一種環保型精鑄型芯的開發

藍勇

摘? 要：本文介紹了一種新型精鑄型芯，該型芯以硅溶膠為粘結劑，以剛玉粉和熔融石英砂為耐火骨料，采用環保型的促凝劑進行固化，具有濕強度高、潰散性好和成本低的特點。開發過程以高難度型芯為載體，通過配方優化，解決了型芯成形階段濕強度不足和容易收縮斷裂的技術難題，使其具備了工業化應用能力。

關鍵詞：熔模鑄造；型芯；環保；潰散性

中圖分類號：U466? ? ? ?文獻標識碼：B? ? ? 文章編號：1005-2550（2023）02-0090-05

Development of an Environmental Friendly Core for Investment Casting

LAN Yong

（Dongfeng Investment Casting Co.， ltd.， Shiyan， China）

Abstracts： This paper introduces a new type of investment casting core. The core takes silica sol as binder， corundum powder and fused quartz sand as refractory aggregate， and is cured with environmental friendly curing agent. It has the characteristics of high wet strength， good collapsibility and low cost. The development process takes the difficult core as the carrier， and through formula optimization， the technical problems of insufficient wet strength and easy fracture for shrinkage in the core forming stage are solved， so that it has the ability of industrial application.

Key Words： Investment Casting; Core; Environmental Friendly; Collapsibility

藍? ?勇

畢業于華中農業大學，清華大學機械工程系材料工程碩士研究生，現就職于東風精密鑄造有限公司工藝技術部，任高級工程師，主要從事現場工藝管理和新材料、新工藝研發工作。

前? ? 言

熔模鑄造是一種近凈成形的先進工藝，比較適合于中小型復雜精鑄件的生產。對于生產具有深孔、深槽或復雜型腔的精鑄件，往往要根據產品特點選用合適的型芯預置到蠟模中，或通過灌槳方式形成所需要的型腔。不同類型的型芯，其應用范圍不一樣，也均有其局限性，表1是各種常用型芯主要優缺點匯總表。

從表1可以看出，現有的型芯基本上可以滿足大多數具有復雜型腔產品的生產要求，但使用成本高和環保性差的問題急需改善，均具有局限性。聚碳石膏（或聚鎂）型芯具有潰散性好的優點，環保方面滿足要求，缺點是導熱性差，僅適用于熱容量小的鑄件，用于散熱困難的鑄件會出現粘砂缺陷，而且該種型芯焙燒冷卻后會失去強度，無法二次焙燒。其它可以直接跟金屬液接觸的型芯，在制造過程或在型芯去除過程用到不環保的材料，環保性不足。

東風精密鑄造有限公司（簡稱東風精鑄）是一家以生產汽車零部件為主的精鑄企業，隨著產品的拓展，有一些具有復雜型腔的鑄件需要用到特制的型芯，出于QCD方面的考慮，這些型芯要同時滿足成本、環保和潰散性三方面的要求。鑒于無法購買到符合要求的商品化型芯，自主開發型芯課題被提上了日程。

1? ? 型芯總體方案

針對于自主開發型芯課題，課題組設定的主要約束條件如下：

（1）型芯主要用于不銹鋼和低合金鋼產品，耐火度1600℃以上；

（2）綜合成本較商品化型芯降低50%；

（3）可通過機械振動、拋丸或噴砂方式脫芯；

（4）利用現有條件推進，無大的設備投入；

（5）禁止使用不環保的材料。

課題組根據以上設定的條件對型芯總體技術方案進行策劃。

1.1? ?成形方法選擇

考慮到壓注成形法需要投入較多的設備，壓注出來的型芯需要高溫燒結，型芯化學腐蝕脫芯的方法不環保，所以選擇灌漿成形的方法。采用灌漿成形法，設備投入少，起模時間長造成的產能瓶頸可以通過投入多個芯盒連續澆灌的方法來解決。芯盒材料可以有多種選擇，可以選擇金屬材料，也可以選擇樹脂材料，還可用蠟模當成芯盒來澆灌型芯。

1.2? ?粘結劑和促凝劑選擇

灌漿成形法配制的陶瓷漿料需要用到粘結劑，精鑄行業以前通常選擇硅酸乙酯為粘結劑，鑒于硅酸乙酯水解時需要加入鹽酸等不環保的材料，而且硅酸乙酯成品價格也很高，故不納入考慮范圍。磷酸鹽在1500℃以上會分解發氣，耐溫能力不足。水玻璃和硅溶膠均是精鑄常用的粘結劑，使用成本低，是制備低成本型芯相對理想的粘結劑。選用水玻璃為粘結劑制備型芯，型芯固化后具有很好的常溫強度，但漿料階段的固化并不能充分將氧化鈉去除掉，為提高型芯的高溫強度，需要進行二次化學硬化處理，硬化時間長，化學硬化產生的鈉鹽和殘留的硬化劑均會染污環境，環保方面無法滿足要求。從耐高溫性能、成本和環保三方面綜合考慮，最終選擇硅溶膠作為型芯的粘結劑。

硅溶膠漿料常用的促凝劑是氯化銨水溶液[2]，但由于氯化銨在促凝過程中會不斷釋放出氨氣，非常不環保，所以不考慮使用。其它常用的氯化物及有機酸如醋酸等也都能促進硅溶膠凝，但也都存在環保性差的問題。氧化鈣可以作為硅溶膠漿料的促凝劑，環保方面沒有問題，可通過加入量的調整來控制漿料的凝固時間，存在的不足是漿料中加入氧化鈣后會立即出現顆粒狀的小料團，漿料變得不均勻，型芯的常溫強度偏低，不適合于工業化應用。由于通過期刊文獻及專利查到的硅溶膠促凝劑均不適合于批量應用，所以自主開發促凝劑成了課題組的最后選擇。經過技術攻關，課題組成功開發出了能同時滿足環保和強度要求的促凝劑（DFIC促凝劑），該促凝劑由兩種材料組成，這兩種材料能在硅溶膠漿料中平緩地反應并誘發整個體系的膠凝，具有膠凝固時間可調可控的優點。

1.3? ?耐火骨料選擇

開發的型芯主要應用于不銹鋼和低合金鋼產品，考慮到型芯與金屬液直接接觸，要求材料有較高的純度，所以課題組直接選擇熔模鑄造常用的面層砂粉作為耐火骨料，具體為“320目熔融石英粉加40-100目熔融石英砂”、“320目剛玉粉加40-100目熔融石英砂”和“320目鋯英粉加80-120目鋯英砂”三種備選材料。

綜合上述，自主開發型芯的總體方案為：采用灌漿成形法，以硅溶膠為粘結劑，以常用面層材料熔融石英砂粉、剛玉粉和鋯英砂粉為備選耐火骨料，同時根據實際需要再附加一些添加劑，陶瓷漿料注入芯盒后在DFIC促凝固劑作用下固化成形。

2? ? 型芯配方驗證與完善

課題組選擇某不銹鋼管類零件生產所用的型芯為載體進行配方驗證與完善，型芯主要尺寸如圖1所示。

從圖1可以看出，型芯結構很特殊，總長超過300，兩頭粗中間細，兩頭的直徑和中間的直徑相差懸殊，且過渡不平緩。此類型的型芯，制造會存在在兩個主要問題：一是型芯固化后收縮受阻，中間細的部位被拉斷；二是型芯起模后放置或運輸過程中從中間折斷。由于型芯結構特殊，沒有廠家能同時滿足成本、強度和潰散性三方面的要求。

2.1? ?初始配方設計

型芯強度適中是最基本的要求，強度過高或過低均有多種解決方案，成本跟材料和效率也相對好控制，型芯的潰散性是最關鍵的指標，配方設計首先要保證潰散性滿足要求。衡量型芯潰散性能好壞最直接的方法是生產出鑄件，經過常規拋丸或噴砂后，確認型芯是否已經完全被清除干凈。該方法的缺點是周期太長，而且驗證的成本高，在配方設計階段不太適合。為快速驗證不同配方對型芯潰散性能的影響，課題組通過壓潰試驗法進行間接判定，即每種配方制作4個小試樣（試樣尺寸見圖2），參考型殼焙燒工藝，試樣經1050℃保溫1小時進行焙燒后取出冷卻至室溫，然后進行壓潰強度測試，通過測試結果的平均值間接評估型芯的潰散性能。

要保證型芯有良好的潰散性能，首先要保證型芯經正常焙燒后不燒結，其次是要求型芯在鑄件凝固和冷卻過程中也不出現燒結現象，這就要求配方中不添加含有礦化劑或低熔點相的材料。影響潰散性的另一因素是漿料的粉液比，需要重點驗證耐火粉料的加入量對潰散性的影響，初始配方主要圍繞材料類型和粉液比進行設計。按8種主要材料配比制備型芯試樣，表2是試樣壓潰強度測試結果的平均值， 檢測設備為SQS智能型砂強度試驗機。

從表2可以看出，耐火材料類型和漿料的粉液比跟型芯的壓潰強度強相關。壓潰強度過高，型芯比較致密其潰散性會比較差；壓潰強度太低，型芯的潰散性會比較好，但常溫強度和高溫強度不一定能滿足使用要求，基于這些考慮優選1-2、1-3、2-2、2-3和3-1五種配方進行應用型驗證。

2.2? ?型芯應用驗證及配方完善

根據2.1優選的五種配方，采用專用的模具（芯盒），嘗試制備出如圖1所示的型芯。首先按1-2配方配制漿料，具體操作為：稱取硅溶膠（牌號為830）200g倒入微型攪拌桶中，邊攪拌邊緩慢加入300g粒度為320目的熔融石英粉，接著加入100g粒度為40-100目的熔融石英砂和0.2g消泡劑，漿料攪拌均勻后加入2g促凝劑，繼續攪拌1分鐘后將漿料緩慢倒入事先涂抹有分型劑的模具中。

漿料倒入模具后約10分鐘完全膠凝，膠凝20分鐘后打開模具嘗試取出型芯，由于型芯濕強度偏低，型芯取出過程從中間最細的部位折斷成兩半，適當延長時間型芯取出過程折斷的問題依然無法解決；膠凝后放置超過2小時，模具打開后發現型芯已經從中間最細部位圓角交接處裂開（見圖5）。由于無法取出完整的型芯，驗證無法再進行，課題被迫暫時中斷。

課題組經過系統分析，認為要解決型芯斷裂問題需要提升型芯的濕強度，同時還要減少型芯起模前的收縮。為此，課題組在原有配方基礎上各加入10%的強化劑和2%的增塑劑（均按硅溶膠質量分數），分別按調整后的五種配方去制備型芯，沒有再出現型芯斷裂問題。制備型芯期間課題組曾做過很極端的試驗：漿料膠凝后放置約24小時才起模，在模具中放置這么長時間，型芯沒有出現收縮斷裂問題，取出的型芯依然是完整的。

制備好的五種型芯晾干后直接用來制造蠟模，無需額外強化處置。生產出的鑄件進行常規拋丸處理后再進行定點噴砂處理，脫芯結果為：1-2、1-3、2-3和3-1四種配方的型芯均已被全部清除掉，潰散性能滿足要求；2-2配方的型芯還有50%以上殘留，潰散性能不符合要求。1-2、2-3和3-1型芯所對應鑄件的內腔表面粗糙度均滿足要求，1-3型芯所對應鑄件的內腔表面有少量毛刺。

根據此次驗證結果，并結合成本方面的考慮，最終確定的型芯配方為（按硅溶膠質量分數）：硅溶膠+100%剛玉粉（320目）+170%熔融石英砂（40-100目）+10%強化劑+2%的增塑劑+0.1%消泡劑+1%促凝劑（可根據膠凝時間需要進行增減）。

3? ? 應用效果

生產應用結果表明，本課題開發的精鑄型芯（見圖4）跟商品化的陶瓷型芯相比，主要有以下優點：

（1）潰散性好：通過常規拋丸和定點噴砂處理即可清除干凈，無需化學腐蝕脫芯；

（2）環保性好：采用環保的促凝劑，無銨類、酸類和氯鹽類污染；

（3）成本低：制造費用可以降低約80%。

4? ? 結論

以硅溶膠為粘結劑，以剛玉粉和熔融石英砂為耐火骨料，硅溶膠、剛玉粉和熔融石英砂三者質量分數按1：1：1.7配制漿料，再輔助添加強化劑、增塑劑和消泡劑，用環保型的促凝劑進行固化，采用灌漿成形法制備型芯，該種型芯應用于不銹鋼和低合金鋼類鑄件生產，可通過正常拋丸和定點噴砂方式進行脫芯，具有潰散性和環保性好及成本低的優點，為具有深孔、深槽和復雜型腔類鑄件的高效生產提供了一種新的解決方案。

參考文獻：

[1]姜不居，周澤衡，陳冰，等. 熔模鑄造手冊[M]. 機械工業出版社，2000（10）：268.

[2]曹科，閔小俊，邱桂斌，等. 以硅溶膠為粘結劑的澆注成型陶瓷型芯[J]. 中國鑄造裝備與技術，2005（02） ：23-25.

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馬? ?波

東風精密鑄造有限公司

金屬材料專業? 高級工程師

精鑄工藝工業化應用“一長一短”的特點非常明顯，“一長”表現在精鑄工藝薄壁成型、復雜成型的工藝成型能力較強；但其短處也非常明顯，最突出的一個，就是工藝周期較長、工藝成本較高。

本文圍繞精鑄工藝復雜成型的核心元素——型芯技術展開低成本開發研究，兼顧綠色環保要求和工藝質量要求，圍繞型芯前期制備的成型性與后期清理的潰散性兩個核心指標，通過對大量的粘結材料、骨架材料進行理論對比分析和試驗驗證比較，最終確定了最佳配方和制備工藝，并在企業量產的不銹鋼新品中得到驗證確認。工藝質量達到產品開發要求，工藝成本較同行明顯降低，具有在同類復雜型腔精鑄件生產中橫展應用，在精鑄同行中技術商業推廣價值，屬鑄造領域類優秀論文。