消失?？諝よT造涂料力學(xué)性能分析研究

張守軍，李云飛

（河南天緣精工模具股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

近年來(lái)“精密化”、“輕量化”和“復(fù)合化”是鑄造行業(yè)的發(fā)展方向，而“近無(wú)余量”、“零缺陷”也是鑄件生產(chǎn)不斷追求的目標(biāo)。零部件的結(jié)構(gòu)日益朝向整體化、輕量化、空心薄壁化、復(fù)雜化和精密化的方向發(fā)展，因此對(duì)較大尺寸且復(fù)雜的合金精密鑄件要求越來(lái)越高，需求也越來(lái)越旺盛[1，2]。然而，目前的砂型鑄造、壓力鑄造、熔模鑄造以及消失模鑄造等技術(shù)，在成形較大尺寸復(fù)雜合金精密鑄件時(shí)都遇到了不同程度的技術(shù)難題。泡沫消失模工藝所造成的表面增碳缺陷，使其無(wú)法用于制造低碳鋼、不銹鋼等高附加值鑄件[3，4]；熔模精密鑄造僅適用于小型零件的生產(chǎn)，對(duì)于尺寸稍大的零件卻無(wú)能為力[5]。

泡沫消失模鑄造技術(shù)，因其設(shè)備簡(jiǎn)單，制模方便，綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)而具有廣泛的發(fā)展空間，為了徹底解決消失模鑄造過(guò)程中的增碳問題，英國(guó)鑄鋼研究與貿(mào)易協(xié)會(huì)提出了泡沫消失?？諝よT造新工藝，有機(jī)地將“消失模精密技術(shù)”、“熔模精密鑄造制殼技術(shù)”、“負(fù)壓鑄造技術(shù)”等多項(xiàng)精密鑄造技術(shù)結(jié)合起來(lái)，可用于生產(chǎn)高質(zhì)量、大尺寸、復(fù)雜薄壁合金精密鑄件[6]。

涂料性能的優(yōu)劣、涂料的薄厚等是影響消失?？諝ば阅芎丸T件質(zhì)量的關(guān)鍵，涂料強(qiáng)度低會(huì)造成塌箱、殼型漏鋼等缺陷；涂料耐火性能低則會(huì)造成夾砂、夾渣等缺陷，同時(shí)也會(huì)大幅度增加清砂難度。為進(jìn)一步提高涂料性能，保證零件質(zhì)量，本論文以大型不銹鋼消失?？諝よT造用涂料為研究對(duì)象，深入分析背層涂料數(shù)量對(duì)泡沫消失?？諝?5 ℃室溫和300 ℃中溫力學(xué)性能的影響，為涂料正確使用提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)方法

消失?？諝ぐ鎸雍捅硨?，澆注時(shí)面層與高溫金屬液直接接觸，采用耐高溫的鋯英粉作為主要耐火填料，平均粒度直徑為150 μm～800 μm；黏結(jié)劑為硅溶膠，粉液比控制在2.5～3.5 范圍；背層主要起承載作用，保證消失?？諝げ蛔冃巍⒉凰?，背層涂料采用以石英粉作為耐火填料，平均粒度直徑為300 μm～800 μm，并添加少量氧化鐵粉、鈉基膨潤(rùn)土、羧甲基纖維素鈉，黏結(jié)劑為硅溶膠和少量α 淀粉，粉液比控制在1.5～2.5 范圍。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，確定了消失?？諝ぐ? 層面層和不同背層，具體層數(shù)組成如表1 所示。

表1 涂料類型方案

根據(jù)表1 所示涂料類型方案，制備消失?？諝?。第一步，將面層用涂料和背層用涂料分別放入L型涂料攪拌桶中攪拌3 h 以上；第二步，將泡沫模型浸入到面層涂料中，保證泡沫模型表面均勻的掛滿涂料，然后在40 ℃條件下風(fēng)干不低于3 h；第三步，將涂有面層涂料的風(fēng)干模型浸入到攪拌好的背層涂料中，保證表面掛滿涂料，然后在50 ℃條件下風(fēng)干不低于3 h；第四步，按背層層數(shù)要求，重復(fù)第三步過(guò)程。按上述過(guò)程，作者制備了不同背層數(shù)量的殼型試樣并測(cè)量了消失?？諝ず穸?，如圖1 所示。

圖1 涂料空殼試樣

從圖1 所制備的模樣中，用機(jī)械切割方式制備彎曲試樣，用于測(cè)量空殼在25 ℃室溫和300 ℃條件下的力學(xué)性能。彎曲試樣寬度40 mm，厚度為試樣原始厚度，長(zhǎng)度不低于80 mm.彎曲試驗(yàn)在GNT100 電子試驗(yàn)機(jī)上完成，彎曲速率1 mm/min，跨距50 mm，如圖2 所示。

圖2 彎曲試樣示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂料空殼彎曲過(guò)程曲線對(duì)比

涂料空殼在25 ℃室溫和300 ℃條件下的彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。從圖3a）可以看出，在25 ℃室溫條件下，涂料空殼的力-位移曲線上出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)。經(jīng)分析，認(rèn)為出現(xiàn)這一過(guò)程的原因是，涂料中所添加的黏結(jié)劑的膠連作用以及短纖維絲的強(qiáng)化效果所致，黏結(jié)劑的主要作用除了將粉料粘結(jié)成型外，還具有改善室溫強(qiáng)度的效果。涂料空殼在300 ℃彎曲時(shí)，其力-位移曲線平滑且跳動(dòng)相對(duì)較小，這是由于300 ℃保溫時(shí)，黏結(jié)劑縮水，短纖維絲氣化，涂料空殼在彎曲過(guò)程中沒有了纖維絲與基體的交互作用所致。

圖3 涂料空殼彎曲力-位移曲線

對(duì)比涂料空殼25 ℃室溫和300 ℃的宏觀彎口形貌，結(jié)果如圖4 所示。從圖4a）中可以看出，25 ℃室溫彎曲斷口試樣整體呈銀灰色，斷口凹凸不平，這說(shuō)明裂紋擴(kuò)展面積較大，相應(yīng)的提高了消失?？諝さ淖冃瘟?。而300 ℃彎曲斷口中，斷口試樣整體發(fā)黑，這是由于殼在300 ℃保溫過(guò)程中涂料中的物質(zhì)發(fā)生氣化所致。消失?？諝ぴ?00 ℃保溫過(guò)程中，涂料中黏結(jié)劑縮水，另外也會(huì)發(fā)生一定的燒結(jié)，從而提高了消失?？諝さ膹?qiáng)度。另外，300 ℃彎曲斷口形貌可以看到有微小孔洞存在，這將明顯改善消失?？諝さ耐笟庑阅?，減小鑄造缺陷。

圖4 涂料空殼彎曲斷口宏觀形貌

2.2 涂料空殼彎曲最大力分析

為進(jìn)一步研究涂層力學(xué)性能，統(tǒng)計(jì)涂料空殼彎曲過(guò)程中所承受的最大彎曲力，結(jié)果如表2 和圖5所示。

表2 涂料空殼25 ℃室溫和300 ℃最大彎曲力

圖5 不同類型涂料空殼最大抗彎曲力

從表2 可以看出，當(dāng)彎曲溫度為25 ℃室溫，涂層結(jié)構(gòu)為1+4、1+5、1+6、1+7 時(shí)，其相應(yīng)的抗彎曲最大力分別為14.35 N、17 N、22.2 N、39.5 N；當(dāng)彎曲溫度升高到300 ℃，涂層結(jié)構(gòu)依舊為1+4、1+5、1+6、1+7 層時(shí)，其相應(yīng)的抗彎曲最大力分別為10.2 N、16.9 N、28.4 N、46.3 N.

從圖5 中可以看出，在25 ℃室溫和300 ℃條件下，隨著涂層厚度的增加，其所能夠承受的最大彎曲力也呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，這也說(shuō)明對(duì)于尺寸大、質(zhì)量重的鑄件，為保證空殼承載能力可采取增加涂層層數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)檢測(cè)溫度由25 ℃室溫升高到300 ℃時(shí)，涂料空殼抗彎曲最大力比25 ℃室溫條件下略有提高。分析原因認(rèn)為，試樣在300 ℃下，涂料空殼中分散相粒子在水分蒸發(fā)后形成更為緊密的堆積結(jié)構(gòu)，涂料之間的物理結(jié)合更為緊密，從而提高了涂料空殼所能夠承受的最大力。

2.3 涂料空殼抗彎強(qiáng)度分析

根據(jù)試驗(yàn)所采集的彎曲過(guò)程中的力和位移，結(jié)合空殼試樣的厚度、寬度、跨距，計(jì)算涂料空殼在25 ℃室溫和300 ℃條件下的抗彎強(qiáng)度，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 涂料空殼在25 ℃室溫和300 ℃條件下抗彎強(qiáng)度

圖6 表明，相同涂層，涂料空殼在300 ℃的抗彎曲強(qiáng)度均高于25 ℃室溫抗彎曲強(qiáng)度，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是在300 ℃條件下，涂料空殼彎曲試樣中的水分蒸發(fā)，黏結(jié)劑失水固化，提高了涂料顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度，從而使試樣的抗彎曲強(qiáng)度也相應(yīng)的得到了改善和提高。從圖6 還可以看出，增強(qiáng)涂層數(shù)量雖然可以提高涂層強(qiáng)度，但是收益并非成比例增加，當(dāng)涂層為1+5#時(shí)，涂料空殼抗彎強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。對(duì)于同一成分涂料，理想條件下其力學(xué)性能是均勻、一致的。但實(shí)際情況下，當(dāng)涂料涂層厚度較薄時(shí)，刷涂制備模型的過(guò)程中會(huì)在內(nèi)部形成細(xì)小孔洞，表面也會(huì)凹凸不平，這些缺陷在涂料涂層較薄時(shí)對(duì)涂料空殼力學(xué)性能造成的不利影響就更加顯著。本研究中當(dāng)涂層類型由1+4#增加至1+5#時(shí)，涂料空殼表面更為平整，外觀更為均勻，內(nèi)部缺陷也明顯減少，因此抗彎強(qiáng)度的增加尤為顯著。當(dāng)繼續(xù)增加涂層厚度時(shí)，涂層制備過(guò)程中所形成的孔洞、表面凹凸不平等不利因素的影響繼續(xù)降低，最終所測(cè)得的涂層力學(xué)性能也就趨于理想狀態(tài)。綜合考慮到生產(chǎn)周期、制作成本、綜合收益等因素，涂料空殼選擇15#或者16#類型的效果最佳，涂料空殼厚度控制在4 mm～5 mm 范圍內(nèi)。

2.4 涂料空殼使用效果分析

結(jié)合前期研究結(jié)果，制備了1 層面層和6 層背層的涂料空殼結(jié)構(gòu)，空殼厚度4.62 mm，用于制備形狀復(fù)雜的閥體、葉片等超低碳不銹鋼零件。主要工藝流程包括泡沫模型加工、在泡沫模型表面涂掛涂料、燒制空殼、空殼裝箱、澆注成型，如圖7 所示。澆注成型的超低碳不銹鋼導(dǎo)葉體、大型曲面葉片實(shí)物如圖8 所示，鑄件表面質(zhì)量良好，化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果顯示，不銹鋼鑄件成分在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，不存在增碳現(xiàn)象。由此看出，采用本研究的涂料空殼鑄造的零件，表面質(zhì)量良好、鑄件號(hào)碼清晰可見，可應(yīng)用于大型、復(fù)雜不銹鋼鑄件的生產(chǎn)。

圖7 空殼鑄造生產(chǎn)工藝流程

圖8 空殼鑄造復(fù)雜零件實(shí)物

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以消失模空殼鑄造涂料為研究對(duì)象，對(duì)比分析了涂料空殼在25 ℃室溫狀態(tài)和300 ℃狀態(tài)下的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明：

1）隨著涂層厚度的增加，可以承受的彎曲力增加，而涂料空殼抗彎強(qiáng)度趨于穩(wěn)定值，采用1+5#或者1+6#類型力學(xué)性能最佳，涂料空殼厚度在4 mm～5 mm 范圍。

2）采用本涂料空殼澆注的零件表面質(zhì)量良好，無(wú)夾渣缺陷，可應(yīng)用于制備形狀復(fù)雜的閥體、葉片等超低碳不銹鋼零件。