熔模型離心微鑄造技術(shù)與工藝研究

楊 闖

（黑龍江工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050）

目前，微型機(jī)械的高速進(jìn)步導(dǎo)致了微細(xì)加工技術(shù)不斷進(jìn)步。微鑄造技術(shù)，作為近幾年發(fā)展起來的一種微細(xì)加工技術(shù)，亟待對其展開深入細(xì)致的研究。微鑄造技術(shù)分為兩種，一種為金屬型微鑄造［1－6］，一種為熔模型微鑄造［7－11］。熔模微鑄造作為最早開發(fā)的微鑄造技術(shù)，主要是以壓力鑄造和離心鑄造為最主要的液態(tài)成形方式。在熔模離心微鑄造過程中，熔模鑄型要承受極大的離心力，這就使得離心轉(zhuǎn)速受到限制。因此，本文擬對熔模離心微鑄造技術(shù)及熔模材料進(jìn)行深入探討，進(jìn)而對微拉伸件晶粒尺寸與力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及設(shè)備

本文采用的澆鑄材料為鋅合金，合金成分見表1。

表1 鋅合金化學(xué)成分 %

模具材料為α－高強度石膏粉，調(diào)成石膏漿體的需水量很小，約為35%～45%，因而硬化后孔隙率小，強度高。

耐高溫超細(xì)氧化鋁粉末，粒度分布0.18～0.25μm，熔點約2 000℃。

熔模用微晶蠟，微晶蠟是一種近似微晶性質(zhì)的精制合成蠟，其結(jié)構(gòu)緊密，堅而滑潤，熔點為60～95℃。

試驗設(shè)備采用改裝的液態(tài)金屬離心微成形系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 液態(tài)金屬離心微成形系統(tǒng)示意圖

1.2 試驗方法

1.2.1 熔模微鑄造制備過程

基于熔模鑄造的步驟，熔模微鑄造可分以下6部分，如圖2所示。

1）蠟?zāi)：臀⒃嚇拥闹谱?。本文微試樣采用縮小的拉伸試樣，即微拉伸件。微拉伸件長度為30mm，工作段長度為10mm，寬度為1mm，試樣分3個厚度，分別為0.43mm、0.80mm 和1.44mm。微拉伸件分別固定在微晶蠟制作的澆注系統(tǒng)上。

2）微熔模的灌澆。將α－高強度石膏粉和耐高溫氧化鋁粉按照一定的比例進(jìn)行混合。將混合均勻的漿料澆入裝有微拉伸件的鋼套中，然后對熔模進(jìn)行真空處理，使氣泡充分溢出。然后將熔模型放在陰涼干燥處72h，使其水分充分揮發(fā)。

圖2 熔模微鑄造制備過程

3）微熔模型焙燒。熔模型的焙燒溫度和保溫時間如圖3所示。在每個溫度充分保溫，避免熔模型在焙燒過程中開裂。

圖3 熔模型的保溫時間和加熱溫度曲線

4）離心澆注過程。鋅合金通過電阻爐加熱熔化，加熱溫度為420℃，并保溫60min，使鋅合金充分熔化，澆入如圖1所示的離心微成形系統(tǒng)。試驗方案分為兩部分：①預(yù)熱溫度280℃保持不變，改變離 心 轉(zhuǎn) 速 分 別 為 500r／min、1 000r／min、1 500r／min、2 000r／min和2 500r／min。②離心轉(zhuǎn)速1 500r／min一定，改變預(yù)熱溫度200 ℃、220℃、240℃、260℃和280℃。

5）熔模型。待澆注完成后，取出帶有微拉伸件的熔模型。

6）微拉伸件獲得。小心去掉微拉伸件外部的熔模型，最后試樣用丙酮清洗干凈。

1.2.2 熔模材料試驗過程

將α－高強石膏粉與耐高溫氧化鋁粉末用電子天平稱取，并按照兩者質(zhì)量比8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6和10∶0比例配制，并置于準(zhǔn)備好的干燥塑料瓶中，然后將α－高強度石膏粉和耐高溫氧化鋁粉末混合均勻，之后按照質(zhì)量的45%～50%加水?dāng)嚢?～3min后，放入真空室中，以便將石膏漿料中氣泡趕出。

將石膏試樣放于陰涼干燥處，3～4d后小心去除塑料瓶取出石膏試樣，將其放入加熱爐中進(jìn)行加熱焙燒。完成后冷卻至室溫，將石膏樣品取出進(jìn)行試驗。焙燒溫度及時間如圖3所示。

1.2.3 組織觀察及性能測試

微拉伸件經(jīng)拋光處理后，用腐蝕劑進(jìn)行腐蝕（氧化鉻18g、硫酸4mL、蒸餾水78mL），最后在Olympus BX51M金相顯微鏡上對其進(jìn)行組織觀察，得出離心鑄造工藝對于微拉伸件組織的影響規(guī)律。

硬度通過HV－1000顯微硬度計測定，測定微拉伸件的硬度，微拉伸件與澆道接觸的地方稱為尾部，遠(yuǎn)離澆道的部分稱為頭部，中間的部分稱為頸部，加載載荷1N，加載時間15s，每個地方測定5點，取平均值。從而得出離心轉(zhuǎn)速對微拉伸件硬度的影響。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 熔模材料成分的確定

由試驗結(jié)果可知，α－高強石膏粉與耐高溫氧化鋁粉按照質(zhì)量比8∶2、7∶3、10∶0配制的熔模材料，在陰涼處干燥3d后，表面上都產(chǎn)生了明顯的裂紋，不適合作為微鑄造用熔模材料。

α－高強石膏粉與耐高溫氧化鋁粉按照質(zhì)量比6∶4、5∶5、4∶6配制的熔模材料，在陰涼處干燥3d后，表面并沒有出現(xiàn)明顯的裂紋，于是進(jìn)一步對熔模材料進(jìn)行焙燒，焙燒溫度和時間如圖3所示。焙燒前后的熔模材料對比如圖4所示。

圖4 不同質(zhì)量比熔模材料焙燒前后對比

圖中（a）、（d）石膏粉與氧化鋁粉質(zhì)量比6∶4，（a）焙燒前，（d）焙燒后；（b）、（e）石膏粉與氧化鋁粉質(zhì)量比5∶5，（b）焙燒前，（e）焙燒后；（c）、（f）石膏粉與氧化鋁粉質(zhì)量比4∶6，（c）焙燒前，（f）焙燒后。

α－高強石膏粉與耐高溫氧化鋁粉按質(zhì)量比6∶4配制的熔模材料焙燒前如圖4（a）所示，表面無明顯裂紋，光滑明亮，復(fù)制文字清晰可辨。700℃焙燒后如圖4（d）所示，表面沒有裂紋，表面仍光滑，并文字清晰可辨。破壞試驗后，內(nèi)部沒有氣孔。在進(jìn)行破壞試驗時，易破壞并用手碾壓粉末沒有扎手感。浸水實驗表現(xiàn)為軟性，用手輕微用力就容易破壞其外表。

α－高強石膏粉與耐高溫氧化鋁粉按質(zhì)量比5∶5配制的熔模材料焙燒前如圖4（b）所示，表面沒有裂紋，復(fù)制文字清晰完整，外表光潔。焙燒后如圖4（e）所示，在中間部位有細(xì)微道裂紋出現(xiàn)，

α－高強石膏粉與耐高溫氧化鋁粉按質(zhì)量比4∶6配制的熔模材料焙燒前如圖4（c）所示，復(fù)制文字不清晰。焙燒后如圖4（f）所示，外圓表面有幾道明顯可見裂紋。

綜上，α－高強石膏粉與耐高溫氧化鋁粉按質(zhì)量比6∶4配制的熔模材料符合本文熔模型微鑄造工藝的要求，既能夠很好復(fù)制細(xì)節(jié)而不出現(xiàn)裂紋，并能夠高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)后不易破壞。從而保證了由此熔模材料制備的模具能夠承受高溫液態(tài)金屬澆鑄，并在澆鑄成形后使得石膏模具容易與微試樣分離。

2.2 微拉伸件的成形結(jié)果

當(dāng)石膏模具的預(yù)熱溫度在280℃時，離心轉(zhuǎn)速在1 500r／min時，得到的微型拉伸件如圖5所示，微拉伸件的厚度為0.43mm，由圖5可以看出，澆鑄成形的微型拉伸件長度完整，中間尺寸精確，表面平整光滑，沒有裂紋出現(xiàn)，中間邊緣處有些許毛刺出現(xiàn)，基本達(dá)到了預(yù)期試驗效果。

圖5 預(yù)熱溫度280℃，離心轉(zhuǎn)速1 500r／min條件下澆鑄成形的微拉伸件，工件厚度0.43mm

在模具預(yù)熱溫度為280℃不變，改變離心轉(zhuǎn)速500r／min，1 000r／min，1 500r／min，2 000r／min和2 500r／min 條 件 下，0.43mm、0.80mm 和1.44mm厚的微拉伸件隨著離心轉(zhuǎn)速的增加，成形效果逐漸變好。預(yù)熱溫度280℃，不同離心轉(zhuǎn)速條件下，不同厚度微拉伸件的充填長度如圖6所示，由圖6可以看出，在模具預(yù)熱溫度一定的前提下，離心轉(zhuǎn)速越高，微拉伸件充填越長。在離心轉(zhuǎn)速為500r／min的時候，不同厚度的微伸試樣并沒有充填完全，而其他離心轉(zhuǎn)速下，微拉伸件基本充填完全。在離心轉(zhuǎn)速為500r／min和1 000r／min的條件下，不同厚度的微拉伸件充填長度起伏較大，而在離心轉(zhuǎn)速1 500r／min以上，各工件充填長度較為平穩(wěn)。

圖6 預(yù)熱溫度280℃，不同離心轉(zhuǎn)速條件下，不同厚度微拉伸件的充填長度

2.3 離心轉(zhuǎn)速對微拉伸件晶粒大小的影響

鑄型預(yù)熱溫度280℃條件下，不同離心轉(zhuǎn)速所得到的組織如圖7所示。由圖7可以看出，隨著離心轉(zhuǎn)速的增加，微拉伸件的晶粒尺寸明顯減小，這主要是因為液態(tài)金屬在凝固過程中不同的冷卻速度所導(dǎo)致。離心轉(zhuǎn)速越快，預(yù)熱的鑄型溫度下降越快，從而使得液態(tài)金屬與鑄型的溫度差越大，即液態(tài)金屬的冷卻速度越大，造成晶粒細(xì)化效果明顯。

2.4 離心轉(zhuǎn)速對微拉伸件顯微硬度的影響

圖8為不同離心轉(zhuǎn)速條件下硬度隨試樣不同位置變化曲線。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著離心轉(zhuǎn)速的增加，無論是在尾部、頸部還是頭部的硬度都處于上升的趨勢。這主要是因為液態(tài)金屬在凝固成型過程中，冷卻速度不同所造成。離心轉(zhuǎn)速越快，晶粒尺寸細(xì)小，造成微拉伸試樣的硬度隨著離心轉(zhuǎn)速增加而增加。

3 結(jié) 論

1）本文通過試驗得出，α－高強石膏粉與耐高溫氧化鋁粉按質(zhì)量比6∶4配制的熔模材料適合熔模型微鑄造工藝的要求，該熔模材料既能夠很好復(fù)制細(xì)節(jié)，又能耐高溫?zé)Y(jié)。

2）本文通過熔模型離心微鑄造工藝，在離心轉(zhuǎn)速1 500r／min，預(yù)熱溫度280℃條件下，制備出長30mm的微尺度件，最小截面尺寸為0.43mm×1mm微拉伸件。

3）本文通過熔模型離心微鑄造工藝得出，模具預(yù)熱溫度一定時，微拉伸件的晶粒尺寸隨著離心轉(zhuǎn)速的增加逐漸變小，同時硬度逐漸增大。

圖7 預(yù)熱溫度280℃，不同離心轉(zhuǎn)速微拉伸件的組織

圖8 不同離心轉(zhuǎn)速條件下硬度隨位置變化曲線

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