短切硅酸鋁纖維增強硅溶膠型殼的抗彎強度及高溫自重變形

呂 凱，劉向東，王 浩，馮 華，李艷芬

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,呼和浩特010051)

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短切硅酸鋁纖維增強硅溶膠型殼的抗彎強度及高溫自重變形

呂 凱，劉向東，王 浩，馮 華，李艷芬

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,呼和浩特010051)

為了提高熔模鑄造硅溶膠型殼的性能，向涂料中添加硅酸鋁纖維制備纖維增強熔模鑄造型殼試樣。對不同纖維加入量條件下所獲得的纖維增強型殼試樣的常溫及焙燒后抗彎強度、高溫自重變形量的變化規(guī)律進(jìn)行研究，并利用SEM觀察型殼試樣斷口形貌。結(jié)果表明：隨硅酸鋁纖維加入量從0.2%～1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)變化，其常溫抗彎強度顯著增大，高溫自重變形量減??；纖維加入量為1.0%時，試樣的常溫抗彎強度較未增強的試樣提高了47%，而高溫自重變形減少約50%。采用0.2%～1.0%的硅酸鋁纖維增強后，復(fù)合型殼焙燒后強度至少提高39%。斷口SEM形貌觀察分析結(jié)果表明，纖維增強硅溶膠型殼試樣受力破壞失效主要由于硅溶膠凝膠膜的斷裂、硅酸鋁纖維拔出、斷裂及脫粘等綜合作用所致。

硅酸鋁纖維；纖維增強型殼；熔模鑄造；抗彎強度；高溫自重變形

熔模鑄造用型殼在制造過程中，不僅要求其具有較好的常溫強度以保證型殼在制造、搬運、脫蠟過程中不發(fā)生損壞；而且還要有一定的高溫強度，可以抵抗?jié)茶T過程中金屬液的沖刷；較低的殘留強度，方便鑄件冷卻凝固后脫殼工序的操作性。目前精鑄件生產(chǎn)中廣泛使用硅溶膠型殼，但存在的主要問題是常溫強度較低[2]，采用該法生產(chǎn)一些大型鑄件時，型殼的邊角位置易裂，導(dǎo)致型殼失效[3]。傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)中，為獲得高的熔模鑄造型殼強度，往往采用增大黏結(jié)劑的加入量的辦法來實現(xiàn)。然而，這樣又帶來的問題是型殼殘留強度高，鑄件清理困難，且型殼廢棄物難以回收利用。迄今為止，適用于精鑄型殼制殼用的高效、高強黏結(jié)劑尚未開發(fā)出來。目前，纖維增強混凝土的應(yīng)用研究已取得重要進(jìn)展，成果頗多。研究表明，纖維增強混凝土中，大量亂向分布的纖維可以有效地防止混凝土的早期開裂，改善混凝土的品質(zhì)，減少混凝土在施工期的裂縫和缺陷，提高混凝土的韌性、抗沖擊、抗凍融、抗?jié)B、抗疲勞等耐久性[4-7]，這些研究成果頗值得借鑒。因此，近期國內(nèi)外也有部分學(xué)者進(jìn)行纖維增強(也有稱為纖維改性)精鑄型殼的研究[8-12]，但研究仍處于起步階段，尚不深入，可查閱的文獻(xiàn)有限。就目前研究來看，主要采用玻璃纖維或有機纖維為增強相。本課題組前期的研究結(jié)果表明[13]，此類纖維最大的問題在于型殼在焙燒時纖維會燒失或熔化，型殼焙燒后強度及抗高溫自重變形能力降低。

硅酸鋁纖維具有容重輕、耐高溫、熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性好，熱傳導(dǎo)率低、熱容小、受熱膨脹小、隔熱性能好等優(yōu)點。用于涂料時，其超細(xì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)使體系稍增稠，其懸浮性好，可防止涂料中固體組分的沉降。硅酸鋁纖維的使用溫度范圍為1000～1790℃，如作為復(fù)合型殼的增強相，在型殼焙燒時不會發(fā)生纖維會燒失或熔化(型殼焙燒溫度<1000℃)，因而可保證用于型殼增強時，各種性能的綜合提高。

本工作采用硅酸鋁纖維作為增強相來制備纖維增強復(fù)合型殼，并對不同纖維加入量條件下的纖維增強型殼試樣的常溫及焙燒后抗彎強度、高溫自重變形量的變化規(guī)律進(jìn)行研究，以解決玻璃纖維或有機纖維增強復(fù)合型殼在型殼焙燒時纖維增強的效果顯著降低甚至消失的問題，為獲得高強度復(fù)合型殼制備工藝，實現(xiàn)鑄件澆注后型殼易潰散、可回收，從而減少甚至消除型殼廢棄物的排放奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料及試樣制備

實驗中型殼試樣制備工藝如表1所示。

表1 型殼試樣制備用材料

本實驗中選用的硅酸鋁纖維為電容離心機甩絲成型，纖維直徑為φ7～φ9μm，為避免因為纖維過長，導(dǎo)致團(tuán)聚、纏繞，將纖維短切成長度為4～6mm，纖維的成分見表2，微觀形貌如圖1所示。

表2 纖維化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖1 實驗用硅酸鋁纖維SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM image of aluminum silicate fiber used in the present work

型殼面層和過渡層涂料中均不添加纖維，以達(dá)到澆注過程所要求的表面光潔度。硅酸鋁纖維加入到背層及封漿層中，其加入量以背層涂料中莫來粉的0.2%～1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)增加變化，所加纖維分3～5次加入到干粉料中，并攪拌，使得纖維均勻分散。型殼焙燒溫度為900℃，保溫120min。

1.2 實驗方法

抗彎強度測試所用型殼試樣的結(jié)構(gòu)及形狀如圖2(a)所示。采用三點彎曲實驗法對室溫下的型殼試樣進(jìn)行強度測試(HB 5352.1—2004)。將型殼試樣裝載在XQY-Ⅱ型智能型砂強度儀上，以6mm/min的速率加載，直至斷裂。用QUANTA400型掃描電子顯微鏡對復(fù)合型殼試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察；高溫自重變形測試用試樣的結(jié)構(gòu)及形狀如圖2(b)所示，試樣經(jīng)焙燒冷卻后，升溫至1200℃，保溫60min，隨爐冷卻至室溫后，測量試樣的直徑，然后再根據(jù)公式1計算出該試樣的變形量(HB 5352.2—2004)。

(1)

式中：δt-τ，試樣在一定溫度和時間下的變形量，%；A為試樣的原始外徑，mm；B為試樣在高溫發(fā)生自重變形后的外徑，mm。

圖2 實驗用型殼試樣結(jié)構(gòu)及尺寸(a)抗彎型殼試樣；(b)高溫自重變形型殼試樣Fig.2 The size and shape of the shell specimens for experiment (a)shell specimens for bending test； (b)shell specimens for self-loaded deformation test

2 結(jié)果及討論

2.1 型殼試樣的常溫強度

圖3 硅酸鋁纖維加入量對型殼試樣常溫彎曲強度的影響Fig.3 Effects of addition of aluminum silicate fiber on bending strength of green shell specimens

圖3為硅酸鋁纖維加入量從0.2%～1.0%變化時，型殼試樣的常溫抗彎強度變化曲線。由圖3可知，隨著涂料中混入0.2%～1.0%的硅酸鋁纖維，其常溫抗彎強度顯著增加，其中，纖維加入量為1.0%的試樣的抗彎強度較未添加纖維增強型殼試樣提高了47%。這一結(jié)果說明硅酸鋁纖維很好地起到了復(fù)合增強的作用，這是由于纖維在復(fù)合型殼受載荷斷裂的過程中，以拔出、斷裂和脫粘的三種形式承擔(dān)部分載荷的作用，進(jìn)而起到增強作用，加入纖維越多，只要不是以集束的形式存在，其增強作用越明顯。但由于纖維增強相是作為涂料的組分直接加入到涂料中用于制殼，當(dāng)硅酸鋁纖維加入量超過1.0%時，制殼用涂料黏度急速增大，制樣時涂料難以鋪展，其工藝性能無法滿足制殼要求。此外，混制時還容易出現(xiàn)纖維結(jié)團(tuán)、相互纏繞等現(xiàn)象，纖維成集束狀存在對基體的割裂破壞作用遠(yuǎn)高于纖維均勻分散時帶來的增強作用，不僅涂料混制困難，還會嚴(yán)重降低纖維的增強效果。因此，纖維的加入量不宜過高。

圖4為型殼試樣彎曲斷裂后斷口的微觀形貌。由圖4可知，加入量為0.2%和0.4%時，試樣斷口表面上分布的纖維很少，此時對基體的增強作用不明顯，僅為0.28MPa和0.45MPa，提高了約12%～19%。隨著纖維加入量增加至0.6%和0.8%時，試樣斷口表面上纖維數(shù)量逐漸增多，且其在型殼中分布較為均勻，說明纖維在涂料配制過程中分散性較好，因此，參與增強作用的纖維數(shù)量增多，從而表現(xiàn)出總體增強作用的提高。此時斷口表面上存在的纖維可以觀察到直徑減小的現(xiàn)象，見圖4(c)，(d)箭頭所示處。這是由于纖維斷裂和脫粘過程中的彈性變形所導(dǎo)致的。繼續(xù)增大纖維的加入量，如圖4(f)所示，從試樣斷口表面上的纖維可以觀察到型殼的殘留物，這說明硅酸鋁纖維在脫粘過程中，有效地承受了載荷，進(jìn)而提高試樣的抗彎強度。但纖維加入量過大，易出現(xiàn)集束現(xiàn)象，如圖4(e)所示。聚集在一起的纖維對基體的割裂作用較強，會抵消了一部分纖維增強作用。特別是大尺寸的纖維集束體形成時，會導(dǎo)致試樣中形成大的孔洞，其對基體的破壞作用將大幅度抵消纖維的增強作用，因此，制殼過程中應(yīng)極力避免纖維集束體的形成。從圖3的實驗結(jié)果及圖4(e)所示試樣斷口形貌看，雖然出現(xiàn)了數(shù)條纖維的集束現(xiàn)象，但由于參與形成集束的纖維數(shù)量少，集束的外徑尺寸很小，且纖維之間并未緊密排列，仍存在間隙，因此纖維集束的形成對基體的破壞作用很弱。從圖3也可看出，型殼試樣常溫抗彎強度仍增大。

但需要特別指出的是，當(dāng)硅酸鋁纖維加入量超過1.0%時，不僅制殼用涂料黏度急速增大，其工藝性能無法滿足制殼要求，同時，涂料中大量纖維形成集束、產(chǎn)生團(tuán)聚、纏繞的幾率也在迅速增大。一旦型殼及試樣中形成大尺寸、數(shù)量眾多纖維的集束體時，其對基體的割裂作用將接近甚至超過其對型殼試樣的增強作用，特別是形成非圓柱形集束體時，其對型殼強度的損害將大大超過其增強效果。因此，過高的纖維加入量不僅使制殼用涂料的工藝性能差，制殼、制樣時施涂困難，而且會大幅度地降低型殼強度，無法實現(xiàn)增強目的。

圖4 常溫型殼試樣斷口SEM形貌 (a)0.2%；(b)0.4%；(c)0.6%；(d)0.8%；(e),(f)1.0%Fig.4 SEM images of cross-section of the green shell specimens (a)0.2%；(b)0.4%；(c)0.6%；(d)0.8%；(e),(f)1.0%

2.2 型殼試樣經(jīng)焙燒后的強度

精鑄型殼在使用時必須經(jīng)過高溫焙燒，以除去型殼內(nèi)表面的水分及大量有機物。因此，試樣高溫焙燒后的強度時考核精鑄型殼性能的一個重要參數(shù)。圖5為硅酸鋁纖維加入量變化對焙燒后彎曲強度的影響。

圖5 硅酸鋁纖維加入量對型殼試樣焙燒后抗彎強度的影響Fig.5 Effect of addition of aluminum silicate fiber on bending strength of fired shell specimens

與常溫抗彎強度變化曲線相比(圖3)，纖維加入量從0.2%～1.0%變化對型殼試樣焙燒后的強度影響較小。由圖5可知，焙燒后的纖維復(fù)合型殼試樣的彎曲強度較未用纖維增強的型殼試樣有了大幅提升，且隨纖維加入量增加而增大，由4.1MPa增加到5.7MPa以上。這說明纖維復(fù)合型殼在實驗焙燒溫度下依然可以起到增強作用。圖6是焙燒后復(fù)合型殼彎曲斷裂斷面形貌，它證實型殼中纖維經(jīng)焙燒后未被完全燒失。當(dāng)纖維與基體的界面通過硅溶膠涂料完全浸潤纖維表面并固化形成的連接方式存在時，尤其在焙燒后，涂料的黏結(jié)性能得到大幅提升，因此，添加纖維復(fù)合型殼試樣的彎曲強度升高。

由圖6(a)中觀察到的纖維較少，圖6(c)中箭頭1，2標(biāo)示處的纖維直徑不同，說明部分單絲纖維在彎曲斷裂的過程中被拉長；箭頭3處有明顯的型殼殘留物，表明纖維與型殼基體結(jié)合牢固，在承受載荷時，有效地提高了其強度；而圖6(e)中局部放大區(qū)域可以觀察到纖維出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，這說明，纖維增強復(fù)合型殼的斷裂不僅僅是型殼基體的斷裂，其失效形式還包括纖維的拔出、斷裂、界面脫粘等形式。復(fù)合型殼承受載荷后，在形成裂紋的尖端擴展，當(dāng)裂紋穿過基體型殼而遇到纖維時，裂紋可能分叉，轉(zhuǎn)向平行于纖維方向擴展，即沿界面擴展，無論是沿基體還是沿界面，都會形成新的表面，從而增加了斷裂時所消耗的能量，進(jìn)而起到復(fù)合增強的作用。同時，由圖6(d)，(e)所示試樣斷口形貌中可見，未隨型殼試樣一起斷裂的部分纖維完整的貫穿于型殼內(nèi)部，其分布的方向性上也較均勻，即增強作用是針對整個型殼的各方向受力的。綜上所述，隨著纖維加入量的增加，其抗彎強度上升。

由于型殼高溫焙燒后，硅酸鋁纖維依然存在于型殼中，仍繼續(xù)起到增強的作用，這不利于型殼殘留強度的降低，不利于鑄件的清理，關(guān)于這一點在最初研究方案設(shè)計時已充分考慮，可選用多種纖維聯(lián)合增強(其中一種纖維在高溫條件下可部分或完全燒蝕)，或在制殼材料中加入潰散劑來降低鑄件澆注后型殼的殘留強度，以達(dá)到利于脫殼的目的。

圖6 焙燒后型殼試樣斷口SEM形貌 (a)0.2%；(b)0.4%；(c)0.6%；(d)0.8%；(e)1.0%Fig.6 SEM images of cross-section of the fired shell sample (a)0.2%；(b)0.4%；(c)0.6%；(d)0.8%；(e)1.0%

2.3 型殼試樣的高溫自重變形量

型殼的高溫變形的大小對最終獲得的鑄件尺寸精度有著重要的影響。它主要是由于焙燒過程中型殼中各組成熱膨脹系數(shù)的不同和金屬液澆注之后的漲型所導(dǎo)致的。對比未纖維增強試樣及添加硅酸鋁纖維的型殼試樣的高溫自重變形，其結(jié)果如圖7所示。由圖可知，所有高溫變形量都小于1%，都能滿足熔模精密鑄造的使用要求。隨著纖維加入量的增加，其自重變形量呈下降趨勢，特別是纖維加入量為0.8%及1.0%試樣的變形量已降低至0.54%。由于焙燒過程中，硅酸鋁纖維未被燒失，因此升溫過程中依然可以起到復(fù)合增強的作用。在高溫下材料斷裂或變形由高溫蠕變機制控，裂紋擴展時，硅酸鋁纖維會消耗一部分能量，對裂紋擴展的阻擾能力明顯優(yōu)于未纖維增強試樣，所以自重變形量減小。

圖7 硅酸鋁纖維加入量對高溫自重變形量的影響Fig.7 Effects of addition of aluminum silicate fiber on self-loaded deformation at elevated temperature

3 結(jié)論

(1)隨著涂料中混入0.2%～1.0%的硅酸鋁纖維，常溫抗彎強度顯著增加，其中加入量為1.0%的試樣的彎曲強度提高幅度最大，較未用纖維增強的型殼試樣增加了47%。

(2)焙燒后的纖維復(fù)合型殼試樣的彎曲強度較未用纖維增強的型殼試樣有了大幅提升，由4.1 MPa增加到5.7 MPa以上，抗彎強度的提升全部大于39%。

(3)隨著纖維加入量的增加，其自重變形量呈減小趨勢，加入量為0.8%及1.0%試樣的變形量已降低至0.54%。

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Bending Strength and High-temperature Self-loaded Deformation of Short Aluminum Silicate Fiber-reinforced Silicon Sol Shell

LYU Kai,LIU Xiang-dong,WANG Hao,FENG Hua,LI Yan-fen

(School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China)

In order to improve the strength of silicon sol shell for investment casting process, short fibers of aluminum silicate were mixed into the slurries. The flexural strength of green shell, fired strength and self-loaded deformation at elevated temperature were investigated and the fracture surface of shell samples were observed by SEM. The results show that as content of aluminum silicate fibers increases from 0.2% to 1.0%(mass fraction, same as below), the green strength of shell specimens is increased and the self-loaded deformation at elevated temperature is decreased. The shell specimen reinforced with 1.0% fibers addition reaches the highest green strength, an increase of 47% than the shell specimen unreinforced with fibers, and the self-loaded deformation at elevated temperature has a decrease of about 50%. The fired strength of shell sample with the content of 0.2%-1.0% aluminum silicate fiber is at least increased 39%. It is found by SEM that the failure of the fiber-reinforced shell specimens at the applied load is resulted by breakdown of silicon sol films and pulling-out, fracturing and debonding of fibers in the shell.

aluminum silicate fiber；fiber-reinforced shell；investment casting；bending strength；high-temperature self-loaded deformation

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.07.010

TG113.26

A

1001-4381(2015)07-0056-06

春暉計劃資助項目(Z2011-062)

2014-04-23；

2014-08-30

劉向東(1966-)，教授，博導(dǎo)，主要從事輕金屬表面微弧氧化、金屬液態(tài)成型理論研究工作，聯(lián)系地址：內(nèi)蒙古呼和浩特內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院(010051)，E-mail：liuxd66@126.com