自硬芯料的固化工藝

自硬芯料的固化工藝

在鑄造和精煉過(guò)程中，復(fù)雜和狹窄的鑄造芯通常由陶瓷芯制成，但陶瓷芯必須采用熱壓注法形成。這需要一個(gè)高成本的設(shè)備和非常嚴(yán)格的工藝控制。它通常用于航空行業(yè)和軍事行業(yè)，但很少在大型精造廠和民用產(chǎn)品中使用。為了大批量生產(chǎn)具有狹窄內(nèi)腔的熔模精鑄件,四川大學(xué)材料成型及控制工程系的科研人員與成都精芯鑄造新材料有限公司(原成都高新區(qū)新型精鑄材料廠)合作,針對(duì)一般熔模精鑄廠的設(shè)備和生產(chǎn)工藝條件,開發(fā)出了可用于熔模精鑄預(yù)制芯的制芯材料和工藝——澆注成形磷酸鹽自硬工藝。1熔模鑄造型芯的研發(fā)以高純度SiO2為骨料,以水溶性磷酸鹽為粘結(jié)劑,以金屬氧化物如氧化鎂為固化劑,同時(shí)含有多種微量改性劑。按一定比例把這種芯料與水(或硅溶膠)混合攪拌,即可成為具有很好流動(dòng)性的漿料,漿料澆注后約10min會(huì)自硬成形。硬化機(jī)理是形成了含水磷酸鹽結(jié)晶體,這種結(jié)晶體能承受蒸氣和熱水的蒸煮而不溶化溶脹,在加熱失水后仍能保持原有的形狀并具有很高的耐火度。型芯的表面可以十分光潔,經(jīng)適當(dāng)處理后具備熔模鑄造精密預(yù)制芯所需的性能。商品化的芯料型號(hào)有JX、JX-2、JXR和JXR-2。其中JX系列經(jīng)濟(jì)實(shí)用,但型芯的熱膨脹率較大,僅適合于制作要求不高的型芯。JXR系列和JX系列相比,具有較低的熱膨脹系數(shù),所制得的細(xì)薄復(fù)雜型芯抗熱震能力較強(qiáng)。2芯生產(chǎn)工藝2.1攪拌時(shí)漿料的量對(duì)粘結(jié)劑性能的影響根據(jù)型芯形狀對(duì)漿料流動(dòng)性和漿料工作時(shí)間的要求,每100g芯料,JX系列加水(或硅溶膠)14~18mL,JXR系列加水19~22mL。加水量增加可以提高漿料的流動(dòng)性,增加漿料的可工作時(shí)間。人工攪拌需要2min左右,也可以采用小型高速攪拌機(jī)攪拌,攪拌時(shí)間可以縮短到0.5~1min。充分的攪拌有利于粘結(jié)劑完全溶解,能明顯提高漿料的流動(dòng)性和型芯的強(qiáng)度。在生產(chǎn)中有時(shí)出現(xiàn)的流動(dòng)性不佳和強(qiáng)度偏低,常常是由于攪拌不充分造成的。攪拌完成后,可輕微振動(dòng)或傾斜晃動(dòng)漿料,讓氣泡充分上浮并去除上浮的氣泡。采用真空攪拌機(jī)可以徹底地消除漿料中的微小氣泡,明顯提高鑄件的內(nèi)腔表面質(zhì)量。2.2澆注方位時(shí)的控制把漿料澆入一次性蠟質(zhì)芯?；蛞允嘧鲃傂酝饪虻墓柘鹉z芯盒。確定澆注方位時(shí)應(yīng)盡量避免在澆注漿料的過(guò)程中憋氣,澆注時(shí)對(duì)芯模施加輕微振動(dòng)有助于提高漿料的充型能力。采用常規(guī)的壓制蠟?zāi)９に嚫咝蚀笈康刂迫∫淮涡缘南炠|(zhì)芯模。脫蠟后的蠟料可以用常規(guī)方法回收。2.3脫蠟、脫色、型芯的制備正常情況下,20min以后漿料就已固化。1~2h后型芯強(qiáng)度已比較高。可以采用常規(guī)的蒸氣脫蠟或熱水脫蠟使型芯脫模。用水調(diào)拌漿料制得的型芯可以長(zhǎng)時(shí)間耐熱水煮。用硅溶膠調(diào)拌漿料制得的型芯由于含水硅凝膠的存在,在徹底干燥前不耐水煮,容易在熱水中潰散,因此只能采用在蠟液中脫?；蛘魵饪焖偃巯灻撃?。2.4通過(guò)預(yù)焙燒防止變形的措施對(duì)于細(xì)、薄、形狀復(fù)雜的型芯,與熱壓注陶瓷芯類似,通常需要浸漬硅溶膠進(jìn)行強(qiáng)化,以得到足夠的強(qiáng)度。表面有蠟的型芯,無(wú)法吸入硅溶膠,需要在浸漬強(qiáng)化前進(jìn)行預(yù)焙燒,以燒除殘蠟,增大型芯材料的孔隙率,提高浸漬強(qiáng)化的效果。預(yù)焙燒溫度為400~800℃,為防止細(xì)、薄、形狀復(fù)雜的型芯變形,可以裝入匣缽中,用熱膨脹較小的鋁礬土砂或莫來(lái)砂填充振實(shí),以防止變形。這類似于填料燒結(jié)熱壓注陶瓷芯,但加熱溫度低得多,同時(shí)由于焙燒過(guò)程中型芯始終具有較高的強(qiáng)度(通常高于水玻璃砂芯),所以很容易避免變形和損壞。保溫時(shí)間視裝料多少而定,通常為幾h。經(jīng)預(yù)焙燒的型芯,浸漬硅溶膠進(jìn)行強(qiáng)化。通常1~2次強(qiáng)化即可。對(duì)于細(xì)、薄型芯,第一次浸漬一定要快,因浸漬后濕型芯的強(qiáng)度較低,不宜浸透,否則在后來(lái)的操作中容易變形或損壞。浸漬后型芯須烘干。對(duì)于易變形的細(xì)、薄、形狀復(fù)雜的型芯,第一次浸漬后烘干也應(yīng)填砂約束。經(jīng)第一次浸漬強(qiáng)化并已烘干的型芯,若需進(jìn)一步提高強(qiáng)度,可以進(jìn)行第二次浸漬強(qiáng)化。2.5型芯的用蠟加固作為預(yù)制型芯放入壓型壓制蠟?zāi)?過(guò)程同熱壓注陶瓷芯。對(duì)于細(xì)、薄的型芯,為防止由于熱膨脹同型殼不一致導(dǎo)致型芯斷裂,型芯上芯頭部位常常可以浸涂薄薄的一層蠟,這樣在型殼焙燒時(shí)芯頭和型殼之間可以產(chǎn)生一點(diǎn)微小的間隙,防止型芯受力損壞。3型芯的主要性能及其技術(shù)的影響因素3.1預(yù)焙燒、浸漬強(qiáng)化過(guò)程中型芯的力學(xué)性能常溫強(qiáng)度的測(cè)試根據(jù)航空航天工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)HB5353.3-86《熔模鑄造陶瓷型芯抗彎強(qiáng)度測(cè)定方法》進(jìn)行。常溫抗彎強(qiáng)度試樣的尺寸為4mm×10mm×60mm,下支點(diǎn)跨距為30mm,JXR和JX漿料固化成形后的試樣在不同溫度下進(jìn)行2h預(yù)焙燒和硅溶膠浸漬強(qiáng)化后的常溫抗彎強(qiáng)度見表1和表2。表中數(shù)據(jù)一般為10個(gè)以上實(shí)測(cè)值的平均值。由表1和表2可見,型芯徹底固化后即使不強(qiáng)化不焙燒也具有相當(dāng)高的強(qiáng)度,但這種型芯不能使用,因?yàn)殡S型殼焙燒,型芯強(qiáng)度會(huì)下降,且有酥脆感,從表1和表2中可見,700℃焙燒會(huì)使2/3以上的強(qiáng)度喪失,容易斷芯造成鑄件缺陷。采用部分硅溶膠調(diào)拌漿料可以明顯提高型芯預(yù)焙燒后的強(qiáng)度,通常用于不進(jìn)行浸漬強(qiáng)化的場(chǎng)合。經(jīng)過(guò)預(yù)焙燒和硅溶膠浸漬強(qiáng)化后的強(qiáng)度一般隨預(yù)焙燒溫度的提高而增高,這是因?yàn)轭A(yù)焙燒增大了型芯材料的孔隙率,增大了硅溶膠粘結(jié)劑的吸入量。同時(shí),強(qiáng)度也隨強(qiáng)化次數(shù)的增加而增高。和JXR比較,JX試樣隨預(yù)焙燒溫度的提高和強(qiáng)化次數(shù)的增加而強(qiáng)度增高的趨勢(shì)不明顯,強(qiáng)化效果要差得多。這是因?yàn)镴X試樣在焙燒、浸漬強(qiáng)化過(guò)程中,受到反復(fù)的加熱和冷卻,由于較強(qiáng)的熱脹冷縮效應(yīng)造成了微裂紋,抵消了相當(dāng)大的一部分強(qiáng)化效應(yīng)。經(jīng)浸漬強(qiáng)化烘干后的JXR型芯,抗彎強(qiáng)度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)10MPa,與常規(guī)硅基熱壓注陶瓷芯的強(qiáng)度相當(dāng),可以用于制造細(xì)、薄的型芯。另有數(shù)據(jù)表明,改進(jìn)后的JXR-2型芯的強(qiáng)度略高于JXR,而改進(jìn)后的JX-2型芯的強(qiáng)度與JX大致相當(dāng)。3.2高溫下保溫試驗(yàn)型芯的高溫強(qiáng)度采用航空航天工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)HB5353.4-86《熔模鑄造陶瓷型芯熱變形測(cè)定方法》中的高溫雙支點(diǎn)試樣熱變形下垂撓度進(jìn)行評(píng)價(jià)。試樣尺寸為2mm×6mm×120mm。斷面為2mm×6mm(厚×寬)的試樣平放橫跨在跨距為100mm兩支點(diǎn)上,在高溫下保溫0.5h,以試樣最大的下垂撓度尺寸評(píng)價(jià)試樣抗高溫變形的能力。JXR和JX的不同試樣在不同溫度下的下垂撓度見表3。從表3可以看出,JX試樣在1300℃保溫,熱變形很小,隨保溫溫度的增高,熱變形量逐步增大,在1500℃下,熱變形已經(jīng)很大,達(dá)到10mm以上。而JXR試樣即使在1500℃下熱變形仍然很小,僅為1mm多一點(diǎn)。考慮到這是厚度僅為2mm的薄片長(zhǎng)條試樣,又是在1500℃高溫下長(zhǎng)時(shí)間保溫達(dá)0.5h,測(cè)試條件很惡劣,其抗高溫變形的能力,應(yīng)能滿足一般熔模鑄造預(yù)制精密型芯的要求。另有測(cè)試數(shù)據(jù)表明,改進(jìn)型的JX-2的高溫強(qiáng)度與JX相比有了明顯提高,事實(shí)上,JX-2和JXR-2的高溫強(qiáng)度與JXR基本相等。3.3預(yù)焙燒溫度對(duì)芯料發(fā)氣量的影響將并未接觸蠟的固化后的型芯材料磨成細(xì)粉分成多份,在不同溫度下分別烘干焙燒1h,采用壓力傳感式自動(dòng)記錄發(fā)氣性測(cè)定儀,在溫度控制為1000℃條件下測(cè)定其發(fā)氣量。從表4可以看出,僅經(jīng)過(guò)100~200℃烘干的芯料,發(fā)氣量大于允許值,比一般樹脂砂發(fā)氣量稍大。經(jīng)過(guò)600℃以上的焙燒,發(fā)氣量已經(jīng)降得很低,完全能夠滿足熔模鑄造工藝要求。另有測(cè)試數(shù)據(jù)表明,JX-2、JXR和JXR-2型芯的發(fā)氣性能和JX基本相當(dāng)。正常熔模鑄造型殼的焙燒溫度一般都在700℃以上,只要焙燒時(shí)間足夠,這種型芯的發(fā)氣量完全能夠滿足要求。但用作砂型鑄造的型芯,為除氣,需要專門進(jìn)行型芯焙燒。3.4其余性能比如芯3.4.1金屬-型芯界面熱化試驗(yàn)證明,型芯和多種鑄造合金高溫液體接觸時(shí),具有相當(dāng)不錯(cuò)的熱化學(xué)穩(wěn)定性,其中包括碳鋼、鉻不銹鋼、鎳鉻不銹鋼、高鎳鉻熱強(qiáng)鋼、高鉻鑄鐵等,鑄件內(nèi)腔的金屬-型芯界面清晰,表面光潔,沒有發(fā)生金屬-鑄型界面熱化學(xué)反應(yīng)。但在澆注含錳較高的鑄鋼時(shí),與鑄件接觸的型芯表面,觀察到了在金屬液熱化學(xué)侵蝕作用下的熔融燒結(jié)層,型芯殘余物與鑄件表面結(jié)合較牢,不過(guò)仍然能夠用堿煮方法清除。3.4.2表面光潔芯料中含有部分遠(yuǎn)細(xì)于325目的耐火粉料,制得的型芯表面光潔,不必再用涂料,浸漬強(qiáng)化后甚至有時(shí)有鏡面感。鑄件內(nèi)腔表面粗糙度可以達(dá)到1.6~6.3μm,如果漿料經(jīng)過(guò)真空攪拌脫除微小氣泡,鑄件內(nèi)腔表面沒有毛刺。3.4.3化學(xué)清理的可行性對(duì)于鑄件內(nèi)腔難于采用機(jī)械方法清理的死角處的殘余型芯材料,可以采用常規(guī)的化學(xué)清理方法,例如熔融堿煮、氫氟酸清理。3.4.4模型材料的熱性能漿料固化形成型芯的過(guò)程伴隨有0.3%~0.6%的尺寸膨脹和發(fā)熱,這種膨脹和發(fā)熱隨加水量的增加而降低。大塊型芯的固化發(fā)熱現(xiàn)象明顯,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使蠟?zāi)＼浕?產(chǎn)生嚴(yán)重的變形。但對(duì)形成鑄件狹窄內(nèi)腔的一般細(xì)薄型芯來(lái)說(shuō),發(fā)熱的影響不明顯。JXR型芯具有很低的熱膨脹率,抗熱震性能極好,即使由冷態(tài)直接放入1000℃以上的加熱爐中也不會(huì)炸裂。JXR-2型芯的熱膨脹率略高,但和常見的鋁硅系耐火材料型殼的熱膨脹率匹配較好。JXR和JX-2型芯的燒成收縮率的統(tǒng)計(jì)值分別為0.4%~0.8%和0.2%~0.5%,這里不包括蠟質(zhì)芯模自身的收縮和固化膨脹。型芯的固化膨脹和燒成收縮大致相抵消。3.4.5厚厚材料的燒結(jié)JX-2和JXR系列型芯具有相當(dāng)高的耐火度,即使在較厚鑄鋼件的內(nèi)腔中也不會(huì)熔化和嚴(yán)重?zé)Y(jié),潰散性較好,比較容易清理。潰散性與澆注鑄件時(shí)型芯承受的溫度和高溫持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。3.4.6芯模的制作型芯的尺寸精度比較高,采用中溫模料制作芯模大致可以達(dá)到CT6以上。實(shí)際上,型芯本身的精度相當(dāng)高,精度主要取決于澆注漿料時(shí)的蠟質(zhì)芯模內(nèi)腔的尺寸精度控制水平。3.4.7水量發(fā)生情況攪拌好的漿料保持良好流動(dòng)性的時(shí)間與環(huán)境溫度和加水量有關(guān),在20℃左右時(shí)為3~8min。隨著溫度的提高,工作時(shí)間會(huì)縮短,適當(dāng)?shù)靥岣呒铀靠梢栽黾庸ぷ鲿r(shí)間,但過(guò)度地加水會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度損失。4內(nèi)腔熔模精鑄件型芯(1)澆注