一種用于TiAl合金熔模鑄造的新型蠟模制備研究

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量，與蠟模的制備密不可分，蠟模質量的好壞是獲得優(yōu)質鑄件的基礎，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性能產生影響。蠟模質量主要受蠟料材質、形狀以及射蠟工藝的影響，而其在冷卻成型過程收縮產生的尺寸偏差是廣大學者普遍關注的問題，特別是對于復雜形狀蠟模。Yarlagadda等人以H形蠟模為研究對象，分別用以聚氨酯、Ebalata SG130以及Al2O3粉末配比為1:1:3.5制成的硬質模具和以硅橡膠制成的軟質模具，探究蠟料材質以及蠟模形狀對于蠟模成形后尺寸精度的影響。此外，Wang等人對于射蠟工藝參數(shù)對蠟模尺寸精度造成的影響也做了相關的研究。

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準，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；熱膨脹和收縮與蠟模尺寸精度直接相關。需要重點關注強度與硬度呈正相關關系，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。

2 結果與分析

2.1 蠟模的耐熱性能

熔點及耐熱性主要影響蠟模制備中的工藝參數(shù)設置。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提高。但是填料均勻分散的同時，也在模料內部形成交錯的骨架結構，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)的設置具備一定借鑒意義。

2.2 蠟模的流動性

蠟料粘度與流動性以及充型性能具有一定相關性，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部，并在焙燒過后在型殼內部形成微小孔洞，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，致使熔模表面產生流線、氣孔等缺陷。因此，蠟料澆注時粘度和流動性應保持在一個適當范圍。由國標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Al2O3加入過多時，粘度將急劇增加，流動性較差，不適用于蠟模的制備過程。

表1 蠟料100℃保溫狀態(tài)的粘度測試結果

2.3 蠟模的力學性能

蠟模成型后應具備足夠的強度和硬度，以保證在生產過程中因碰撞、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，與熔模鑄造工藝蠟模要求的4～6度尚顯不足、需要改善。本節(jié)通過對成型的長方形蠟模試樣進行抗彎測試，以表征蠟模成型后的力學性能。如圖2所示。

圖2 Al2O3粉末對蠟模試樣力學性能的影響

根據(jù)實驗結果可知，隨著Al2O3含量逐漸增多時，蠟模的抗彎強度呈線性增長，證實Al2O3的添加對蠟模的力學性能有顯著的改善效果。但根據(jù)蠟料試樣的應力-應變曲線可以發(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)出硬而脆的力學特性。相比之下添加量為33%的蠟料力學性能最為強韌，可普遍適用于熔模精密鑄造的生產要求。

2.4 蠟模的收縮性能

蠟模的熱膨脹和收縮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模的尺寸精度，減少了蠟模的表面缺陷，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的骨架結構，對蠟模收縮起到一定阻礙作用。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，有效減少蠟模的收縮、變形及各種表面凹陷問題。

圓柱形蠟模的收縮性可由其外徑線收縮率加以表征。測試結果與之前推論一致。蠟模底部的線收縮受上部蠟模自重產生壓力影響。由于原始蠟料的比重較小，底部蠟模的收縮近似自由收縮。但隨著填料增多，蠟料內部的骨架結構趨于密集化，其上部產生壓力也逐步增大，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 理論計算得出的蠟模體收縮性能結果

為進一步表征蠟料在整個圓柱體內的收縮性，本文建立如下假設：（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模高度方向的斜向收縮、頂部的表面凹陷以及內部隱藏的縮松縮孔等。根據(jù)以上假設條件，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，實驗所得的蠟模的表面凹陷以及高度方向上的斜向尺寸偏差最小，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，其在蠟料內部形成的骨架結構逐漸趨于密集，大大惡化了蠟料的補縮性能，在蠟模內部形成大量的縮松縮孔。Al2O3粉末的存在增大了蠟模內部的內應力，當超過一定量時，蠟模局部將出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，而這對于成型復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。

涉及形狀較為復雜的蠟模時，除少數(shù)自由端的自由收縮外，蠟模大部分結構的收縮都是以受阻收縮的形式進行。此時，蠟模收縮不僅包含體收縮、面收縮，還存在復雜的扭曲變形，測試標準對應的收縮性能將會與實際結果產生出入。因此，需要將復雜蠟模分解成若干個簡單形狀的蠟模塊分別研究對應形狀對蠟模收縮的影響。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)前期實驗結果，測試溫度設定在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模邊緣及距邊緣1cm處厚度變化進行測量可以發(fā)現(xiàn)，由于薄壁蠟模補縮困難，表現(xiàn)出較高的收縮率。由于蠟模模具的激冷作用，芯部蠟模在大平面澆注的情況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，可適用于薄壁蠟模的精密成型。如圖4所示。

圖4 不同條件下的蠟料大平面收縮情況

4 結語

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。混合蠟料在蠟模表面的凹陷程度方面存在明顯改善，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。