一種環(huán)保型精鑄型芯的開(kāi)發(fā)

藍(lán)勇

摘? 要：本文介紹了一種新型精鑄型芯，該型芯以硅溶膠為粘結(jié)劑，以剛玉粉和熔融石英砂為耐火骨料，采用環(huán)保型的促凝劑進(jìn)行固化，具有濕強(qiáng)度高、潰散性好和成本低的特點(diǎn)。開(kāi)發(fā)過(guò)程以高難度型芯為載體，通過(guò)配方優(yōu)化，解決了型芯成形階段濕強(qiáng)度不足和容易收縮斷裂的技術(shù)難題，使其具備了工業(yè)化應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：熔模鑄造；型芯；環(huán)保；潰散性

中圖分類號(hào)：U466? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2023）02-0090-05

Development of an Environmental Friendly Core for Investment Casting

LAN Yong

（Dongfeng Investment Casting Co.， ltd.， Shiyan， China）

Abstracts： This paper introduces a new type of investment casting core. The core takes silica sol as binder， corundum powder and fused quartz sand as refractory aggregate， and is cured with environmental friendly curing agent. It has the characteristics of high wet strength， good collapsibility and low cost. The development process takes the difficult core as the carrier， and through formula optimization， the technical problems of insufficient wet strength and easy fracture for shrinkage in the core forming stage are solved， so that it has the ability of industrial application.

Key Words： Investment Casting; Core; Environmental Friendly; Collapsibility

藍(lán)? ?勇

畢業(yè)于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，清華大學(xué)機(jī)械工程系材料工程碩士研究生，現(xiàn)就職于東風(fēng)精密鑄造有限公司工藝技術(shù)部，任高級(jí)工程師，主要從事現(xiàn)場(chǎng)工藝管理和新材料、新工藝研發(fā)工作。

前? ? 言

熔模鑄造是一種近凈成形的先進(jìn)工藝，比較適合于中小型復(fù)雜精鑄件的生產(chǎn)。對(duì)于生產(chǎn)具有深孔、深槽或復(fù)雜型腔的精鑄件，往往要根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)選用合適的型芯預(yù)置到蠟?zāi)Ｖ校蛲ㄟ^(guò)灌槳方式形成所需要的型腔。不同類型的型芯，其應(yīng)用范圍不一樣，也均有其局限性，表1是各種常用型芯主要優(yōu)缺點(diǎn)匯總表。

從表1可以看出，現(xiàn)有的型芯基本上可以滿足大多數(shù)具有復(fù)雜型腔產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，但使用成本高和環(huán)保性差的問(wèn)題急需改善，均具有局限性。聚碳石膏（或聚鎂）型芯具有潰散性好的優(yōu)點(diǎn)，環(huán)保方面滿足要求，缺點(diǎn)是導(dǎo)熱性差，僅適用于熱容量小的鑄件，用于散熱困難的鑄件會(huì)出現(xiàn)粘砂缺陷，而且該種型芯焙燒冷卻后會(huì)失去強(qiáng)度，無(wú)法二次焙燒。其它可以直接跟金屬液接觸的型芯，在制造過(guò)程或在型芯去除過(guò)程用到不環(huán)保的材料，環(huán)保性不足。

東風(fēng)精密鑄造有限公司（簡(jiǎn)稱東風(fēng)精鑄）是一家以生產(chǎn)汽車零部件為主的精鑄企業(yè)，隨著產(chǎn)品的拓展，有一些具有復(fù)雜型腔的鑄件需要用到特制的型芯，出于QCD方面的考慮，這些型芯要同時(shí)滿足成本、環(huán)保和潰散性三方面的要求。鑒于無(wú)法購(gòu)買到符合要求的商品化型芯，自主開(kāi)發(fā)型芯課題被提上了日程。

1? ? 型芯總體方案

針對(duì)于自主開(kāi)發(fā)型芯課題，課題組設(shè)定的主要約束條件如下：

（1）型芯主要用于不銹鋼和低合金鋼產(chǎn)品，耐火度1600℃以上；

（2）綜合成本較商品化型芯降低50%；

（3）可通過(guò)機(jī)械振動(dòng)、拋丸或噴砂方式脫芯；

（4）利用現(xiàn)有條件推進(jìn)，無(wú)大的設(shè)備投入；

（5）禁止使用不環(huán)保的材料。

課題組根據(jù)以上設(shè)定的條件對(duì)型芯總體技術(shù)方案進(jìn)行策劃。

1.1? ?成形方法選擇

考慮到壓注成形法需要投入較多的設(shè)備，壓注出來(lái)的型芯需要高溫?zé)Y(jié)，型芯化學(xué)腐蝕脫芯的方法不環(huán)保，所以選擇灌漿成形的方法。采用灌漿成形法，設(shè)備投入少，起模時(shí)間長(zhǎng)造成的產(chǎn)能瓶頸可以通過(guò)投入多個(gè)芯盒連續(xù)澆灌的方法來(lái)解決。芯盒材料可以有多種選擇，可以選擇金屬材料，也可以選擇樹(shù)脂材料，還可用蠟?zāi)．?dāng)成芯盒來(lái)澆灌型芯。

1.2? ?粘結(jié)劑和促凝劑選擇

灌漿成形法配制的陶瓷漿料需要用到粘結(jié)劑，精鑄行業(yè)以前通常選擇硅酸乙酯為粘結(jié)劑，鑒于硅酸乙酯水解時(shí)需要加入鹽酸等不環(huán)保的材料，而且硅酸乙酯成品價(jià)格也很高，故不納入考慮范圍。磷酸鹽在1500℃以上會(huì)分解發(fā)氣，耐溫能力不足。水玻璃和硅溶膠均是精鑄常用的粘結(jié)劑，使用成本低，是制備低成本型芯相對(duì)理想的粘結(jié)劑。選用水玻璃為粘結(jié)劑制備型芯，型芯固化后具有很好的常溫強(qiáng)度，但漿料階段的固化并不能充分將氧化鈉去除掉，為提高型芯的高溫強(qiáng)度，需要進(jìn)行二次化學(xué)硬化處理，硬化時(shí)間長(zhǎng)，化學(xué)硬化產(chǎn)生的鈉鹽和殘留的硬化劑均會(huì)染污環(huán)境，環(huán)保方面無(wú)法滿足要求。從耐高溫性能、成本和環(huán)保三方面綜合考慮，最終選擇硅溶膠作為型芯的粘結(jié)劑。

硅溶膠漿料常用的促凝劑是氯化銨水溶液[2]，但由于氯化銨在促凝過(guò)程中會(huì)不斷釋放出氨氣，非常不環(huán)保，所以不考慮使用。其它常用的氯化物及有機(jī)酸如醋酸等也都能促進(jìn)硅溶膠凝，但也都存在環(huán)保性差的問(wèn)題。氧化鈣可以作為硅溶膠漿料的促凝劑，環(huán)保方面沒(méi)有問(wèn)題，可通過(guò)加入量的調(diào)整來(lái)控制漿料的凝固時(shí)間，存在的不足是漿料中加入氧化鈣后會(huì)立即出現(xiàn)顆粒狀的小料團(tuán)，漿料變得不均勻，型芯的常溫強(qiáng)度偏低，不適合于工業(yè)化應(yīng)用。由于通過(guò)期刊文獻(xiàn)及專利查到的硅溶膠促凝劑均不適合于批量應(yīng)用，所以自主開(kāi)發(fā)促凝劑成了課題組的最后選擇。經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)，課題組成功開(kāi)發(fā)出了能同時(shí)滿足環(huán)保和強(qiáng)度要求的促凝劑（DFIC促凝劑），該促凝劑由兩種材料組成，這兩種材料能在硅溶膠漿料中平緩地反應(yīng)并誘發(fā)整個(gè)體系的膠凝，具有膠凝固時(shí)間可調(diào)可控的優(yōu)點(diǎn)。

1.3? ?耐火骨料選擇

開(kāi)發(fā)的型芯主要應(yīng)用于不銹鋼和低合金鋼產(chǎn)品，考慮到型芯與金屬液直接接觸，要求材料有較高的純度，所以課題組直接選擇熔模鑄造常用的面層砂粉作為耐火骨料，具體為“320目熔融石英粉加40-100目熔融石英砂”、“320目剛玉粉加40-100目熔融石英砂”和“320目鋯英粉加80-120目鋯英砂”三種備選材料。

綜合上述，自主開(kāi)發(fā)型芯的總體方案為：采用灌漿成形法，以硅溶膠為粘結(jié)劑，以常用面層材料熔融石英砂粉、剛玉粉和鋯英砂粉為備選耐火骨料，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要再附加一些添加劑，陶瓷漿料注入芯盒后在DFIC促凝固劑作用下固化成形。

2? ? 型芯配方驗(yàn)證與完善

課題組選擇某不銹鋼管類零件生產(chǎn)所用的型芯為載體進(jìn)行配方驗(yàn)證與完善，型芯主要尺寸如圖1所示。

從圖1可以看出，型芯結(jié)構(gòu)很特殊，總長(zhǎng)超過(guò)300，兩頭粗中間細(xì)，兩頭的直徑和中間的直徑相差懸殊，且過(guò)渡不平緩。此類型的型芯，制造會(huì)存在在兩個(gè)主要問(wèn)題：一是型芯固化后收縮受阻，中間細(xì)的部位被拉斷；二是型芯起模后放置或運(yùn)輸過(guò)程中從中間折斷。由于型芯結(jié)構(gòu)特殊，沒(méi)有廠家能同時(shí)滿足成本、強(qiáng)度和潰散性三方面的要求。

2.1? ?初始配方設(shè)計(jì)

型芯強(qiáng)度適中是最基本的要求，強(qiáng)度過(guò)高或過(guò)低均有多種解決方案，成本跟材料和效率也相對(duì)好控制，型芯的潰散性是最關(guān)鍵的指標(biāo)，配方設(shè)計(jì)首先要保證潰散性滿足要求。衡量型芯潰散性能好壞最直接的方法是生產(chǎn)出鑄件，經(jīng)過(guò)常規(guī)拋丸或噴砂后，確認(rèn)型芯是否已經(jīng)完全被清除干凈。該方法的缺點(diǎn)是周期太長(zhǎng)，而且驗(yàn)證的成本高，在配方設(shè)計(jì)階段不太適合。為快速驗(yàn)證不同配方對(duì)型芯潰散性能的影響，課題組通過(guò)壓潰試驗(yàn)法進(jìn)行間接判定，即每種配方制作4個(gè)小試樣（試樣尺寸見(jiàn)圖2），參考型殼焙燒工藝，試樣經(jīng)1050℃保溫1小時(shí)進(jìn)行焙燒后取出冷卻至室溫，然后進(jìn)行壓潰強(qiáng)度測(cè)試，通過(guò)測(cè)試結(jié)果的平均值間接評(píng)估型芯的潰散性能。

要保證型芯有良好的潰散性能，首先要保證型芯經(jīng)正常焙燒后不燒結(jié)，其次是要求型芯在鑄件凝固和冷卻過(guò)程中也不出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，這就要求配方中不添加含有礦化劑或低熔點(diǎn)相的材料。影響潰散性的另一因素是漿料的粉液比，需要重點(diǎn)驗(yàn)證耐火粉料的加入量對(duì)潰散性的影響，初始配方主要圍繞材料類型和粉液比進(jìn)行設(shè)計(jì)。按8種主要材料配比制備型芯試樣，表2是試樣壓潰強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的平均值， 檢測(cè)設(shè)備為SQS智能型砂強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)。

從表2可以看出，耐火材料類型和漿料的粉液比跟型芯的壓潰強(qiáng)度強(qiáng)相關(guān)。壓潰強(qiáng)度過(guò)高，型芯比較致密其潰散性會(huì)比較差；壓潰強(qiáng)度太低，型芯的潰散性會(huì)比較好，但常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度不一定能滿足使用要求，基于這些考慮優(yōu)選1-2、1-3、2-2、2-3和3-1五種配方進(jìn)行應(yīng)用型驗(yàn)證。

2.2? ?型芯應(yīng)用驗(yàn)證及配方完善

根據(jù)2.1優(yōu)選的五種配方，采用專用的模具（芯盒），嘗試制備出如圖1所示的型芯。首先按1-2配方配制漿料，具體操作為：稱取硅溶膠（牌號(hào)為830）200g倒入微型攪拌桶中，邊攪拌邊緩慢加入300g粒度為320目的熔融石英粉，接著加入100g粒度為40-100目的熔融石英砂和0.2g消泡劑，漿料攪拌均勻后加入2g促凝劑，繼續(xù)攪拌1分鐘后將漿料緩慢倒入事先涂抹有分型劑的模具中。

漿料倒入模具后約10分鐘完全膠凝，膠凝20分鐘后打開(kāi)模具嘗試取出型芯，由于型芯濕強(qiáng)度偏低，型芯取出過(guò)程從中間最細(xì)的部位折斷成兩半，適當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間型芯取出過(guò)程折斷的問(wèn)題依然無(wú)法解決；膠凝后放置超過(guò)2小時(shí)，模具打開(kāi)后發(fā)現(xiàn)型芯已經(jīng)從中間最細(xì)部位圓角交接處裂開(kāi)（見(jiàn)圖5）。由于無(wú)法取出完整的型芯，驗(yàn)證無(wú)法再進(jìn)行，課題被迫暫時(shí)中斷。

課題組經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析，認(rèn)為要解決型芯斷裂問(wèn)題需要提升型芯的濕強(qiáng)度，同時(shí)還要減少型芯起模前的收縮。為此，課題組在原有配方基礎(chǔ)上各加入10%的強(qiáng)化劑和2%的增塑劑（均按硅溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)），分別按調(diào)整后的五種配方去制備型芯，沒(méi)有再出現(xiàn)型芯斷裂問(wèn)題。制備型芯期間課題組曾做過(guò)很極端的試驗(yàn)：漿料膠凝后放置約24小時(shí)才起模，在模具中放置這么長(zhǎng)時(shí)間，型芯沒(méi)有出現(xiàn)收縮斷裂問(wèn)題，取出的型芯依然是完整的。

制備好的五種型芯晾干后直接用來(lái)制造蠟?zāi)＃瑹o(wú)需額外強(qiáng)化處置。生產(chǎn)出的鑄件進(jìn)行常規(guī)拋丸處理后再進(jìn)行定點(diǎn)噴砂處理，脫芯結(jié)果為：1-2、1-3、2-3和3-1四種配方的型芯均已被全部清除掉，潰散性能滿足要求；2-2配方的型芯還有50%以上殘留，潰散性能不符合要求。1-2、2-3和3-1型芯所對(duì)應(yīng)鑄件的內(nèi)腔表面粗糙度均滿足要求，1-3型芯所對(duì)應(yīng)鑄件的內(nèi)腔表面有少量毛刺。

根據(jù)此次驗(yàn)證結(jié)果，并結(jié)合成本方面的考慮，最終確定的型芯配方為（按硅溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：硅溶膠+100%剛玉粉（320目）+170%熔融石英砂（40-100目）+10%強(qiáng)化劑+2%的增塑劑+0.1%消泡劑+1%促凝劑（可根據(jù)膠凝時(shí)間需要進(jìn)行增減）。

3? ? 應(yīng)用效果

生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果表明，本課題開(kāi)發(fā)的精鑄型芯（見(jiàn)圖4）跟商品化的陶瓷型芯相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）潰散性好：通過(guò)常規(guī)拋丸和定點(diǎn)噴砂處理即可清除干凈，無(wú)需化學(xué)腐蝕脫芯；

（2）環(huán)保性好：采用環(huán)保的促凝劑，無(wú)銨類、酸類和氯鹽類污染；

（3）成本低：制造費(fèi)用可以降低約80%。

4? ? 結(jié)論

以硅溶膠為粘結(jié)劑，以剛玉粉和熔融石英砂為耐火骨料，硅溶膠、剛玉粉和熔融石英砂三者質(zhì)量分?jǐn)?shù)按1：1：1.7配制漿料，再輔助添加強(qiáng)化劑、增塑劑和消泡劑，用環(huán)保型的促凝劑進(jìn)行固化，采用灌漿成形法制備型芯，該種型芯應(yīng)用于不銹鋼和低合金鋼類鑄件生產(chǎn)，可通過(guò)正常拋丸和定點(diǎn)噴砂方式進(jìn)行脫芯，具有潰散性和環(huán)保性好及成本低的優(yōu)點(diǎn)，為具有深孔、深槽和復(fù)雜型腔類鑄件的高效生產(chǎn)提供了一種新的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜不居，周澤衡，陳冰，等. 熔模鑄造手冊(cè)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2000（10）：268.

[2]曹科，閔小俊，邱桂斌，等. 以硅溶膠為粘結(jié)劑的澆注成型陶瓷型芯[J]. 中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2005（02） ：23-25.

專家推薦語(yǔ)

馬? ?波

東風(fēng)精密鑄造有限公司

金屬材料專業(yè)? 高級(jí)工程師

精鑄工藝工業(yè)化應(yīng)用“一長(zhǎng)一短”的特點(diǎn)非常明顯，“一長(zhǎng)”表現(xiàn)在精鑄工藝薄壁成型、復(fù)雜成型的工藝成型能力較強(qiáng)；但其短處也非常明顯，最突出的一個(gè)，就是工藝周期較長(zhǎng)、工藝成本較高。

本文圍繞精鑄工藝復(fù)雜成型的核心元素——型芯技術(shù)展開(kāi)低成本開(kāi)發(fā)研究，兼顧綠色環(huán)保要求和工藝質(zhì)量要求，圍繞型芯前期制備的成型性與后期清理的潰散性兩個(gè)核心指標(biāo)，通過(guò)對(duì)大量的粘結(jié)材料、骨架材料進(jìn)行理論對(duì)比分析和試驗(yàn)驗(yàn)證比較，最終確定了最佳配方和制備工藝，并在企業(yè)量產(chǎn)的不銹鋼新品中得到驗(yàn)證確認(rèn)。工藝質(zhì)量達(dá)到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要求，工藝成本較同行明顯降低，具有在同類復(fù)雜型腔精鑄件生產(chǎn)中橫展應(yīng)用，在精鑄同行中技術(shù)商業(yè)推廣價(jià)值，屬鑄造領(lǐng)域類優(yōu)秀論文。