復(fù)合纖維含量對精鑄硅溶膠型殼強度及透氣性的影響

蘆 剛，毛 蒲，嚴(yán)青松，紀(jì)超眾，饒文杰

(南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，南昌 330063)

熔模精鑄是一種先進的材料近凈成形技術(shù)，具有高精度、高效率、低損耗等優(yōu)點，在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。硅溶膠是精鑄業(yè)常用的一種優(yōu)質(zhì)粘結(jié)劑，硅溶膠型殼高溫強度較高、表面質(zhì)量較好。但硅溶膠型殼殘留強度偏高，導(dǎo)致脫殼性差、鑄件難以清理；其次，硅溶膠型殼濕強度較低，不易型殼的搬運，干燥慢，且制殼周期長。然而，精鑄硅溶膠型殼強度和透氣性存在相互制約的關(guān)系，往往采用增加型殼厚度保證型殼強度，導(dǎo)致散熱困難，晶粒粗大，而且透氣性差、充型困難，必須提高金屬液澆注溫度，使得型殼與金屬發(fā)生反應(yīng)的程度加劇，大大影響了產(chǎn)品的表面質(zhì)量，同時金屬液的高溫使得型殼變形嚴(yán)重，從而影響精鑄件質(zhì)量[5]。迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者研究以纖維作為增強體加入金屬基復(fù)合材料，可有效提高復(fù)合材料基體的力學(xué)性能和組織性能[6-10]。根據(jù)纖維增強復(fù)合材料的思路，在型殼中加入陶瓷有機纖維能夠阻礙型殼裂紋的擴展，當(dāng)裂紋越過纖維時，要將纖維從型殼基體中拔出也需要較高的能量，可顯著提高型殼的常溫強度，其次使得型殼在高溫下也不容易脹裂，從而提高型殼的高溫強度[11-12]。在漿料中加入高分子粘接劑和尼龍有機纖維對型殼進行強化，發(fā)現(xiàn)對強度影響不大，但可以增加型殼單層掛漿厚度，對尖角處抗開裂有著顯著效果；同時，型殼在焙燒以后，尼龍纖維被完全燒失，在型殼內(nèi)留下許多微孔隙，增強了型殼透氣性[13-14]。陶瓷型殼中加入米糠，型殼焙燒前后的性能明顯改善，特別是米糠在型殼焙燒時被燒失，增加了陶瓷型殼的孔隙率，降低了型殼裂紋的產(chǎn)生，從而提高了精鑄件的質(zhì)量[15-16]。基于此，為了同時保證型殼具有較高常溫強度、足夠的高溫強度和較好透氣性，本文作者采用陶瓷和尼龍復(fù)合纖維增強精鑄硅溶膠型殼，研究復(fù)合纖維含量對硅溶膠型殼常溫及焙燒后強度和透氣性的影響規(guī)律，并探討其增強機理，為高熔點復(fù)雜結(jié)構(gòu)整體精鑄件的生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

1 實驗

1.1 實驗材料

耐火材料采用鄭州市海旭磨料有限公司生產(chǎn)的白剛玉和億隆耐火材料廠生產(chǎn)的莫來石砂；粘結(jié)劑為山東濟南銀豐硅制品有限責(zé)任公司的堿性硅溶膠，SiO2含量為29%～31%，膠體粒徑為9～20 nm；尼龍纖維，直徑為d 9～13 μm，長度為2～4 mm，由北京融信通科技有限公司生產(chǎn)；陶瓷纖維(硅酸鋁纖維)，直徑為d 3～4.5 μm，長度為4～6 mm，由淄博華巖耐火纖維有限公司生產(chǎn)。纖維的主要性能指標(biāo)如表1所列。

表1 纖維的主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance index of fiber

1.2 實驗方法

按現(xiàn)行工藝配制型殼面層和過度層漿料，纖維僅加入背層和封層漿料中。復(fù)合纖維含量以漿料中硅溶膠質(zhì)量的0～0.75%增加，每間隔加入量為0.15%，其中復(fù)合纖維是將陶瓷纖維和尼龍纖維按質(zhì)量比為1:1交織復(fù)合而成。型殼試樣制備的工藝參數(shù)如表2所列。型殼試樣的焙燒工藝如圖1所示。

試驗測試型殼強度：用尺寸為70 mm×22.36 mm×6 mm的長方塊試樣，采用XQY-Ⅱ型智能型砂強度儀，以三點彎曲試驗測試抗彎強度的方法，測定型殼試樣的常溫強度及其焙燒后的強度，并在Quanta200型SEM下觀察型殼試樣斷口形貌。

測試型殼透氣性：用尺寸為d50 mm×6 mm的圓片試樣，采用ZTY智能型砂型透氣性測試儀，在室溫下測試圓片試樣的透氣性。

表2 型殼試樣制備的工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of shell specimens preparation

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合纖維含量對硅溶膠型殼常溫強度的影響

復(fù)合纖維含量對硅溶膠型殼試樣常溫強度的影響如圖2所示。從圖2可以看出，復(fù)合纖維的加入顯著提高了硅溶膠型殼試樣的常溫強度，當(dāng)復(fù)合纖維含量從0逐漸增加到0.6%時，型殼常溫強度迅速增大，近似線性增長。當(dāng)復(fù)合纖維含量為0.6%時，型殼常溫強度達到最大值，為3.638 MPa，與傳統(tǒng)型殼的相比提高了39%。

圖1 型殼試樣的焙燒工藝Fig.1 Sintering process of shell specimens

圖2 復(fù)合纖維含量對硅溶膠型殼常溫強度的影響Fig.2 Effect of composite fiber content on green strength of silica sol shell

纖維作為增強材料加入硅溶膠型殼，由于纖維自身具有強韌性和高張力等性能，在型殼干燥硬化的過程中，纖維與硅溶膠漿料膠凝界面形成強有力的交織網(wǎng)絡(luò)骨架，使得耐火粉料和硅溶膠粘結(jié)劑緊密連接。在型殼試樣受外加彎曲力斷裂時，纖維與硅溶膠漿料基體有效結(jié)合，使其承載了一定的作用力，并可抑制型殼裂紋的產(chǎn)生，對型殼起了加強作用，并使其強度有所提高。當(dāng)復(fù)合纖維含量低于0.6%時，纖維在硅溶膠漿料中有較好的分散性，漿料涂掛型殼較均勻，纖維在基體中呈單絲分布。隨著復(fù)合纖維含量的增加，纖維與基體的有效接觸面增大，形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越結(jié)實，當(dāng)施加應(yīng)力時，通過型殼界面將其作用力迅速傳遞到纖維上，從而充分發(fā)揮了纖維對硅溶膠型殼的增強作用。當(dāng)復(fù)合纖維含量高于0.6%時，纖維不能完全均勻地分散在硅溶膠漿料中，從而出現(xiàn)了纖維團聚現(xiàn)象，纖維在型殼中分布雜亂，部分纖維均勻分散，部分呈纖維束狀態(tài)。纖維束的存在對型殼基體具有強大的割裂作用，嚴(yán)重影響纖維與基體的致密度和連續(xù)性，使纖維與型殼結(jié)合疏松，當(dāng)在外力作用下，型殼試樣會很快在纖維束部位發(fā)生斷裂，削弱了纖維的增強作用。因此，纖維在硅溶膠漿料中分散的均勻性以及纖維與型殼基體之間的結(jié)合力大小是決定纖維對其型殼增強作用強弱的關(guān)鍵。

試樣斷口形貌的特征反映了制殼材料斷裂時的特征及材料內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)，可系統(tǒng)地觀察型殼試樣的斷口形貌，有助于分析纖維對型殼性能的增強機理。復(fù)合纖維增強硅溶膠型殼試樣常溫抗彎斷裂時的斷口形貌如圖3所示。從圖3(a)可以看出，傳統(tǒng)型殼試樣在斷裂時，斷口相對平整，沒有特別明顯的凹凸?fàn)?。而從圖3(b)～(f)中可以看出，相同的視場面積中，型殼基體中纖維的數(shù)目逐漸增多，型殼試樣在斷裂時纖維上粘附著制殼材料，使得斷面呈現(xiàn)凹凸不平，由于陶瓷纖維和尼龍纖維縱橫交叉的分布狀態(tài)，纖維從型殼基體中拔出的方向不一致，使得型殼具有交叉緊實度，從而提高了型殼的常溫強度。從圖3(b)～(d)可知，纖維在型殼中分布的較均勻，證明纖維在硅溶膠漿料中的分散性較好，從而實現(xiàn)了纖維與漿料之間的良好交織，纖維硅溶膠漿料涂掛性能較好。由圖3(e)可見，兩種纖維均勻地分布在型殼基體中，且有部分纖維粘附著制殼材料，表明型殼試樣在外力作用下，一方面，原始制殼材料承載一定的載荷后斷裂；另一方面，纖維以型殼界面脫粘、整體拔出等失效方式并消耗能量，從而纖維對型殼試樣的斷裂起了滯后作用，因此，型殼試樣的強度就有了相應(yīng)的提高。由圖3(f)可見，當(dāng)纖維含量為0.75%時，在型殼試樣中分布不均勻，部分纖維呈纖維束狀且略顯彎曲，這是由于纖維含量過高，在制備漿料的過程中容易出現(xiàn)纖維絮聚現(xiàn)象，纖維在硅溶膠漿料中的分散性變差，減少了纖維與漿料的接觸面積，從而影響漿料的涂掛性能，在型殼基體中纖維束存在的地方變得疏松，導(dǎo)致型殼試樣在破壞時，纖維束與型殼界面發(fā)生粘連，帶動制殼材料一起脫落，形成同一方向的斜槽或孔隙，這些纖維束對型殼試樣仍有增強效果，但這種增強作用大幅度降低，反而對型殼試樣產(chǎn)生一種強烈的割裂作用，此時，纖維對型殼試樣的負(fù)效應(yīng)大于正效應(yīng)，型殼試樣的抗彎強度顯著降低。

圖3 復(fù)合纖維增強型殼試樣在常溫抗彎斷裂時的斷口SEM像Fig.3 Fracture SEM images of shell specimens with different composite fiber contents:(a)0;(b)1.5%;(c)3.0%;(d)4.5%;(e)6.0%;(f)7.5%

圖4復(fù)合纖維含量和焙燒溫度對型殼試樣抗彎強度的影響Fig.4 Effectof composite fibercontent and firing temperature on sintering strength of shell specimens

2.2 復(fù)合纖維含量對硅溶膠型殼焙燒后強度的影響

不同復(fù)合纖維含量下焙燒溫度對型殼試樣抗彎強度的影響如圖4所示。從圖4可以看出，復(fù)合纖維增強的型殼試樣經(jīng)不同的焙燒溫度焙燒后，型殼的抗彎強度都有不同程度的變化，在復(fù)合纖維含量為0.6%時，型殼試樣的抗彎強度均達到最大值，但經(jīng)1050℃溫度焙燒后的抗彎強度最大，為5.145 MPa。而當(dāng)復(fù)合纖維含量超過0.6%，型殼試樣的抗彎強度開始降低。

陶瓷和尼龍復(fù)合纖維增強硅溶膠型殼焙燒后，尼龍有機纖維在型殼基體中受熱熔化，冷卻后凝固形成各種形態(tài)孔隙，不同形態(tài)孔隙對型殼試樣焙燒后的強度各異。陶瓷無機纖維仍留在型殼內(nèi)部，高溫焙燒使得纖維與型殼基體緊密連接，繼續(xù)增強型殼，陶瓷纖維在拔出、脫離型殼后形成纖維直徑大小的圓形孔洞，表明型殼在斷裂時纖維承載了部分應(yīng)力。同時，隨著焙燒溫度的升高，型殼內(nèi)物料的蒸汽壓增高，擴散系數(shù)也增大，顆粒重排幾率加劇，粉料與撒砂顆粒之間結(jié)合更緊密、孔隙越少，它們之間的連接層變厚，連接作用增強，顆粒與粉料之間的燒結(jié)也就越來越明顯，這也可能造成型殼試樣焙燒后強度增大[17]。因此，復(fù)合纖維含量在0.15%～0.6%之間，焙燒后型殼中陶瓷纖維的增強作用要比尼龍纖維的割裂作用大，與原始型殼試樣相比，焙燒后抗彎強度較高。隨著復(fù)合纖維含量的增加，型殼試樣在不同焙燒溫度下的抗彎強度呈先增加后減小，一方面，由于尼龍纖維熔失后留下的孔隙增加，對型殼試樣的割裂作用加??；另一方面，纖維含量過高，在型殼基體中分散不均而形成纖維束，纖維束的存在同樣對型殼具有一定的割裂作用。

根據(jù)復(fù)合纖維增強型殼焙燒后強度的測試結(jié)果，采用曲面擬合法，擬合曲面如圖5所示，可以得出型殼試樣焙燒后強度p、復(fù)合纖維含量w、焙燒溫度t 3者之間的關(guān)系，如式(1)所示：

圖5 型殼試樣焙燒后強度p、復(fù)合纖維含量w和焙燒溫度t的關(guān)系擬合圖Fig.5 Fitting relationship among sintering strength p of shell specimens and composite fiber content w and sintering temperature t for investment casting

從圖5和式(1)中可以看出，型殼試樣焙燒后的抗彎強度與復(fù)合纖維含量w和焙燒溫度t都有一定的關(guān)系，復(fù)合纖維含量w和焙燒溫度t共同影響著型殼試樣焙燒后的抗彎強度p的高低，隨著復(fù)合纖維含量和焙燒溫度的增加，型殼試樣焙燒后的抗彎強度先增大后減小。當(dāng)復(fù)合纖維含量w一定時，型殼試樣焙燒后的抗彎強度隨著焙燒溫度的升高而增大，增幅較??；當(dāng)焙燒溫度一定時，復(fù)合纖維含量小于0.6%時，型殼試樣焙燒后的抗彎強度隨著復(fù)合纖維含量的增加而增大，增幅較大，復(fù)合纖維對型殼強度起著積極的強化作用；而復(fù)合纖維含量大于0.6%時，纖維在型殼基體中極易出現(xiàn)纖維束現(xiàn)象，纖維束對型殼的增強作用相對較弱，型殼試樣的抗彎強度隨著復(fù)合纖維含量的增加而減小。因此，型殼焙燒后強度p、復(fù)合纖維含量w、焙燒溫度t間的關(guān)系式對復(fù)合纖維增強型殼具有一定的現(xiàn)實理論指導(dǎo)意義，以選擇合理的復(fù)合纖維含量和型殼焙燒溫度。

2.3 復(fù)合纖維含量對硅溶膠型殼透氣性的影響

復(fù)合纖維含量對型殼試樣透氣率的影響如圖6所示。從圖6可以看出，隨著復(fù)合纖維含量的增加，型殼試樣的透氣率逐漸增大，當(dāng)纖維含量為0.75%時，型殼試樣的透氣率達到最大值，為266.6，與原始型殼的相比增加了46%。這是由于型殼在高溫焙燒過程中，尼龍纖維被完全燒失，在型殼內(nèi)部留下許多微小孔隙，增加了型殼中氣體排放的通道。纖維含量過高在漿料中分散不均，容易在型殼中形成纖維束狀，在高溫焙燒過程中，纖維束中的尼龍纖維被燒失，陶瓷纖維仍留在其中，該纖維束存在的地方變得疏松，基體中孔隙率增加，型殼試樣的透氣率提高，型殼在高溫金屬澆注時透氣性就好，但是對型殼的高溫強度具有破壞作用。

圖6 復(fù)合纖維含量對型殼試樣透氣性的影響Fig.6 Effect of composite fiber content on permeability of shell specimens

復(fù)合纖維增強硅溶膠型殼焙燒后，尼龍有機纖維被燒失在型殼內(nèi)部留下的微孔隙形貌如圖7所示。圖7(a)和(b)是圓形孔洞(單根尼龍纖維被燒失后形成)，圖7(c)和(d)是鋸齒形孔洞(尼龍纖維束被燒失后形成)。從圖7(a)和(b)中可以看出，這個圓形孔洞的孔徑接近于尼龍纖維直徑，且孔的邊緣沒出現(xiàn)脫砂、變形等現(xiàn)象，說明這個孔洞是由于尼龍纖維在高溫焙燒后留下的，而不是型殼試樣在斷裂時陶瓷纖維被拔出后形成。從圖7(c)和(d)中可以看出，孔洞較多且不規(guī)則，近似于鋸齒狀，這是由于型殼基體中存在的復(fù)合纖維束，當(dāng)型殼試樣斷裂時，陶瓷纖維從疏散的孔隙中拔出，從而形成類似鋸齒狀的孔洞。正是型殼經(jīng)焙燒后基體中存在的圓形和鋸齒狀的孔洞，孔隙率隨著復(fù)合纖維含量的增加而增多，型殼的透氣性才得以逐漸提高。

圖7 復(fù)合纖維增強型殼焙燒后在型殼內(nèi)部形成的微孔隙形貌Fig.7 Micro pore morphologies of composite fiber enhanced shell after sintering:(a),(b)Circular hole;(c),(d)Zigzag hole

3 結(jié)論

1)陶瓷和尼龍復(fù)合纖維增強精鑄硅溶膠型殼，當(dāng)復(fù)合纖維含量在0～0.75%時，隨著纖維含量的增加，型殼常溫強度先增大后減??；當(dāng)復(fù)合纖維含量為0.6%時，型殼常溫強度達到最大值，為3.638 MPa，與傳統(tǒng)型殼的相比提高了39%。

2)建立了復(fù)合纖維含量w、焙燒溫度t與型殼焙燒后強度p的關(guān)系為

隨著復(fù)合纖維含量和焙燒溫度的增加，型殼焙燒后強度先增大后減小。當(dāng)復(fù)合纖維含量為0.60%、焙燒溫度為1050℃時，型殼試樣焙燒后強度最大，為5.145 MPa。

3)復(fù)合纖維增強型殼焙燒過程中尼龍纖維被完全燒失，在型殼內(nèi)留下許多微孔隙，可有效提高型殼透氣性，隨著復(fù)合纖維含量的增加，型殼透氣性逐漸增大。

REFERENCE

[1] 周明智,朱春臨,陳奇海,張 沖.精密熔模鑄造技術(shù)在雷達產(chǎn)品中的應(yīng)用[J].電子機械工程,2013(4):46-48.ZHOU Ming-zhi,ZHU Chun-lin,CHEN Qin-hai,ZHANG Chong.Application of investment casting to radar component manufacture[J]. Electro-Mechanical Engineering, 2013(4):46-48.

[2] 樊振中,徐秀利,王玉靈,劉建軍.熔模精密鑄造技術(shù)在航空工業(yè)的應(yīng)用及發(fā)展[J].特種鑄造及有色合金,2014(3):285-289.FAN Zhen-zhong,XU Xiu-li,WANG Yu-ling,LIU Jian-jun.Investment casting technology application and development in the aviation industry[J].Special Casting&Nonferrous Alloys,2014(3):285-289.

[3] CHEN Yan-fei,ZHENG Shun-qi,TU Jiang-ping,XIAO Shu-long,TIAN Jing,XU Li-juan,CHEN Yu-yong.Fracture characteristics of notched investment cast TiAl alloy through in situ SEM observation[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2012,22(10):2389-2394.

[4] DOU Yang-qing,BU Kun,DOU Yang-liu.Reversing design methodology ofinvestmentcasting dieprofilebased on ProCAST[J].China Foundry,2010,7(2):132-137.

[5] 劉朝暉,王 強.硅溶膠型殼脫殼性能的改良方法[J].熱加工工藝,2013,42(11):69-71.LIU Chao-hui,WANG Qiang.Improved methods for silica sol mould shelling performance[J].Hot Working Technology,2013,42(11):69-71.

[6] ABRAHAM T N,GEORGE K E.Short nylon fiber reinforced PP: Melt rheology[J]. Polymer-Plastics Technology and Engineering,2007,46(3):321-325.

[7] TRAN T K,KIM D J.High strain rate effects on direct tensile behavior of high performance fiber reinforced cementitious composites[J].Cement and Concrete Composites,2014,45:186-200.

[8] 田 君,石子瓊,鐘守炎,廖梓龍.Al2O3-SiO2(sf)/AZ91D復(fù)合材料的蠕變微觀組織和變形機理[J].中國有色金屬學(xué)報,2013,23(5):1241-1247.TIAN Jun,SHI Zi-qiong,ZHONG Shou-yan,LIAO Zi-long.Microstructural evolution and deformation mechanism during creep ofAl2O3-SiO2(sf)/AZ91D composite[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2013,23(5):1241-1247.

[9] 劉貫軍,李文芳,馬利杰,彭繼華.硅酸鋁短纖維增強AZ91D復(fù)合材料的界面微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能[J].復(fù)合材料學(xué)報,2008,25(6):156-159.LIU Guan-jun,LI Wen-fang,MA Li-jie,PENG Ji-hua.Interface microstructure and mechanical property of(Al2O3-SiO2)sf/AZ91D composite[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2008,25(6):156-159.

[10] 王婕麗,林文松,姜自旺,段麗慧.纖維結(jié)構(gòu)鉬銅復(fù)合材料的制備及組織性能[J].中國有色金屬學(xué)報,2014,24(1):174-178.WANG Jie-li,LIN Wen-song,JIANG Zi-wang,DUAN Li-hui.Fabrication and structure properties of fiber-structured Mo-Cu composites[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2014,24(1):174-178.

[11]MAITY P C,MAITY J.Development of high strength ceramic shell for investment casting[J].Indian Foundry Journal,2011,47(7):23-26.

[12] 呂 凱,劉向東,李艷芬,馮 華,王 浩.纖維增強熔模鑄造復(fù)合型殼的性能及斷口形貌[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2014,40(10):1361-1365.Lü Kai,LIU Xiang-dong,LI Yan-fen,FENG Hua,WANG Hao.Properties and fracture surface morphology of fiber-reinforced shell for investment casting[J].Journal of Beijing University of Aeronautics andAstronautics,2014,40(10):1361-1365.

[13] YUAN C,JONES S.Investigation of fiber modif i ed ceramic moulds for investment casting[J].Journal of the European Ceramic Society,2003,23(3):399-407.

[14]YUAN C,JONES S,BLACKBURN S.The influence of autoclave steam on polymer and organic fiber modified ceramic shells[J].Journal of the European Ceramic Society,2005,25(7):1081-1087.

[15]HARUN Z,KAMARUDIN N H,TAIB H M.Effect of rice husk on fired ceramic shell strength[J].Advanced Materials Research.2013,795:732-737.

[16]NEUSSL E,SAHM P R.Selectively fiber-reinforced components produced by the modified investment casting process[J].Composites:Part A,2001,32:1077-1083.

[17]肖樹龍.鈦合金低成本氧化物陶瓷型殼熔模精密鑄造技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.XIAO Shu-long.Study on technology of investment cast for titanium alloy using low cost oxide ceramic mould shell[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2007.