失重法在熔模鑄造制殼工藝開發(fā)中的應(yīng)用

張松泉，曾洪，朱廣智，楊功顯

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

失重法在熔模鑄造制殼工藝開發(fā)中的應(yīng)用

張松泉，曾洪，朱廣智，楊功顯

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

文章采用失重法跟蹤測量了硅溶膠-EC95型殼在干燥過程中的重量變化，得到了文章所述的制殼工藝條件下每層型殼的失重曲線和干燥時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明：每層型殼在干燥過程中的失水速率均逐漸降低；從面層到背層，失重曲線逐漸變緩；提高風(fēng)速，失重曲線變陡；失重曲線可以反映型殼的干燥過程及其影響因素的作用。

硅溶膠型殼，失重法，干燥

0 引言

熔模精密鑄造硅溶膠型殼采用干燥硬化而使溶膠膠凝，該工藝是一種綠色制殼方法，而且工藝過程簡單，所制型殼強(qiáng)度高，因此，逐漸成為熔模鑄造行業(yè)占主導(dǎo)地位的工藝，被廣泛應(yīng)用于近凈形成型[1]。

硅溶膠型殼干燥是制殼過程中最重要的一環(huán)。只有硅溶膠完全膠凝，型殼才能具有良好的性能。為保證型殼質(zhì)量，必須對硅溶膠的干燥進(jìn)行控制。干燥間各處的溫度、濕度和風(fēng)速可以采用儀器進(jìn)行測定、控制和調(diào)整，以穩(wěn)定干燥間的工藝參數(shù)。但是，如何獲知型殼的干燥程度一直以來是熔模鑄造的難題。已經(jīng)報(bào)道的型殼干燥程度測定方法有:顯色法、電阻法、重量法和γ射線衰減法等。γ射線衰減法因設(shè)備昂貴很少使用，前三種方法在實(shí)際生產(chǎn)中均有應(yīng)用，介紹如下[1]:

（1）顯色法。即在涂料中加入顯色劑，型殼干燥前后的顏色有明顯區(qū)別，很容易根據(jù)顏色來判斷型殼是否干燥，這種方法在國外生產(chǎn)中已有應(yīng)用。

（2）電阻法。其原理是利用型殼中水的高導(dǎo)電性，型殼的電阻和其含水量有關(guān)，同時(shí)，還和硅溶膠凝膠轉(zhuǎn)變狀態(tài)有一定關(guān)系，在硅溶膠為溶膠和膠凝初期的軟凍膠時(shí)，型殼電阻值基本不變。當(dāng)失水率達(dá)70%以上，硅溶膠已轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥詢瞿z或凝膠時(shí)，電阻值就急劇增大。因此，可以認(rèn)為型殼電阻急劇增大到超過某一臨界值時(shí)，型殼已干燥。有資料指出，在涂料層之間距10 mm時(shí)，電阻值為2 000 kΩ，即可認(rèn)為涂層已干透。國外已經(jīng)設(shè)計(jì)出測定型殼干燥程度的專用儀器，具有較高的可信度。國內(nèi)有工廠借鑒這種方法采用指針式萬用表來檢測，效果不是很好。

（3）重量法。也稱失重法，其依據(jù)是硅溶膠的干燥過程實(shí)質(zhì)上是水分蒸發(fā)的過程。用失重法測得結(jié)果表明，在制殼過程中約失去質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的水分，干燥時(shí)約失去質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%的水分，其余質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的水則以物理水或化合水形態(tài)存在于硅溶膠中。失重法道理簡單，操作方便，但是會因型殼外部砂粒容易脫落而不準(zhǔn)確。

作者在工廠的應(yīng)用實(shí)踐中，合理設(shè)計(jì)失重法檢測過程，完全避免了因型殼外部砂粒容易脫落而導(dǎo)致的稱重不準(zhǔn)確，重復(fù)試驗(yàn)得到的失重法曲線基本一致，證實(shí)了失重法用于型殼干燥程度和最短干燥時(shí)間確定的可行性。

1 硅溶膠制殼工藝

試驗(yàn)選用小粒徑的S-830為面層粘結(jié)劑，主要考慮其高的涂層強(qiáng)度；選用電熔白剛玉粉為面層粉料，主要考慮原料穩(wěn)定和低成本；選用大粒徑的S-1430為背層粘結(jié)劑；選用EC95為背層粉料。撒砂采用雨淋式撒砂，撒砂種類與該層涂料用耐火粉料一致。

本實(shí)驗(yàn)選用某型號葉片蠟?zāi)＿M(jìn)行制殼，跟蹤其每一層干燥過程中的重量變化情況，具體制殼工藝，見表1。

表1蠟?zāi)５闹茪すに?/p>

2 失重法測試干燥過程結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)采用在型殼下面放置浮砂承接盤，每次稱重時(shí)連同砂盤一并稱量，保證了測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性。每一層沾漿、撒砂完成以后，置于干燥間干燥，每隔1小時(shí)記錄1次重量數(shù)據(jù)，繪制成折線圖。第一層 （面層）的干燥過程重量數(shù)據(jù)，見圖1。從圖中可以看出，4 h以后，型殼基本不再失水。第二層的干燥過程重量數(shù)據(jù)，見圖2。從圖中可以看出，5 h以后，型殼基本不再失水。

圖1 第一層干燥過程重量數(shù)據(jù)

圖2 第二層干燥過程重量數(shù)據(jù)

第三層的干燥過程重量數(shù)據(jù)，見圖3。從圖中可以看出，4h以后，型殼基本不再失水。第四層的干燥過程重量數(shù)據(jù)，見圖4。從圖中可以看出，6～7h以后，型殼基本不再失水。

圖3 第三層干燥過程重量數(shù)據(jù)

圖4 第四層干燥過程重量數(shù)據(jù)

第五層的干燥過程重量數(shù)據(jù)，見圖5。從圖中可以看出，6～7h以后，型殼基本不再失水。封漿層的干燥過程重量數(shù)據(jù)，見圖6。從圖中可以看出，8～9h以后，型殼失水速率減慢，完全干燥需要很長時(shí)間。

圖5 第五層干燥過程重量數(shù)據(jù)

圖6 封漿層干燥過程重量數(shù)據(jù)

2.1 失重法用于型殼干燥程度和最短干燥時(shí)間確定

從圖1～6可以看出，每一層的干燥過程均表現(xiàn)為失水速率逐漸減慢，最后與干燥間環(huán)境達(dá)到平衡。這一點(diǎn)從硅溶膠型殼干燥過程的實(shí)質(zhì)[2，3]可以理解。硅溶膠型殼干燥是硅溶膠膠凝析水和水分蒸發(fā)兩個(gè)過程。在干燥初始階段，硅溶膠粒子聚合，析水量較大，而且水分子比較自由，同時(shí)，水分子遷移通道順暢，型殼表面的水分蒸發(fā)速率較快，導(dǎo)致綜合失水較快。在干燥后期，硅溶膠粒子已經(jīng)聚合成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水分子被包含在內(nèi)，同時(shí)，型殼內(nèi)表面的水分子需要擴(kuò)散至表層才能散失，所以，失水速率減慢。

從圖1～6還可以得出，在本文所述的制殼工藝條件下，面層干燥需要4 h即可，與有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的相比，時(shí)間較短，這可能是由于本工藝采用的涂料粘度較低、涂層較薄所致。過渡層 （第二、三層）干燥需要4～5 h，背層干燥需要6～7 h。封漿層干燥8～9 h以后，干燥速率變得很緩慢。本研究已經(jīng)獲得了這些數(shù)據(jù)，再結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中模殼的解剖結(jié)果和實(shí)際澆鑄使用狀況，便可以獲得最短的干燥時(shí)間，從而提高制殼效率。

2.2 失重法反映干燥條件的影響

影響型殼干燥的因素很多，其中以環(huán)境濕度、風(fēng)速和環(huán)境溫度三種因素作用最大。行業(yè)內(nèi)通過定性研究這三種因素對干燥時(shí)間的影響[4]，得出的結(jié)論見表2。還有人采用電阻法進(jìn)行了定量研究[5]，得出了公式，根據(jù)環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等因素就可直接算出干燥時(shí)間。但是，考慮到干燥間環(huán)境的變動(dòng)以及工藝參數(shù)的變動(dòng)，再加上得出公式要求的專業(yè)能力，這種定量的方法在一般工廠實(shí)施起來不是很方便。

表2 硅溶膠型殼的理想干燥條件

本研究對比圖2和圖3（即第二、三層），除了風(fēng)速以外，其它制殼因素均一致。從不吹風(fēng)到2 m/s的風(fēng)速，型殼干燥時(shí)間從5 h縮短到4 h，失水曲線也變得較陡。這說明失重法可以反映出風(fēng)速對干燥時(shí)間的影響。這種方法同樣可以推廣到研究其他因素對干燥時(shí)間的影響。更重要的是，這種方法便于實(shí)施，可供普通熔模鑄造工廠采用。

2.3 失重法的其他應(yīng)用

（1）反映制殼材料的差異對型殼干燥過程的影響，如硅溶膠濃度、撒砂種類和粒度等。

（2）在實(shí)驗(yàn)中，作者觀察到通過每一層沾漿、撒砂完成后測量的增重，可以反映出沾漿操作（沾漿時(shí)間、滴漿方式）和淋砂操作對型殼層厚的影響，這一點(diǎn)對于手工制殼的工廠而言，尤其需要引起重視。

（3）在實(shí)驗(yàn)中，制殼涂料，尤其是面層涂料，在使用一段時(shí)間以后，經(jīng)常出現(xiàn)撒砂時(shí)涂料已經(jīng)不沾砂的現(xiàn)象，說明涂料干燥得很快。作者認(rèn)為可以采用失重法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來研究涂料的干燥過程，進(jìn)而可以用來幫助判斷涂料的狀態(tài)。

3 結(jié)論

本研究取得的主要結(jié)論如下:

（1）在本文所述的制殼工藝條件下，面層干燥需要4 h即可，過渡層干燥需要4～5 h，背層干燥需要6～7 h，封漿層干燥8～9 h以后，干燥速率變得很緩慢。

（2）每層型殼在干燥過程中的失水速率均逐漸降低。從面層到背層，失重曲線變緩。提高風(fēng)速，失重曲線變陡。

（3）針對某一套具體的制殼材料結(jié)合制殼工藝，采用失重法試驗(yàn)，可以幫助開發(fā)出最佳干燥工藝條件。

（4）在制殼實(shí)踐中，失重法可用于控制制殼質(zhì)量和跟蹤制殼作業(yè)的穩(wěn)定性。

[1]姜不居.實(shí)用熔模鑄造技術(shù)[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2008

[2]楊麗靜,田輝平,龍軍,等.堿性硅溶膠穩(wěn)定性的研究[J].石油煉制與化工,2010,41(6):12-16

[3]王珍,季曉玲,翟麗莉,等.硅溶膠熔模鑄造型殼的微觀結(jié)構(gòu)分析[J].有機(jī)硅材料,2010,24(3):180-183

[4]陳冰,張建平.硅溶膠型殼干燥過程的控制[J].現(xiàn)代鑄造, 1981,(3):25-31

[5]王樂儀,史正興,彭興恕.硅溶膠粘結(jié)劑型殼的干燥及其測定[J].鑄造技術(shù),1981,(2):33-30

Application ofWeight Loss Method in the Developmentof Shell-making Process in Investment Casting Technology

Zhang Songquan，Zeng Hong，Zhu Guangzhi，Yang Gongxian
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The weight change of the silica sol-EC95 shell during the drying process wasmeasured by using the weight lossmethod in this paper.The weight loss curve and the drying time of each shell in the shell process condition described were gained.The results also showed that:thewater loss rate of each shell in the drying process decreased gradually;theweight loss curve slowed down gradually from the surface layer to the backing layer;the weight loss curve steepened while improving wind speed;the weight loss curve could reflect the drying process and the effects of the impact factors.

silica sol shell,weight lossmethod,drying

TG249

：B

：1674-9987（2014）01-0036-04

張松泉 （1985-），男，碩士研究生，助理工程師，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)材料加工工程專業(yè)，現(xiàn)就職于東方汽輪機(jī)有限公司材料研究中心 長壽命高溫材料四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要從事高溫合金熔模精密鑄造工作。