一種用于TiAl合金熔模鑄造的新型蠟?zāi)Ｖ苽溲芯?/h1>
2018-09-06 08:33:12劉敬祺
中國設(shè)備工程 2018年17期
劉敬祺
（溫州中車四方軌道車輛有限公司，浙江 溫州 325000）
熔模鑄造成型的鑄件質(zhì)量，與蠟?zāi)５闹苽涿懿豢煞?，蠟?zāi)Ｙ|(zhì)量的好壞是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的基礎(chǔ)，任何的表面缺陷和尺寸偏差都直接對鑄件的顯微組織和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。蠟?zāi)Ｙ|(zhì)量主要受蠟料材質(zhì)、形狀以及射蠟工藝的影響，而其在冷卻成型過程收縮產(chǎn)生的尺寸偏差是廣大學(xué)者普遍關(guān)注的問題，特別是對于復(fù)雜形狀蠟?zāi)?。Yarlagadda等人以H形蠟?zāi)檠芯繉ο螅謩e用以聚氨酯、Ebalata SG130以及Al2O3粉末配比為1:1:3.5制成的硬質(zhì)模具和以硅橡膠制成的軟質(zhì)模具，探究蠟料材質(zhì)以及蠟?zāi)Ｐ螤顚τ谙災(zāi)３尚魏蟪叽缇鹊挠绊憽４送?，Wang等人對于射蠟工藝參數(shù)對蠟?zāi)３叽缇仍斐傻挠绊懸沧隽讼嚓P(guān)的研究。
1 實驗過程
本文的實驗材料為KW-218型模型蠟，通過添加固體填料對其進行改性處理。固體填料是指在蠟料工作溫度不會熔化，且在蠟料中分散均勻的細小顆粒，同時與液態(tài)蠟料保持較好的潤濕性和化學(xué)穩(wěn)定性。本文選用320#Al2O3粉末作為固體填料，通過控制其添加比例測試Al2O3粉末對原始蠟料的改性作用。
蠟料性能存在較為成熟的檢測標(biāo)準(zhǔn)，包括熔點、耐熱性、熱膨脹和收縮、強度、硬度、粘度、流動性、涂掛性以及灰分九個方面。其中，熔點與耐熱性的測量可通過DSC曲線進行分析；熱膨脹和收縮與蠟?zāi)３叽缇戎苯酉嚓P(guān)。需要重點關(guān)注強度與硬度呈正相關(guān)關(guān)系，可通過抗彎實驗加以表征；粘度直接影響其熔融狀態(tài)下的流動性和涂掛性；由于KW-218型蠟料的灰分小于0.01%，填料殘余的Al2O3顆粒對于后續(xù)型殼制備并無影響，故并不在本文研究范疇之內(nèi)。
2 結(jié)果與分析
2.1 蠟?zāi)５哪蜔嵝阅?/h3>
熔點及耐熱性主要影響蠟?zāi)Ｖ苽渲械墓に噮?shù)設(shè)置。對于原始蠟料而言，其軟化點位于70℃，熔點則位于82℃，凝固溫度區(qū)間略大于壓蠟要求的工藝范圍。
圖1 不同Al2O3粉末添加比例的蠟料
DSC曲線如圖1所示，在原始蠟料中添加適量的Al2O3之后，填料相對蠟料可在加熱過程中吸收更多熱量，其熔點和耐熱性也會相應(yīng)提高。但是填料均勻分散的同時，也在模料內(nèi)部形成交錯的骨架結(jié)構(gòu)，軟化溫度的增長一般高于同等加入量下熔點的增長。因此，添加適量的Al2O3粉末可有效縮小其凝固溫度區(qū)間，對壓臘工藝參數(shù)的設(shè)置具備一定借鑒意義。
2.2 蠟?zāi)５牧鲃有?/h3>
蠟料粘度與流動性以及充型性能具有一定相關(guān)性，其熔融狀態(tài)下粘度越低，便意味著在澆注時的流動性越好，更有利于蠟料熔體充滿模具型腔，甚至是棱角以及精密部位。同時較低的粘度也利于型殼脫蠟以及其中水分和粉塵的分離。此外，流動性較好時，部分蠟料將在脫蠟過程中滲入型殼內(nèi)部，并在焙燒過后在型殼內(nèi)部形成微小孔洞，從而緩解了型殼脹裂的危險。
但是，流動性過高時，蠟料在注入型腔時極易出現(xiàn)紊流、飛濺現(xiàn)象，致使熔模表面產(chǎn)生流線、氣孔等缺陷。因此，蠟料澆注時粘度和流動性應(yīng)保持在一個適當(dāng)范圍。由國標(biāo)GB/T14235.8-1993熔模鑄造模料粘度測定方法指出，該范圍在30～300MPa·s。
鑒于Al2O3粉末對蠟料耐熱性的改善，試驗的保溫溫度選定在100℃時，試驗結(jié)果如表1所示，經(jīng)測量保溫溫度為100℃時，混合蠟料的粘度隨Al2O3粉末的加入有所增大，相應(yīng)改善了其熔融狀態(tài)下流動性過高的不足，可很好滿足熔模鑄造的蠟料澆注要求。但當(dāng)Al2O3加入過多時，粘度將急劇增加，流動性較差，不適用于蠟?zāi)５闹苽溥^程。
表1 蠟料100℃保溫狀態(tài)的粘度測試結(jié)果
2.3 蠟?zāi)５牧W(xué)性能
蠟?zāi)３尚秃髴?yīng)具備足夠的強度和硬度，以保證在生產(chǎn)過程中因碰撞、摩擦造成的損傷。原始數(shù)據(jù)顯示，該蠟料的針入度（即硬度）的數(shù)據(jù)為9度，與熔模鑄造工藝蠟?zāi)Ｒ蟮?～6度尚顯不足、需要改善。本節(jié)通過對成型的長方形蠟?zāi)Ｔ嚇舆M行抗彎測試，以表征蠟?zāi)３尚秃蟮牧W(xué)性能。如圖2所示。
圖2 Al2O3粉末對蠟?zāi)Ｔ嚇恿W(xué)性能的影響
根據(jù)實驗結(jié)果可知，隨著Al2O3含量逐漸增多時，蠟?zāi)５目箯潖姸瘸示€性增長，證實Al2O3的添加對蠟?zāi)５牧W(xué)性能有顯著的改善效果。但根據(jù)蠟料試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，原始蠟料柔韌有余，但強度不足；Al2O3粉末的添加量達50%時，蠟料則表現(xiàn)出硬而脆的力學(xué)特性。相比之下添加量為33%的蠟料力學(xué)性能最為強韌，可普遍適用于熔模精密鑄造的生產(chǎn)要求。
2.4 蠟?zāi)５氖湛s性能
蠟?zāi)５臒崤蛎浐褪湛s是模料最為重要的性能要求之一。熱膨脹和收縮較小的蠟料不僅提高了蠟?zāi)５某叽缇龋瑴p少了蠟?zāi)５谋砻嫒毕?，也避免了脫蠟時型殼脹裂的危險。因此蠟料的收縮率一般限制在1%以下。
Al2O3粉末的加入，勢必在熔融蠟料中形成相應(yīng)的骨架結(jié)構(gòu)，對蠟?zāi)Ｊ湛s起到一定阻礙作用。同時Al2O3粉末熔點相比蠟料較高，可在凝固過程中吸收其放出的潛熱，從而加速冷卻，有效減少蠟?zāi)５氖湛s、變形及各種表面凹陷問題。
圓柱形蠟?zāi)５氖湛s性可由其外徑線收縮率加以表征。測試結(jié)果與之前推論一致。蠟?zāi)５撞康木€收縮受上部蠟?zāi)Ｗ灾禺a(chǎn)生壓力影響。由于原始蠟料的比重較小，底部蠟?zāi)５氖湛s近似自由收縮。但隨著填料增多，蠟料內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)趨于密集化，其上部產(chǎn)生壓力也逐步增大，迫使蠟料在徑向的線收縮受阻，從而線收縮表現(xiàn)出直線下降趨勢。如圖3所示。
圖3 理論計算得出的蠟?zāi)ｓw收縮性能結(jié)果
為進一步表征蠟料在整個圓柱體內(nèi)的收縮性，本文建立如下假設(shè)：（1）混合蠟料中填料分散均勻，與原始蠟料互不相容。（2）此處體收縮排除了外徑線收縮的帶來的影響，即該體收縮范疇僅包含圓柱蠟?zāi)８叨确较虻男毕蚴湛s、頂部的表面凹陷以及內(nèi)部隱藏的縮松縮孔等。根據(jù)以上假設(shè)條件，可得如下計算公式：
變形可得：
由此計算可知，填料添加量達33%時，實驗所得的蠟?zāi)５谋砻姘枷菀约案叨确较蛏系男毕虺叽缙钭钚?，收縮性能最為理想。相反添加量達到50%時，由于Al2O3粉末的添加量過多，其在蠟料內(nèi)部形成的骨架結(jié)構(gòu)逐漸趨于密集，大大惡化了蠟料的補縮性能，在蠟?zāi)?nèi)部形成大量的縮松縮孔。Al2O3粉末的存在增大了蠟?zāi)?nèi)部的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)超過一定量時，蠟?zāi)＞植繉⒊霈F(xiàn)開裂現(xiàn)象，而這對于成型復(fù)雜薄壁件的熔模鑄造工藝將是極為惡劣的影響。因此Al2O3粉末的添加比例不宜過高，以保證混合均勻的蠟料具備良好的收縮性能。
涉及形狀較為復(fù)雜的蠟?zāi)r，除少數(shù)自由端的自由收縮外，蠟?zāi)４蟛糠纸Y(jié)構(gòu)的收縮都是以受阻收縮的形式進行。此時，蠟?zāi)Ｊ湛s不僅包含體收縮、面收縮，還存在復(fù)雜的扭曲變形，測試標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的收縮性能將會與實際結(jié)果產(chǎn)生出入。因此，需要將復(fù)雜蠟?zāi)７纸獬扇舾蓚€簡單形狀的蠟?zāi)K分別研究對應(yīng)形狀對蠟?zāi)Ｊ湛s的影響。本文考慮不同澆注溫度下，混合蠟料對于薄壁階梯模塊的成型收縮性能的影響。
根據(jù)前期實驗結(jié)果，測試溫度設(shè)定在90℃、100℃、110℃，選用蠟料分別為KW-218型蠟料以及加入33%Al2O3含量的混合蠟料，對不同條件下制得蠟?zāi)＿吘壖熬噙吘?cm處厚度變化進行測量可以發(fā)現(xiàn)，由于薄壁蠟?zāi)Ｑa縮困難，表現(xiàn)出較高的收縮率。由于蠟?zāi)Ｄ＞叩募だ渥饔?，芯部蠟?zāi)Ｔ诖笃矫鏉沧⒌那闆r下存在著輕微的凹陷。同等條件下，混合蠟料的薄壁收縮性較小，獲得的大平面具有較優(yōu)的平整度，可適用于薄壁蠟?zāi)５木艹尚?。如圖4所示。
圖4 不同條件下的蠟料大平面收縮情況
4 結(jié)語
添加一定Al2O3粉末以后，混合蠟料的耐熱性、強度、收縮性能均有所改善。添加Al2O3粉末混合蠟料的粘度、流動性需加熱至100℃方可得到改善。混合蠟料在蠟?zāi)１砻娴陌枷莩潭确矫娲嬖诿黠@改善，但需要更高的澆注溫度以保證其澆注過程的充型能力。實驗指出，澆注溫度在100～110℃時澆注平面較為平直。
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劉敬祺
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蠟料性能存在較為成熟的檢測標(biāo)準(zhǔn)，包括熔點、耐熱性、熱膨脹和收縮、強度、硬度、粘度、流動性、涂掛性以及灰分九個方面。其中，熔點與耐熱性的測量可通過DSC曲線進行分析；熱膨脹和收縮與蠟?zāi)３叽缇戎苯酉嚓P(guān)。需要重點關(guān)注強度與硬度呈正相關(guān)關(guān)系，可通過抗彎實驗加以表征；粘度直接影響其熔融狀態(tài)下的流動性和涂掛性；由于KW-218型蠟料的灰分小于0.01%，填料殘余的Al2O3顆粒對于后續(xù)型殼制備并無影響，故并不在本文研究范疇之內(nèi)。
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圖1 不同Al2O3粉末添加比例的蠟料
DSC曲線如圖1所示，在原始蠟料中添加適量的Al2O3之后，填料相對蠟料可在加熱過程中吸收更多熱量，其熔點和耐熱性也會相應(yīng)提高。但是填料均勻分散的同時，也在模料內(nèi)部形成交錯的骨架結(jié)構(gòu)，軟化溫度的增長一般高于同等加入量下熔點的增長。因此，添加適量的Al2O3粉末可有效縮小其凝固溫度區(qū)間，對壓臘工藝參數(shù)的設(shè)置具備一定借鑒意義。
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但是，流動性過高時，蠟料在注入型腔時極易出現(xiàn)紊流、飛濺現(xiàn)象，致使熔模表面產(chǎn)生流線、氣孔等缺陷。因此，蠟料澆注時粘度和流動性應(yīng)保持在一個適當(dāng)范圍。由國標(biāo)GB/T14235.8-1993熔模鑄造模料粘度測定方法指出，該范圍在30～300MPa·s。
鑒于Al2O3粉末對蠟料耐熱性的改善，試驗的保溫溫度選定在100℃時，試驗結(jié)果如表1所示，經(jīng)測量保溫溫度為100℃時，混合蠟料的粘度隨Al2O3粉末的加入有所增大，相應(yīng)改善了其熔融狀態(tài)下流動性過高的不足，可很好滿足熔模鑄造的蠟料澆注要求。但當(dāng)Al2O3加入過多時，粘度將急劇增加，流動性較差，不適用于蠟?zāi)５闹苽溥^程。
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蠟?zāi)３尚秃髴?yīng)具備足夠的強度和硬度，以保證在生產(chǎn)過程中因碰撞、摩擦造成的損傷。原始數(shù)據(jù)顯示，該蠟料的針入度（即硬度）的數(shù)據(jù)為9度，與熔模鑄造工藝蠟?zāi)Ｒ蟮?～6度尚顯不足、需要改善。本節(jié)通過對成型的長方形蠟?zāi)Ｔ嚇舆M行抗彎測試，以表征蠟?zāi)３尚秃蟮牧W(xué)性能。如圖2所示。
圖2 Al2O3粉末對蠟?zāi)Ｔ嚇恿W(xué)性能的影響
根據(jù)實驗結(jié)果可知，隨著Al2O3含量逐漸增多時，蠟?zāi)５目箯潖姸瘸示€性增長，證實Al2O3的添加對蠟?zāi)５牧W(xué)性能有顯著的改善效果。但根據(jù)蠟料試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，原始蠟料柔韌有余，但強度不足；Al2O3粉末的添加量達50%時，蠟料則表現(xiàn)出硬而脆的力學(xué)特性。相比之下添加量為33%的蠟料力學(xué)性能最為強韌，可普遍適用于熔模精密鑄造的生產(chǎn)要求。
2.4 蠟?zāi)５氖湛s性能
蠟?zāi)５臒崤蛎浐褪湛s是模料最為重要的性能要求之一。熱膨脹和收縮較小的蠟料不僅提高了蠟?zāi)５某叽缇龋瑴p少了蠟?zāi)５谋砻嫒毕?，也避免了脫蠟時型殼脹裂的危險。因此蠟料的收縮率一般限制在1%以下。
Al2O3粉末的加入，勢必在熔融蠟料中形成相應(yīng)的骨架結(jié)構(gòu)，對蠟?zāi)Ｊ湛s起到一定阻礙作用。同時Al2O3粉末熔點相比蠟料較高，可在凝固過程中吸收其放出的潛熱，從而加速冷卻，有效減少蠟?zāi)５氖湛s、變形及各種表面凹陷問題。
圓柱形蠟?zāi)５氖湛s性可由其外徑線收縮率加以表征。測試結(jié)果與之前推論一致。蠟?zāi)５撞康木€收縮受上部蠟?zāi)Ｗ灾禺a(chǎn)生壓力影響。由于原始蠟料的比重較小，底部蠟?zāi)５氖湛s近似自由收縮。但隨著填料增多，蠟料內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)趨于密集化，其上部產(chǎn)生壓力也逐步增大，迫使蠟料在徑向的線收縮受阻，從而線收縮表現(xiàn)出直線下降趨勢。如圖3所示。
圖3 理論計算得出的蠟?zāi)ｓw收縮性能結(jié)果
為進一步表征蠟料在整個圓柱體內(nèi)的收縮性，本文建立如下假設(shè)：（1）混合蠟料中填料分散均勻，與原始蠟料互不相容。（2）此處體收縮排除了外徑線收縮的帶來的影響，即該體收縮范疇僅包含圓柱蠟?zāi)８叨确较虻男毕蚴湛s、頂部的表面凹陷以及內(nèi)部隱藏的縮松縮孔等。根據(jù)以上假設(shè)條件，可得如下計算公式：
變形可得：
由此計算可知，填料添加量達33%時，實驗所得的蠟?zāi)５谋砻姘枷菀约案叨确较蛏系男毕虺叽缙钭钚?，收縮性能最為理想。相反添加量達到50%時，由于Al2O3粉末的添加量過多，其在蠟料內(nèi)部形成的骨架結(jié)構(gòu)逐漸趨于密集，大大惡化了蠟料的補縮性能，在蠟?zāi)?nèi)部形成大量的縮松縮孔。Al2O3粉末的存在增大了蠟?zāi)?nèi)部的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)超過一定量時，蠟?zāi)＞植繉⒊霈F(xiàn)開裂現(xiàn)象，而這對于成型復(fù)雜薄壁件的熔模鑄造工藝將是極為惡劣的影響。因此Al2O3粉末的添加比例不宜過高，以保證混合均勻的蠟料具備良好的收縮性能。
涉及形狀較為復(fù)雜的蠟?zāi)r，除少數(shù)自由端的自由收縮外，蠟?zāi)４蟛糠纸Y(jié)構(gòu)的收縮都是以受阻收縮的形式進行。此時，蠟?zāi)Ｊ湛s不僅包含體收縮、面收縮，還存在復(fù)雜的扭曲變形，測試標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的收縮性能將會與實際結(jié)果產(chǎn)生出入。因此，需要將復(fù)雜蠟?zāi)７纸獬扇舾蓚€簡單形狀的蠟?zāi)K分別研究對應(yīng)形狀對蠟?zāi)Ｊ湛s的影響。本文考慮不同澆注溫度下，混合蠟料對于薄壁階梯模塊的成型收縮性能的影響。
根據(jù)前期實驗結(jié)果，測試溫度設(shè)定在90℃、100℃、110℃，選用蠟料分別為KW-218型蠟料以及加入33%Al2O3含量的混合蠟料，對不同條件下制得蠟?zāi)＿吘壖熬噙吘?cm處厚度變化進行測量可以發(fā)現(xiàn)，由于薄壁蠟?zāi)Ｑa縮困難，表現(xiàn)出較高的收縮率。由于蠟?zāi)Ｄ＞叩募だ渥饔?，芯部蠟?zāi)Ｔ诖笃矫鏉沧⒌那闆r下存在著輕微的凹陷。同等條件下，混合蠟料的薄壁收縮性較小，獲得的大平面具有較優(yōu)的平整度，可適用于薄壁蠟?zāi)５木艹尚?。如圖4所示。
圖4 不同條件下的蠟料大平面收縮情況
4 結(jié)語
添加一定Al2O3粉末以后，混合蠟料的耐熱性、強度、收縮性能均有所改善。添加Al2O3粉末混合蠟料的粘度、流動性需加熱至100℃方可得到改善。混合蠟料在蠟?zāi)１砻娴陌枷莩潭确矫娲嬖诿黠@改善，但需要更高的澆注溫度以保證其澆注過程的充型能力。實驗指出，澆注溫度在100～110℃時澆注平面較為平直。
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