淺談微鑄造熔模材料分類

楊闖

【摘 要】熔模材料是熔模微鑄造技術(shù)的關(guān)鍵，尤其是對(duì)于微小復(fù)雜零件的鑄造，熔模材料的優(yōu)劣是零件能否成功制備必要保證。本文介紹了目前熔模材料的分類，并詳細(xì)介紹各種熔模材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并對(duì)微鑄造用熔模材料的發(fā)展進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】微鑄造；熔模材料；石膏

熔模微鑄造來源于傳統(tǒng)的熔模鑄造，而熔模鑄造必不可少要提到熔模材料，熔模材料的優(yōu)劣直接影響到鑄件質(zhì)量，對(duì)于熔模微鑄造這點(diǎn)尤為重要。

傳統(tǒng)的熔模材料主要分兩種：磷酸鹽基熔模材料和石膏基熔模材料。因?yàn)槿勰２牧蠈?duì)于鑄件質(zhì)量的影響相當(dāng)大，為了制備出尺寸精度和表面粗糙度俱佳的高質(zhì)量鑄件，無論是哪種鑄型材料，均應(yīng)有好的流動(dòng)性和好的細(xì)節(jié)復(fù)制能力。并應(yīng)有低的表面粗糙度和孔隙率[1]，并在干燥和焙燒之后，仍具有優(yōu)異的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，且在高溫液態(tài)金屬澆注時(shí)應(yīng)不與熔化的金屬反應(yīng)。本文旨在對(duì)微鑄造用熔模材料的應(yīng)用加以綜述。

1.磷酸鹽基熔模材料

磷酸鹽基熔模材料可應(yīng)用于鑄造溫度在1200～1500℃之間的金屬，并且磷酸鹽基熔模材料具有高的熱阻和好的機(jī)械強(qiáng)度，所以現(xiàn)在磷酸鹽基熔模材料廣泛應(yīng)用于多種合金的牙科鑄造。

在磷酸鹽基熔模材料中一般添加氧化鎂和磷酸氫氨作為粘結(jié)劑，二氧化硅作為添加材料，特定情況下對(duì)于金基合金也加入石墨粉作為添加材料。粘結(jié)劑和添加物混合時(shí)，通常加入水性的硅溶膠增加強(qiáng)度。磷酸鹽基熔模材料水化主要的反應(yīng)[2]：

NH4H2PO4+MgO+5H2O→MgNH4PO4·6H2O

在燃燒過程中，磷酸氨基轉(zhuǎn)化為一水磷酸鎂釋放出水和氨，反應(yīng)如下：

MgNH4PO4·6H2O→MgNH4PO4·H2O+5H2O>160℃

2（MgNH4PO4·H2O）→Mg2P2O7+3H2O+2NH3>250℃

熔模材料在高于1000℃就會(huì)通過多余的氧化鎂和磷酸粘結(jié)劑以及二氧化硅添加物反應(yīng)分解，反應(yīng)如下：

Mg2P2O7+MgO→Mg3（PO4）2>1000℃

2MgO+SiO2→Mg2SiO4>1000℃

由以上的反應(yīng)可知，在1000℃以下，磷酸鹽基熔模材料反應(yīng)放出氣體，氣體的放出嚴(yán)重影響鑄件的表面質(zhì)量，對(duì)于牙科和首飾鑄造可以通過后期打磨去除表面缺陷，但對(duì)于無法進(jìn)行后期處理的微小零件就顯得不適用。另一方面，磷酸鹽基熔模材料的去除只能使用化學(xué)方法，這就把鑄造合金限制在不容易被腐蝕的貴重金屬及合金，而除此之外易腐蝕的多種工業(yè)鑄造金屬，磷酸鹽基熔模材料則顯得無能為力[3]。

2.石膏基熔模材料

石膏基熔模熔模材料主要是石膏，對(duì)不同合金材料的澆注，要加入不同的填料和添加劑，以改變石膏的整體性能，來滿足鑄造的需要。對(duì)于熔模微鑄造，因?yàn)殍T件整體尺寸小（<1～2mm），結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，這就使得熔模材料的復(fù)制能力以及去除熔模材料的難易程度成為熔模微鑄造首要考慮的問題，而石膏基熔模材料恰好具有滿足這些要求的潛力。

在石膏（CaSO4-H2O）系統(tǒng)中[4]，一般認(rèn)為石膏相有五種形態(tài)，五種形態(tài)是：二水石膏、半水石膏、硬石膏Ⅲ、硬石膏Ⅱ、硬石膏Ⅰ或七種變體，七種變體是：二水石膏（CaSO4·2H2O）、α型半水石膏（α-CaSO4·1/2H2O）、β型半水石膏（β-CaSO4·1/2H2O）、α型硬石膏Ⅲ（α-CaSO4Ⅲ）、β型硬石膏（β-CaSO4Ⅲ）、硬石膏Ⅱ（CaSO4Ⅱ）、硬石膏Ⅰ（CaSO4Ⅰ）。

熔模材料所用的石膏首先要使半水石膏和水發(fā)生水化反應(yīng)，然后干燥、定型，最后應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)。而上述半水石膏有兩種變體，這兩種變體石膏的生產(chǎn)工藝是不同的。如圖1所示[4]，α型半水石膏是在高壓蒸汽條件下生產(chǎn)的，而β型半水石膏是在干燥的空氣條件下生產(chǎn)的。兩種半水石膏在晶形上沒有太大的差別，如圖2所示[5]，但兩種半水石膏的特性差別很大，如表1所示[6]。

關(guān)于半水石膏的水化機(jī)理一般認(rèn)為有兩種[7]：即溶解析晶理論和膠體理論。溶解析晶理論認(rèn)為，熟石膏加水拌合后，首先是半水石膏在水中的溶解，由于半水石膏的溶解度比二水石膏的溶解度大（在20℃時(shí)，前者為8.85g/L，而后者為2.04g/L），當(dāng)溶液達(dá)到半水石膏的飽和溶解度時(shí)，這時(shí)對(duì)于二水石膏的平衡溶解度來說已高度過飽和，所以在半水石膏的溶液中二水石膏會(huì)自發(fā)地析晶。由于二水石膏的析出，便破壞了半水石膏溶解的平衡，使半水石膏進(jìn)一步溶解，以補(bǔ)償溶液中由于二水石膏析晶所消耗的Ca+2和SO4-2離子，如此不斷地進(jìn)行，直到半水石膏完全溶解全部形成二水石膏為止；膠體理論認(rèn)為，在半水石膏水化過程中，半水石膏首先與水生成某種吸附絡(luò)合物（即形成某種水溶膠），水溶膠凝聚形成膠凝體，然后這些凝膠體再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為結(jié)晶態(tài)二水石膏。西安科技學(xué)院的牟國棟[8]研究了半水石膏水化過程的物相變化，給出了無膠凝機(jī)理存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。Singh[5]綜述了半個(gè)世紀(jì)以來研究者對(duì)于半水石膏水化的機(jī)制和動(dòng)力學(xué)研究成果，認(rèn)為第一種水化機(jī)制最有可能發(fā)生。

表1 半水石膏形成條件及其不同特性[6]

熔模微鑄造生產(chǎn)的微小件尺寸只有亞毫米級(jí)，要求相應(yīng)的微鑄型具有很高的表面粗糙度，現(xiàn)有的熔模材料由于其晶粒尺寸粗大，均滿足不了如此之低的表面粗糙度需要。對(duì)于熔模材料顯微組織細(xì)化的研究很少，文獻(xiàn)都是通過填料來細(xì)化熔模材料[9]。德國卡爾斯魯厄研究所[10]采取添加超細(xì)石英粉從而達(dá)到熔模材料的細(xì)化的目的，但是由于添加大量超細(xì)石英粉，就使得熔模材料的比表面積增加，使水膏比增加，這樣就會(huì)降低鑄型材料的強(qiáng)度，使透氣性也隨著降低，從而因鑄型內(nèi)氣體壓力增大，而導(dǎo)致微鑄件無法圓滿成形。

3.結(jié)語

由此可見，現(xiàn)有的熔模材料研究根本沒有改變石膏的晶粒尺寸，只是通過增加微細(xì)的添加物試圖降低熔模材料的表面粗糙度。為了制備出具有優(yōu)異表面粗糙度的微鑄型，從而制備出低表面粗糙度和高尺寸精度的微鑄件，僅僅是通過添加顆粒細(xì)小的材料來改變?nèi)勰２牧系膹?fù)制性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，通過先進(jìn)方法制備出適用于微鑄造的熔模材料是熔模微鑄造發(fā)展的關(guān)鍵因素。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]S.Rath，G.Baumeister and J.Hausselt.Investments for Casting Micro Parts with Base Alloys.Microsystem Technologies，2006，12（3）：258-266.

[4]高以熹.石膏型熔模精鑄工藝及理論.西北工業(yè)大學(xué)出版社，1992：145.

[5]N.B.Singh and B.Middendorf.Calcium Sulphate Hemihydrate Hydration Leading to Gypsum Crystallization.Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials，2007，53（1）：57-77.

[6]羅啟全.鋁合金石膏型精密鑄造.廣東科技出版社，2005：234.

[7]袁潤章.膠凝材料學(xué).武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1996：115.

[8]牟國棟.半水石膏水化過程中的物相變化研究.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2002，30（4）：532-536.

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[10]G.Baumeister，S.Rath and J.Hausselt.Microcasting of Al Bronze and a Gold Base Alloy Improved by Plaster-bonded Investment.Microsystem Technologies，2006，12（8）：773-777.