聚丙烯纖維的加入量對精鑄型殼性能的影響

＊胡 蓉

（神華準能資源綜合開發有限公司 內蒙古 010300）

在熔模精密鑄造中，型殼的制備是一個關鍵工序，因為它決定著鑄件的尺寸精度和表面粗糙度，并且直接影響著鑄件的制造成本以及生產效率[1]。傳統的型殼存在濕強度低、干燥時間長、破損嚴重等缺陷[2-3]。為了解決這一問題，通常采用增加耐火粉料層數，即型殼厚度，來增加型殼濕強度。型殼厚度增加帶來的另一問題是鑄件清理困難，型殼廢氣物排放增大，對環境污染嚴重。所以尋求一種新型殼工藝制備的方法具有重要的現實意義。目前，很多研究表明，在涂料中摻混一種增強材料，可以提高型殼強度。S.Jones和C.Yuan[4]研究了向硅溶膠涂料中摻混尼龍纖維，得到了含有纖維的硅溶膠型殼，摻混纖維后型殼脫蠟開裂傾向明顯降低，型殼的透氣性也有明顯的改善。而韓軼多[7]等選用聚丙烯纖維，將其摻入混凝土中，大大提高了混凝土的綜合性能，并闡述了纖維增強作用的機理，他們認為聚丙烯纖維是增強混凝土性能的一種重要方法。故本試驗探索聚丙烯纖維對熔模鑄造用型殼濕強度的影響，探索一種制備高強度復合型殼的新型工藝。

1.試驗方法

本試驗旨在尋找一種熔模鑄造用高強度型殼的制備工藝，以φ40um的聚丙烯纖維作為增強材料制得復合型殼，規格對型殼性能的影響規律（摻混比是指聚丙烯纖維與背層骨料莫來粉的質量百分比），并與普通型殼進行比較。復合型殼工藝制備過程中面層和過渡層均采用傳統的普通型殼工藝方法制備，其不同之處是在背層涂料中摻混聚丙烯纖維。

2.試驗結果及分析

(1)纖維摻混比對復合型殼濕強度的影響

圖1為復合型殼濕強度隨纖維摻混比變化的曲線圖。由圖1可知，纖維長度為2mm時，隨著纖維摻混比的增加，型殼強度由2.73MPa增加到達到3.10MPa，復合型殼濕強度呈平緩上升趨勢。纖維長度為3mm時，隨著摻混比增加，型殼強度由2.89MPa增加到3.21MPa，與普通試樣相比，增加了17.6%。隨著纖維摻混比的增加，復合型殼濕強度平衡上升，繼續增加，過多的纖維對型殼產生割裂作用，部分正面影響因素被抵消，所以當摻混比為2.0%時，型殼強度為3.15MPa，比摻混比為1.6%時，有所減小。纖維長度為4mm時，隨著纖維摻混比增加復合型殼濕強度呈增加的趨勢。相比長度為2mm和3mm纖維增強作用有所提高。纖維長度為5mm時，隨著纖維摻混比的增加，型殼濕強度呈先增大后減小的趨勢。與2mm、3mm和4mm纖維增強作用相比增強作用提高，而且在摻混比為1.6%時，四種長度的纖維均為強度最高點，說明纖維摻混比相同情況下，長度越長，纖維增強作用越明顯。長度為6mm時，型殼強度呈先增加后減小趨勢，與5mm纖維長度相比，對型殼增強作用降低。所以纖維長度對型殼強度也有一定的影響，主要因纖維過長或過短均不能起到承擔載荷的作用[5]，隨著摻混比的加大對型殼有割裂作用，使得對增強作用為負面影響，即表現為型殼強度降低。

圖1 纖維摻混比對復合型殼濕強度的影響

由上試驗可知，復合型殼濕強度最大值為3.6MPa，此時纖維長度為5mm，摻混比為1.6%時，與普通型殼強度相比明顯提高，增加了31.8%。因此，選用聚丙烯纖維作為增強材料可明顯提高熔模鑄造用型殼濕強度。總體觀察，在背層涂料中摻混聚丙烯纖維可以提高熔模鑄造用型殼的濕強度，由纖維所產生的正能量大于負能量，表現為復合型殼濕強度的提高。

(2)纖維對復合型殼焙燒后強度的影響

圖2為抗彎強度隨纖維摻混比變化的曲線圖。由圖2可知，纖維長度為2mm，摻混比由0.4%增加到1.2%時，型殼強度由4.8MPa增加至4.89MPa，增幅為1.8%，但與普通試樣相比，降低了1.6%，主要有兩方面影響因素：一是因型殼通過焙燒后，纖維裂解，在型殼內部形成孔道阻止裂紋的繼續擴展，表現為型殼強度的提高，即為正能量；二是纖維被焙燒后，形成的孔道數量隨著纖維摻混量的增加而增多，造成型殼內空隙增多，復合型殼實際承載力減小，高溫焙燒后復合型殼強度降低，即為負能量。此時正的影響因素大于負的影響因素，表現為型殼強度的增加。隨著纖維摻混比的繼續增加，焙燒后復合型殼強度呈下降趨勢。當摻混比為2.0%時，強度為4.53MPa。纖維長度為3mm時，隨著纖維摻混比的增加，焙燒后復合型殼強度呈先增加后減小趨勢。摻混比由0.4%增加到0.8%時，型殼強度由4.81MPa增加到5.06MPa，增幅為5.2%。纖維摻混比達到2.0%時，焙燒后復合型殼強度減小為4.65MPa，降低了6.4%。隨著纖維長度和摻混比的繼續增加，焙燒后復合型殼強度呈直線下降趨勢。摻混5mm×1.6wt%的纖維濕強度最高，此時，復合型殼焙燒后強度為4.63MPa，與普通試樣型殼相比，降低了6.8%，仍可滿足鑄造生產要求，并且利于鑄件的清理。

圖2 纖維摻混比對復合型殼濕強度影響

(3)纖維對復合型殼透氣性的影響

透氣性是指氣體通過型壁的能力，精鑄用型殼透氣性的好壞對金屬液的充型能力有重要的影響[6]，并直接影響到鑄件質量。圖3為型殼透氣性隨溫度的變化曲線圖。由圖3可知，兩種型殼透氣性總體都呈先減小后增加的趨勢。對于普通型殼試樣其主要原因是溫度升高至800℃時，由于型殼內部氣壓型繼續增大，超過型殼壁自身的承受能力時，型殼將會發生爆裂[5]，型殼壁自身產生微裂紋釋放能量，當溫度繼續升高時，所產生的微裂紋不能滿足所承載的外力時，裂縫尺度增加，表現為透氣性急劇上升。對于高強度復合型殼，由于溫度升高，型殼內部氣壓增大，當達到纖維裂解溫度時，纖維氣化，致使型殼內孔道增多，單位體積內型殼空隙增多，利于氣體的排出，但是溫度達到900℃時，出現轉折點，透氣性有所回升，主要原因是隨著溫度的升高，型殼內部氣壓增大，空氣粘度增大，型殼爆裂，產生微裂紋釋放能量，表現為型殼透氣性緩慢增加，之后，由于溫度繼續升高，氣壓繼續增加，微裂紋不能滿足時，裂縫尺度增加，表現為型殼透氣性急劇上升。綜合比較兩種型殼氣性，復合型殼透氣性相比普通試樣型殼透氣性明顯提高。當溫度為50℃時，復合型殼透氣性比普通透氣性高出了約84%；溫度為800℃時，普通型殼透氣性到達最低值，復合型殼透氣性比普通型殼透氣性高出了84.2%；溫度為900℃時，復合型殼透氣性到達最低值，此時復合型殼透氣性比普通型殼透氣性高出了23.8%，從溫度上相比，復合型殼透氣性裂縫的產生較普通型殼延遲，主要有三個方面的因素：一方面是由于纖維裂解后產生孔道，降低了裂紋敏感性，能夠有效地阻止裂紋的擴展，延緩了裂縫的產生；其次是高溫焙燒后，型殼內部氣體膨脹，氣壓增大，型殼爆裂，產生微裂紋，表現為透氣性增加；最后一方面是復合型殼由于纖維裂解之后產生孔道，這些孔道增加了型殼內部空隙，促使更多氣體通過型壁，所以在相同溫度下，與普通型殼相比，單位體積內復合型殼通過型壁的氣體增多，使得型殼所承受的外力減小。

圖3 型殼透氣性隨溫度的變化

3.結論

（1）聚丙烯纖維的摻入提高了復合型殼濕強度。在背層涂料中加入纖維后，型殼濕強度都適當提高，當纖維直徑為40um時，長度為5mm，摻混比為1.6%時，型殼濕強度增加值最大為3.60MPa，是普通型殼2.3倍。

（2）聚丙烯纖維的摻入降低了復合型殼焙燒強度。當長度為5mm，摻混比為1.6%時，型殼焙燒強度為4.63MPa，與普通型殼相比降低，有利用鑄件的清理。

（3）摻入聚丙烯纖維后，型殼透氣性有了明顯提高。