楊闖

【摘 要】熔模材料是熔模微鑄造技術(shù)的關(guān)鍵，尤其是對(duì)于微小復(fù)雜零件的鑄造，熔模材料的優(yōu)劣是零件能否成功制備必要保證。本文介紹了目前熔模材料的分類(lèi)，并詳細(xì)介紹各種熔模材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并對(duì)微鑄造用熔模材料的發(fā)展進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】微鑄造；熔模材料；石膏

熔模微鑄造來(lái)源于傳統(tǒng)的熔模鑄造，而熔模鑄造必不可少要提到熔模材料，熔模材料的優(yōu)劣直接影響到鑄件質(zhì)量，對(duì)于熔模微鑄造這點(diǎn)尤為重要。

傳統(tǒng)的熔模材料主要分兩種：磷酸鹽基熔模材料和石膏基熔模材料。因?yàn)槿勰２牧蠈?duì)于鑄件質(zhì)量的影響相當(dāng)大，為了制備出尺寸精度和表面粗糙度俱佳的高質(zhì)量鑄件，無(wú)論是哪種鑄型材料，均應(yīng)有好的流動(dòng)性和好的細(xì)節(jié)復(fù)制能力。并應(yīng)有低的表面粗糙度和孔隙率[1]，并在干燥和焙燒之后，仍具有優(yōu)異的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，且在高溫液態(tài)金屬澆注時(shí)應(yīng)不與熔化的金屬反應(yīng)。本文旨在對(duì)微鑄造用熔模材料的應(yīng)用加以綜述。

1.磷酸鹽基熔模材料

磷酸鹽基熔模材料可應(yīng)用于鑄造溫度在1200～1500℃之間的金屬，并且磷酸鹽基熔模材料具有高的熱阻和好的機(jī)械強(qiáng)度，所以現(xiàn)在磷酸鹽基熔模材料廣泛應(yīng)用于多種合金的牙科鑄造。

在磷酸鹽基熔模材料中一般添加氧化鎂和磷酸氫氨作為粘結(jié)劑，二氧化硅作為添加材料，特定情況下對(duì)于金基合金也加入石墨粉作為添加材料。粘結(jié)劑和添加物混合時(shí)，通常加入水性的硅溶膠增加強(qiáng)度。磷酸鹽基熔模材料水化主要的反應(yīng)[2]：

NH4H2PO4+MgO+5H2O→MgNH4PO4·6H2O

在燃燒過(guò)程中，磷酸氨基轉(zhuǎn)化為一水磷酸鎂釋放出水和氨，反應(yīng)如下：

MgNH4PO4·6H2O→MgNH4PO4·H2O+5H2O>160℃

2（MgNH4PO4·H2O）→Mg2P2O7+3H2O+2NH3>250℃

熔模材料在高于1000℃就會(huì)通過(guò)多余的氧化鎂和磷酸粘結(jié)劑以及二氧化硅添加物反應(yīng)分解，反應(yīng)如下：

Mg2P2O7+MgO→Mg3（PO4）2>1000℃

2MgO+SiO2→Mg2SiO4>1000℃

由以上的反應(yīng)可知，在1000℃以下，磷酸鹽基熔模材料反應(yīng)放出氣體，氣體的放出嚴(yán)重影響鑄件的表面質(zhì)量，對(duì)于牙科和首飾鑄造可以通過(guò)后期打磨去除表面缺陷，但對(duì)于無(wú)法進(jìn)行后期處理的微小零件就顯得不適用。另一方面，磷酸鹽基熔模材料的去除只能使用化學(xué)方法，這就把鑄造合金限制在不容易被腐蝕的貴重金屬及合金，而除此之外易腐蝕的多種工業(yè)鑄造金屬，磷酸鹽基熔模材料則顯得無(wú)能為力[3]。

2.石膏基熔模材料

石膏基熔模熔模材料主要是石膏，對(duì)不同合金材料的澆注，要加入不同的填料和添加劑，以改變石膏的整體性能，來(lái)滿足鑄造的需要。對(duì)于熔模微鑄造，因?yàn)殍T件整體尺寸?。?lt;1～2mm），結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，這就使得熔模材料的復(fù)制能力以及去除熔模材料的難易程度成為熔模微鑄造首要考慮的問(wèn)題，而石膏基熔模材料恰好具有滿足這些要求的潛力。

在石膏（CaSO4-H2O）系統(tǒng)中[4]，一般認(rèn)為石膏相有五種形態(tài)，五種形態(tài)是：二水石膏、半水石膏、硬石膏Ⅲ、硬石膏Ⅱ、硬石膏Ⅰ或七種變體，七種變體是：二水石膏（CaSO4·2H2O）、α型半水石膏（α-CaSO4·1/2H2O）、β型半水石膏（β-CaSO4·1/2H2O）、α型硬石膏Ⅲ（α-CaSO4Ⅲ）、β型硬石膏（β-CaSO4Ⅲ）、硬石膏Ⅱ（CaSO4Ⅱ）、硬石膏Ⅰ（CaSO4Ⅰ）。

熔模材料所用的石膏首先要使半水石膏和水發(fā)生水化反應(yīng)，然后干燥、定型，最后應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)。而上述半水石膏有兩種變體，這兩種變體石膏的生產(chǎn)工藝是不同的。如圖1所示[4]，α型半水石膏是在高壓蒸汽條件下生產(chǎn)的，而β型半水石膏是在干燥的空氣條件下生產(chǎn)的。兩種半水石膏在晶形上沒(méi)有太大的差別，如圖2所示[5]，但兩種半水石膏的特性差別很大，如表1所示[6]。

關(guān)于半水石膏的水化機(jī)理一般認(rèn)為有兩種[7]：即溶解析晶理論和膠體理論。溶解析晶理論認(rèn)為，熟石膏加水拌合后，首先是半水石膏在水中的溶解，由于半水石膏的溶解度比二水石膏的溶解度大（在20℃時(shí)，前者為8.85g/L，而后者為2.04g/L），當(dāng)溶液達(dá)到半水石膏的飽和溶解度時(shí)，這時(shí)對(duì)于二水石膏的平衡溶解度來(lái)說(shuō)已高度過(guò)飽和，所以在半水石膏的溶液中二水石膏會(huì)自發(fā)地析晶。由于二水石膏的析出，便破壞了半水石膏溶解的平衡，使半水石膏進(jìn)一步溶解，以補(bǔ)償溶液中由于二水石膏析晶所消耗的Ca+2和SO4-2離子，如此不斷地進(jìn)行，直到半水石膏完全溶解全部形成二水石膏為止；膠體理論認(rèn)為，在半水石膏水化過(guò)程中，半水石膏首先與水生成某種吸附絡(luò)合物（即形成某種水溶膠），水溶膠凝聚形成膠凝體，然后這些凝膠體再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為結(jié)晶態(tài)二水石膏。西安科技學(xué)院的牟國(guó)棟[8]研究了半水石膏水化過(guò)程的物相變化，給出了無(wú)膠凝機(jī)理存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。Singh[5]綜述了半個(gè)世紀(jì)以來(lái)研究者對(duì)于半水石膏水化的機(jī)制和動(dòng)力學(xué)研究成果，認(rèn)為第一種水化機(jī)制最有可能發(fā)生。

表1 半水石膏形成條件及其不同特性[6]

熔模微鑄造生產(chǎn)的微小件尺寸只有亞毫米級(jí)，要求相應(yīng)的微鑄型具有很高的表面粗糙度，現(xiàn)有的熔模材料由于其晶粒尺寸粗大，均滿足不了如此之低的表面粗糙度需要。對(duì)于熔模材料顯微組織細(xì)化的研究很少，文獻(xiàn)都是通過(guò)填料來(lái)細(xì)化熔模材料[9]。德國(guó)卡爾斯魯厄研究所[10]采取添加超細(xì)石英粉從而達(dá)到熔模材料的細(xì)化的目的，但是由于添加大量超細(xì)石英粉，就使得熔模材料的比表面積增加，使水膏比增加，這樣就會(huì)降低鑄型材料的強(qiáng)度，使透氣性也隨著降低，從而因鑄型內(nèi)氣體壓力增大，而導(dǎo)致微鑄件無(wú)法圓滿成形。

3.結(jié)語(yǔ)

由此可見(jiàn)，現(xiàn)有的熔模材料研究根本沒(méi)有改變石膏的晶粒尺寸，只是通過(guò)增加微細(xì)的添加物試圖降低熔模材料的表面粗糙度。為了制備出具有優(yōu)異表面粗糙度的微鑄型，從而制備出低表面粗糙度和高尺寸精度的微鑄件，僅僅是通過(guò)添加顆粒細(xì)小的材料來(lái)改變?nèi)勰２牧系膹?fù)制性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，通過(guò)先進(jìn)方法制備出適用于微鑄造的熔模材料是熔模微鑄造發(fā)展的關(guān)鍵因素。

【參考文獻(xiàn)】

[1]H.H.Schulz.Modelling and Anatomy of Tooth Crowns.Dental Labor，1976，24（1）：51-54.

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[3]S.Rath，G.Baumeister and J.Hausselt.Investments for Casting Micro Parts with Base Alloys.Microsystem Technologies，2006，12（3）：258-266.

[4]高以熹.石膏型熔模精鑄工藝及理論.西北工業(yè)大學(xué)出版社，1992：145.

[5]N.B.Singh and B.Middendorf.Calcium Sulphate Hemihydrate Hydration Leading to Gypsum Crystallization.Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials，2007，53（1）：57-77.

[6]羅啟全.鋁合金石膏型精密鑄造.廣東科技出版社，2005：234.

[7]袁潤(rùn)章.膠凝材料學(xué).武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1996：115.

[8]牟國(guó)棟.半水石膏水化過(guò)程中的物相變化研究.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2002，30（4）：532-536.

[9]C.L.Chew，M.F.Land，C.C.Thomas and R.D.Norman.Investment Strength as a Function of Time and Temperature. Journal of Dentistry，1999，27（8）：297-302.

[10]G.Baumeister，S.Rath and J.Hausselt.Microcasting of Al Bronze and a Gold Base Alloy Improved by Plaster-bonded Investment.Microsystem Technologies，2006，12（8）：773-777.