 3．“增强”与“快干”硅溶胶 为了实现加快硅溶胶胶凝速度的目的，对普通硅溶胶胶粒表面进行改性是方法之一。改性后的硅溶胶胶体Zeta电位下降，胶粒间相互斥力有所减弱，从而加快了胶凝速度。但在工业应用中，硅溶胶产品的稳定性和必要的保存期不容忽视，因此通过改性提高硅溶胶胶凝速度必须适度，进一步的发展需要结合其他方法。 实际上，硅溶胶型壳制备过程是型壳内粘结剂建立强度的过程。在使用普通硅溶胶涂料制壳时，只有每层进行充分的干燥，才能保证在进行下一层制壳时不出现回溶和强度降低的现象。而如果能够能使型壳提前达到满足继续制壳的强度，则可能缩短层间干燥时间，进而缩短整体制壳周期。向硅溶胶中添加合适的高聚物是达到上述目的的途径。 填加了分子形态为长链状高聚物的硅溶胶，在脱水胶凝的过程中，由于高聚物分子链相互纠缠作用，促进了硅溶胶胶团彼此靠近，加快了胶凝过程。实验证明，在高聚物作用下，硅溶胶在较少的水分蒸发量下，SiO2胶体胶凝过程就得以开始。同时由于高聚物水溶液本身也是粘结剂，可以在硅溶胶胶凝过程中起到物理增强的作用，与普通硅溶胶相比，型壳内的硅溶胶在还没有达到“完全”胶凝前就可以制下一层，而不会出现型壳脱落，这样大大缩短了层间干燥时间，从而“快干”。 在实现“快干”目标的同时，高聚物对最终制得型壳的常温强度也实现了“增强”。由于有机高聚物的成膜性好，能改善粘结剂在粉、砂中的包覆状况，提高了型壳的整体强度。图2为型壳断面电子显微镜照片。图2a）为粘结剂中无高聚物时的情况，图2b）为粘结剂中有高聚物时型壳的照片。比较图2a）和b），从两张照片可以比较出，由于高聚物优良的成膜性能，使得粘结剂在型壳b）的耐火材料之间形成更为均匀而连续的胶膜，提高了整体的粘结效果，最终使型壳建立了更高的常温强度。所添加高聚物的良好韧性也有利于降低型壳的开裂倾向。 通过对硅溶胶进行改性以及添加高聚物而获得的新型硅溶胶具有“快干”和“增强”的双重功效，对我国硅溶胶制壳技术的发展具有积极意义。在增强方面，我国目前的许多硅溶胶型壳企业存在面层型壳开裂而造成铸件毛刺的缺陷，严重影响铸件的一次成品率的提高。型壳常温强度低是造成该问题的原因之一，制壳中采用增强硅溶胶在一定程度上有利于问题的解决。同时，高聚物在高温下被烧除，残留强度得以降低，型壳透气性相对也较好。国外一些资料也明确指出，制作面层硅溶胶应比背层具有更高的常温强度，以防止面层型壳开裂。 4．FS系列快干增强硅溶胶 清华大学和上虞宇达化工有限公司经大量实验研究，对硅溶胶进行表面改性和加水溶性高聚物，研制得到碱性FS-II、FS-III增强快干硅溶胶。两种新型硅溶胶与普通硅溶胶GS-30快干硅溶胶的性能比较见表1。 在制壳环境温度24±2℃、相对湿度40-65%、风力4-6m/s条件下，FS-III型增强快干硅溶胶的层间干燥时间可缩短到1h，FS-II型增强快干硅溶胶制壳的层间干燥时间为2h。 选用国际知名的增强快干硅溶胶作对比，采用同类国产耐火材料配涂料，用同样的制壳工艺参数制壳。三种增强快干硅溶胶型壳性能见表2。从数据来看，FS-III所制型壳在干燥时间和型壳性能上均接近国际知名的增强快干硅溶胶。 5．结论 （1）提高制壳效率和改善型壳性能是硅溶胶型壳发展的重要方向。 （2）增强快干硅溶胶在实现快速制壳的同时，也提高了型壳的常温强度，有利于减少型壳开裂造成的铸件次品。 （3）清华大学和上虞宇达化工有限公司通过对硅溶胶进行胶体改性和添加高聚物，研制成功了增强快干硅溶胶。 参 考 文 献 [1] 中国铸造协会编；熔模铸造手册。 北京: 机械工业出版社,2000 [2] 熔模精密铸造编写组；熔模精密铸造。北京: 国防工业出版社, 1981(end)

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