自硬芯料的固化工艺

自硬芯料的固化工艺

在铸造和精炼过程中，复杂和狭窄的铸造芯通常由陶瓷芯制成，但陶瓷芯必须采用热压注法形成。这需要一个高成本的设备和非常严格的工艺控制。它通常用于航空行业和军事行业，但很少在大型精造厂和民用产品中使用。为了大批量生产具有狭窄内腔的熔模精铸件,四川大学材料成型及控制工程系的科研人员与成都精芯铸造新材料有限公司(原成都高新区新型精铸材料厂)合作,针对一般熔模精铸厂的设备和生产工艺条件,开发出了可用于熔模精铸预制芯的制芯材料和工艺——浇注成形磷酸盐自硬工艺。1熔模铸造型芯的研发以高纯度SiO2为骨料,以水溶性磷酸盐为粘结剂,以金属氧化物如氧化镁为固化剂,同时含有多种微量改性剂。按一定比例把这种芯料与水(或硅溶胶)混合搅拌,即可成为具有很好流动性的浆料,浆料浇注后约10min会自硬成形。硬化机理是形成了含水磷酸盐结晶体,这种结晶体能承受蒸气和热水的蒸煮而不溶化溶胀,在加热失水后仍能保持原有的形状并具有很高的耐火度。型芯的表面可以十分光洁,经适当处理后具备熔模铸造精密预制芯所需的性能。商品化的芯料型号有JX、JX-2、JXR和JXR-2。其中JX系列经济实用,但型芯的热膨胀率较大,仅适合于制作要求不高的型芯。JXR系列和JX系列相比,具有较低的热膨胀系数,所制得的细薄复杂型芯抗热震能力较强。2芯生产工艺2.1搅拌时浆料的量对粘结剂性能的影响根据型芯形状对浆料流动性和浆料工作时间的要求,每100g芯料,JX系列加水(或硅溶胶)14~18mL,JXR系列加水19~22mL。加水量增加可以提高浆料的流动性,增加浆料的可工作时间。人工搅拌需要2min左右,也可以采用小型高速搅拌机搅拌,搅拌时间可以缩短到0.5~1min。充分的搅拌有利于粘结剂完全溶解,能明显提高浆料的流动性和型芯的强度。在生产中有时出现的流动性不佳和强度偏低,常常是由于搅拌不充分造成的。搅拌完成后,可轻微振动或倾斜晃动浆料,让气泡充分上浮并去除上浮的气泡。采用真空搅拌机可以彻底地消除浆料中的微小气泡,明显提高铸件的内腔表面质量。2.2浇注方位时的控制把浆料浇入一次性蜡质芯模或以石膏作刚性外框的硅橡胶芯盒。确定浇注方位时应尽量避免在浇注浆料的过程中憋气,浇注时对芯模施加轻微振动有助于提高浆料的充型能力。采用常规的压制蜡模工艺高效率大批量地制取一次性的蜡质芯模。脱蜡后的蜡料可以用常规方法回收。2.3脱蜡、脱色、型芯的制备正常情况下,20min以后浆料就已固化。1~2h后型芯强度已比较高。可以采用常规的蒸气脱蜡或热水脱蜡使型芯脱模。用水调拌浆料制得的型芯可以长时间耐热水煮。用硅溶胶调拌浆料制得的型芯由于含水硅凝胶的存在,在彻底干燥前不耐水煮,容易在热水中溃散,因此只能采用在蜡液中脱模或蒸气快速熔蜡脱模。2.4通过预焙烧防止变形的措施对于细、薄、形状复杂的型芯,与热压注陶瓷芯类似,通常需要浸渍硅溶胶进行强化,以得到足够的强度。表面有蜡的型芯,无法吸入硅溶胶,需要在浸渍强化前进行预焙烧,以烧除残蜡,增大型芯材料的孔隙率,提高浸渍强化的效果。预焙烧温度为400~800℃,为防止细、薄、形状复杂的型芯变形,可以装入匣钵中,用热膨胀较小的铝矾土砂或莫来砂填充振实,以防止变形。这类似于填料烧结热压注陶瓷芯,但加热温度低得多,同时由于焙烧过程中型芯始终具有较高的强度(通常高于水玻璃砂芯),所以很容易避免变形和损坏。保温时间视装料多少而定,通常为几h。经预焙烧的型芯,浸渍硅溶胶进行强化。通常1~2次强化即可。对于细、薄型芯,第一次浸渍一定要快,因浸渍后湿型芯的强度较低,不宜浸透,否则在后来的操作中容易变形或损坏。浸渍后型芯须烘干。对于易变形的细、薄、形状复杂的型芯,第一次浸渍后烘干也应填砂约束。经第一次浸渍强化并已烘干的型芯,若需进一步提高强度,可以进行第二次浸渍强化。2.5型芯的用蜡加固作为预制型芯放入压型压制蜡模,过程同热压注陶瓷芯。对于细、薄的型芯,为防止由于热膨胀同型壳不一致导致型芯断裂,型芯上芯头部位常常可以浸涂薄薄的一层蜡,这样在型壳焙烧时芯头和型壳之间可以产生一点微小的间隙,防止型芯受力损坏。3型芯的主要性能及其技术的影响因素3.1预焙烧、浸渍强化过程中型芯的力学性能常温强度的测试根据航空航天工业部标准HB5353.3-86《熔模铸造陶瓷型芯抗弯强度测定方法》进行。常温抗弯强度试样的尺寸为4mm×10mm×60mm,下支点跨距为30mm,JXR和JX浆料固化成形后的试样在不同温度下进行2h预焙烧和硅溶胶浸渍强化后的常温抗弯强度见表1和表2。表中数据一般为10个以上实测值的平均值。由表1和表2可见,型芯彻底固化后即使不强化不焙烧也具有相当高的强度,但这种型芯不能使用,因为随型壳焙烧,型芯强度会下降,且有酥脆感,从表1和表2中可见,700℃焙烧会使2/3以上的强度丧失,容易断芯造成铸件缺陷。采用部分硅溶胶调拌浆料可以明显提高型芯预焙烧后的强度,通常用于不进行浸渍强化的场合。经过预焙烧和硅溶胶浸渍强化后的强度一般随预焙烧温度的提高而增高,这是因为预焙烧增大了型芯材料的孔隙率,增大了硅溶胶粘结剂的吸入量。同时,强度也随强化次数的增加而增高。和JXR比较,JX试样随预焙烧温度的提高和强化次数的增加而强度增高的趋势不明显,强化效果要差得多。这是因为JX试样在焙烧、浸渍强化过程中,受到反复的加热和冷却,由于较强的热胀冷缩效应造成了微裂纹,抵消了相当大的一部分强化效应。经浸渍强化烘干后的JXR型芯,抗弯强度可以远远超过10MPa,与常规硅基热压注陶瓷芯的强度相当,可以用于制造细、薄的型芯。另有数据表明,改进后的JXR-2型芯的强度略高于JXR,而改进后的JX-2型芯的强度与JX大致相当。3.2高温下保温试验型芯的高温强度采用航空航天工业部标准HB5353.4-86《熔模铸造陶瓷型芯热变形测定方法》中的高温双支点试样热变形下垂挠度进行评价。试样尺寸为2mm×6mm×120mm。断面为2mm×6mm(厚×宽)的试样平放横跨在跨距为100mm两支点上,在高温下保温0.5h,以试样最大的下垂挠度尺寸评价试样抗高温变形的能力。JXR和JX的不同试样在不同温度下的下垂挠度见表3。从表3可以看出,JX试样在1300℃保温,热变形很小,随保温温度的增高,热变形量逐步增大,在1500℃下,热变形已经很大,达到10mm以上。而JXR试样即使在1500℃下热变形仍然很小,仅为1mm多一点。考虑到这是厚度仅为2mm的薄片长条试样,又是在1500℃高温下长时间保温达0.5h,测试条件很恶劣,其抗高温变形的能力,应能满足一般熔模铸造预制精密型芯的要求。另有测试数据表明,改进型的JX-2的高温强度与JX相比有了明显提高,事实上,JX-2和JXR-2的高温强度与JXR基本相等。3.3预焙烧温度对芯料发气量的影响将并未接触蜡的固化后的型芯材料磨成细粉分成多份,在不同温度下分别烘干焙烧1h,采用压力传感式自动记录发气性测定仪,在温度控制为1000℃条件下测定其发气量。从表4可以看出,仅经过100~200℃烘干的芯料,发气量大于允许值,比一般树脂砂发气量稍大。经过600℃以上的焙烧,发气量已经降得很低,完全能够满足熔模铸造工艺要求。另有测试数据表明,JX-2、JXR和JXR-2型芯的发气性能和JX基本相当。正常熔模铸造型壳的焙烧温度一般都在700℃以上,只要焙烧时间足够,这种型芯的发气量完全能够满足要求。但用作砂型铸造的型芯,为除气,需要专门进行型芯焙烧。3.4其余性能比如芯3.4.1金属-型芯界面热化试验证明,型芯和多种铸造合金高温液体接触时,具有相当不错的热化学稳定性,其中包括碳钢、铬不锈钢、镍铬不锈钢、高镍铬热强钢、高铬铸铁等,铸件内腔的金属-型芯界面清晰,表面光洁,没有发生金属-铸型界面热化学反应。但在浇注含锰较高的铸钢时,与铸件接触的型芯表面,观察到了在金属液热化学侵蚀作用下的熔融烧结层,型芯残余物与铸件表面结合较牢,不过仍然能够用碱煮方法清除。3.4.2表面光洁芯料中含有部分远细于325目的耐火粉料,制得的型芯表面光洁,不必再用涂料,浸渍强化后甚至有时有镜面感。铸件内腔表面粗糙度可以达到1.6~6.3μm,如果浆料经过真空搅拌脱除微小气泡,铸件内腔表面没有毛刺。3.4.3化学清理的可行性对于铸件内腔难于采用机械方法清理的死角处的残余型芯材料,可以采用常规的化学清理方法,例如熔融碱煮、氢氟酸清理。3.4.4模型材料的热性能浆料固化形成型芯的过程伴随有0.3%~0.6%的尺寸膨胀和发热,这种膨胀和发热随加水量的增加而降低。大块型芯的固化发热现象明显,严重时会使蜡模软化,产生严重的变形。但对形成铸件狭窄内腔的一般细薄型芯来说,发热的影响不明显。JXR型芯具有很低的热膨胀率,抗热震性能极好,即使由冷态直接放入1000℃以上的加热炉中也不会炸裂。JXR-2型芯的热膨胀率略高,但和常见的铝硅系耐火材料型壳的热膨胀率匹配较好。JXR和JX-2型芯的烧成收缩率的统计值分别为0.4%~0.8%和0.2%~0.5%,这里不包括蜡质芯模自身的收缩和固化膨胀。型芯的固化膨胀和烧成收缩大致相抵消。3.4.5厚厚材料的烧结JX-2和JXR系列型芯具有相当高的耐火度,即使在较厚铸钢件的内腔中也不会熔化和严重烧结,溃散性较好,比较容易清理。溃散性与浇注铸件时型芯承受的温度和高温持续的时间有关。3.4.6芯模的制作型芯的尺寸精度比较高,采用中温模料制作芯模大致可以达到CT6以上。实际上,型芯本身的精度相当高,精度主要取决于浇注浆料时的蜡质芯模内腔的尺寸精度控制水平。3.4.7水量发生情况搅拌好的浆料保持良好流动性的时间与环境温度和加水量有关,在20℃左右时为3~8min。随着温度的提高,工作时间会缩短,适当地提高加水量可以增加工作时间,但过度地加水会导致强度损失。4内腔熔模精铸件型芯(1)浇注