聚丙烯纖維的加入量對精鑄型殼性能的影響

＊胡 蓉

（神華準能資源綜合開發(fā)有限公司 內(nèi)蒙古 010300）

在熔模精密鑄造中，型殼的制備是一個關(guān)鍵工序，因為它決定著鑄件的尺寸精度和表面粗糙度，并且直接影響著鑄件的制造成本以及生產(chǎn)效率[1]。傳統(tǒng)的型殼存在濕強度低、干燥時間長、破損嚴重等缺陷[2-3]。為了解決這一問題，通常采用增加耐火粉料層數(shù)，即型殼厚度，來增加型殼濕強度。型殼厚度增加帶來的另一問題是鑄件清理困難，型殼廢氣物排放增大，對環(huán)境污染嚴重。所以尋求一種新型殼工藝制備的方法具有重要的現(xiàn)實意義。目前，很多研究表明，在涂料中摻混一種增強材料，可以提高型殼強度。S.Jones和C.Yuan[4]研究了向硅溶膠涂料中摻混尼龍纖維，得到了含有纖維的硅溶膠型殼，摻混纖維后型殼脫蠟開裂傾向明顯降低，型殼的透氣性也有明顯的改善。而韓軼多[7]等選用聚丙烯纖維，將其摻入混凝土中，大大提高了混凝土的綜合性能，并闡述了纖維增強作用的機理，他們認為聚丙烯纖維是增強混凝土性能的一種重要方法。故本試驗探索聚丙烯纖維對熔模鑄造用型殼濕強度的影響，探索一種制備高強度復合型殼的新型工藝。

1.試驗方法

本試驗旨在尋找一種熔模鑄造用高強度型殼的制備工藝，以φ40um的聚丙烯纖維作為增強材料制得復合型殼，規(guī)格對型殼性能的影響規(guī)律（摻混比是指聚丙烯纖維與背層骨料莫來粉的質(zhì)量百分比），并與普通型殼進行比較。復合型殼工藝制備過程中面層和過渡層均采用傳統(tǒng)的普通型殼工藝方法制備，其不同之處是在背層涂料中摻混聚丙烯纖維。

2.試驗結(jié)果及分析

(1)纖維摻混比對復合型殼濕強度的影響

圖1為復合型殼濕強度隨纖維摻混比變化的曲線圖。由圖1可知，纖維長度為2mm時，隨著纖維摻混比的增加，型殼強度由2.73MPa增加到達到3.10MPa，復合型殼濕強度呈平緩上升趨勢。纖維長度為3mm時，隨著摻混比增加，型殼強度由2.89MPa增加到3.21MPa，與普通試樣相比，增加了17.6%。隨著纖維摻混比的增加，復合型殼濕強度平衡上升，繼續(xù)增加，過多的纖維對型殼產(chǎn)生割裂作用，部分正面影響因素被抵消，所以當摻混比為2.0%時，型殼強度為3.15MPa，比摻混比為1.6%時，有所減小。纖維長度為4mm時，隨著纖維摻混比增加復合型殼濕強度呈增加的趨勢。相比長度為2mm和3mm纖維增強作用有所提高。纖維長度為5mm時，隨著纖維摻混比的增加，型殼濕強度呈先增大后減小的趨勢。與2mm、3mm和4mm纖維增強作用相比增強作用提高，而且在摻混比為1.6%時，四種長度的纖維均為強度最高點，說明纖維摻混比相同情況下，長度越長，纖維增強作用越明顯。長度為6mm時，型殼強度呈先增加后減小趨勢，與5mm纖維長度相比，對型殼增強作用降低。所以纖維長度對型殼強度也有一定的影響，主要因纖維過長或過短均不能起到承擔載荷的作用[5]，隨著摻混比的加大對型殼有割裂作用，使得對增強作用為負面影響，即表現(xiàn)為型殼強度降低。

圖1 纖維摻混比對復合型殼濕強度的影響

由上試驗可知，復合型殼濕強度最大值為3.6MPa，此時纖維長度為5mm，摻混比為1.6%時，與普通型殼強度相比明顯提高，增加了31.8%。因此，選用聚丙烯纖維作為增強材料可明顯提高熔模鑄造用型殼濕強度?？傮w觀察，在背層涂料中摻混聚丙烯纖維可以提高熔模鑄造用型殼的濕強度，由纖維所產(chǎn)生的正能量大于負能量，表現(xiàn)為復合型殼濕強度的提高。

(2)纖維對復合型殼焙燒后強度的影響

圖2為抗彎強度隨纖維摻混比變化的曲線圖。由圖2可知，纖維長度為2mm，摻混比由0.4%增加到1.2%時，型殼強度由4.8MPa增加至4.89MPa，增幅為1.8%，但與普通試樣相比，降低了1.6%，主要有兩方面影響因素：一是因型殼通過焙燒后，纖維裂解，在型殼內(nèi)部形成孔道阻止裂紋的繼續(xù)擴展，表現(xiàn)為型殼強度的提高，即為正能量；二是纖維被焙燒后，形成的孔道數(shù)量隨著纖維摻混量的增加而增多，造成型殼內(nèi)空隙增多，復合型殼實際承載力減小，高溫焙燒后復合型殼強度降低，即為負能量。此時正的影響因素大于負的影響因素，表現(xiàn)為型殼強度的增加。隨著纖維摻混比的繼續(xù)增加，焙燒后復合型殼強度呈下降趨勢。當摻混比為2.0%時，強度為4.53MPa。纖維長度為3mm時，隨著纖維摻混比的增加，焙燒后復合型殼強度呈先增加后減小趨勢。摻混比由0.4%增加到0.8%時，型殼強度由4.81MPa增加到5.06MPa，增幅為5.2%。纖維摻混比達到2.0%時，焙燒后復合型殼強度減小為4.65MPa，降低了6.4%。隨著纖維長度和摻混比的繼續(xù)增加，焙燒后復合型殼強度呈直線下降趨勢。摻混5mm×1.6wt%的纖維濕強度最高，此時，復合型殼焙燒后強度為4.63MPa，與普通試樣型殼相比，降低了6.8%，仍可滿足鑄造生產(chǎn)要求，并且利于鑄件的清理。

圖2 纖維摻混比對復合型殼濕強度影響

(3)纖維對復合型殼透氣性的影響

透氣性是指氣體通過型壁的能力，精鑄用型殼透氣性的好壞對金屬液的充型能力有重要的影響[6]，并直接影響到鑄件質(zhì)量。圖3為型殼透氣性隨溫度的變化曲線圖。由圖3可知，兩種型殼透氣性總體都呈先減小后增加的趨勢。對于普通型殼試樣其主要原因是溫度升高至800℃時，由于型殼內(nèi)部氣壓型繼續(xù)增大，超過型殼壁自身的承受能力時，型殼將會發(fā)生爆裂[5]，型殼壁自身產(chǎn)生微裂紋釋放能量，當溫度繼續(xù)升高時，所產(chǎn)生的微裂紋不能滿足所承載的外力時，裂縫尺度增加，表現(xiàn)為透氣性急劇上升。對于高強度復合型殼，由于溫度升高，型殼內(nèi)部氣壓增大，當達到纖維裂解溫度時，纖維氣化，致使型殼內(nèi)孔道增多，單位體積內(nèi)型殼空隙增多，利于氣體的排出，但是溫度達到900℃時，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，透氣性有所回升，主要原因是隨著溫度的升高，型殼內(nèi)部氣壓增大，空氣粘度增大，型殼爆裂，產(chǎn)生微裂紋釋放能量，表現(xiàn)為型殼透氣性緩慢增加，之后，由于溫度繼續(xù)升高，氣壓繼續(xù)增加，微裂紋不能滿足時，裂縫尺度增加，表現(xiàn)為型殼透氣性急劇上升。綜合比較兩種型殼氣性，復合型殼透氣性相比普通試樣型殼透氣性明顯提高。當溫度為50℃時，復合型殼透氣性比普通透氣性高出了約84%；溫度為800℃時，普通型殼透氣性到達最低值，復合型殼透氣性比普通型殼透氣性高出了84.2%；溫度為900℃時，復合型殼透氣性到達最低值，此時復合型殼透氣性比普通型殼透氣性高出了23.8%，從溫度上相比，復合型殼透氣性裂縫的產(chǎn)生較普通型殼延遲，主要有三個方面的因素：一方面是由于纖維裂解后產(chǎn)生孔道，降低了裂紋敏感性，能夠有效地阻止裂紋的擴展，延緩了裂縫的產(chǎn)生；其次是高溫焙燒后，型殼內(nèi)部氣體膨脹，氣壓增大，型殼爆裂，產(chǎn)生微裂紋，表現(xiàn)為透氣性增加；最后一方面是復合型殼由于纖維裂解之后產(chǎn)生孔道，這些孔道增加了型殼內(nèi)部空隙，促使更多氣體通過型壁，所以在相同溫度下，與普通型殼相比，單位體積內(nèi)復合型殼通過型壁的氣體增多，使得型殼所承受的外力減小。

圖3 型殼透氣性隨溫度的變化

3.結(jié)論

（1）聚丙烯纖維的摻入提高了復合型殼濕強度。在背層涂料中加入纖維后，型殼濕強度都適當提高，當纖維直徑為40um時，長度為5mm，摻混比為1.6%時，型殼濕強度增加值最大為3.60MPa，是普通型殼2.3倍。

（2）聚丙烯纖維的摻入降低了復合型殼焙燒強度。當長度為5mm，摻混比為1.6%時，型殼焙燒強度為4.63MPa，與普通型殼相比降低，有利用鑄件的清理。

（3）摻入聚丙烯纖維后，型殼透氣性有了明顯提高。