裴丹丹，游曉紅，王錄才，陰世河

（1.太原科技大學(xué)材料學(xué)院，山西太原 030024；2.沈陽(yáng)中世機(jī)械電器設(shè)備有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110101）

消失模鑄造技術(shù)是一項(xiàng)精確成形的鑄造新技術(shù)，制模技術(shù)是消失模鑄造的關(guān)鍵技術(shù)，如何掌握好制模技術(shù)是獲取精密鑄件的前提之一。由于在消失模中，模樣的尺寸精度、密度和表面質(zhì)量會(huì)影響到模樣和鑄件的品質(zhì)和尺寸精度，所以一個(gè)合格的消失模鑄造專用模樣，除了要滿足尺寸精度和表面質(zhì)量外，模樣密度也是一個(gè)重要的指標(biāo)[1,2]，其大小直接影響著鑄件的質(zhì)量。密度過大，則發(fā)氣量大，含碳量也大，容易產(chǎn)生皺皮、夾渣、增碳等缺陷，所以從發(fā)氣量方面來考慮，要求模樣密度小一些。但是密度過小，模樣的強(qiáng)度不夠，則會(huì)引起模樣變形、粘砂、凹陷、軟塌等現(xiàn)象，從強(qiáng)度方面考慮，模樣的密度不能過小。因此，如何控制泡沫模樣的密度，就成為獲得合格消失模模樣乃至合格的消失模鑄件的關(guān)鍵問題之一[3,4，5]。本文主要從工藝因素方面分析討論對(duì)模樣密度的影響。

1 試驗(yàn)過程

采用真空預(yù)發(fā)泡機(jī)進(jìn)行預(yù)發(fā)泡，試驗(yàn)時(shí)將一定珠粒粒徑的可發(fā)性聚苯乙烯（EPS）加入溫度一定的膨脹室內(nèi)進(jìn)行預(yù)發(fā)泡，然后將預(yù)發(fā)泡珠粒在20℃～25℃放置熟化4h，最后進(jìn)行發(fā)泡成形。表1為試驗(yàn)用EPS性能。

表1 試驗(yàn)用可發(fā)性聚苯乙烯珠粒的性能

本實(shí)驗(yàn)采用真空預(yù)發(fā)泡，溫度一定，主要控制預(yù)發(fā)泡時(shí)間，將預(yù)發(fā)泡時(shí)間設(shè)為5 min、6 min、7 min、8 min、9 min、10 min、11 min、12 min、13 min、14 min.

預(yù)發(fā)泡珠粒的發(fā)泡成形:采用加料槍將熟化好的珠粒吸入鋁制模具（模具的型腔S50 mm），通入蒸汽加熱加壓使預(yù)發(fā)珠粒成型，通水冷卻，將模具冷卻到40℃～50℃，取出模樣。發(fā)泡成形主要控制成形蒸汽壓力和成形時(shí)間，蒸汽壓力一定，成形時(shí)間設(shè)為 12 s、14 s、16 s、18 s、20 s、22 s、24 s；成形時(shí)間一定，成形蒸汽壓力設(shè)為0.1 MPa和0.15 MPa.

模樣密度的測(cè)定：將模樣放在50℃的干燥箱中干燥后，用電子天平測(cè)其質(zhì)量，用電子數(shù)顯卡尺測(cè)量尺寸，最后可算得其密度。

預(yù)發(fā)泡后，將經(jīng)不同預(yù)發(fā)泡時(shí)間的預(yù)發(fā)珠粒分別用電子天平測(cè)量質(zhì)量和量筒測(cè)定其體積，最后計(jì)算出預(yù)發(fā)珠粒的堆密度（預(yù)發(fā)珠粒堆密度是指單位體積的預(yù)發(fā)珠粒的質(zhì)量）。采用origin軟件尋找預(yù)發(fā)時(shí)間與預(yù)發(fā)珠粒堆密度之間的關(guān)系，如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 預(yù)發(fā)泡時(shí)間對(duì)EPS預(yù)發(fā)珠粒堆密度的影響

從圖1中可以看出，預(yù)發(fā)珠粒堆密度隨著預(yù)發(fā)泡時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，開始密度降低的程度較大，10 min后降低程度變緩。這是因?yàn)樵诟邷囟鹊碾姛峤z加熱膨脹室內(nèi)，EPS珠粒在刮板的旋轉(zhuǎn)攪拌作用下很快上升到樹脂的軟化溫度，發(fā)生軟化變形。以各自獨(dú)立的核存在于珠粒的發(fā)泡劑受真空和加熱的雙重作用下迅速氣化膨脹，使珠粒體積迅速增大，變成一種閉孔、有共用珠壁的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。如果過分延長(zhǎng)發(fā)泡時(shí)間，孔壁變薄，表面出現(xiàn)破孔，導(dǎo)致預(yù)發(fā)泡珠粒收縮或癟塌，珠粒黏結(jié)成塊，密度反而增大。

圖1 預(yù)發(fā)泡時(shí)間對(duì)預(yù)發(fā)珠粒堆密度的影響

對(duì)可發(fā)性聚苯乙烯進(jìn)行電熱絲真空預(yù)發(fā)泡較理想的工藝參數(shù)為：預(yù)發(fā)泡的預(yù)熱溫度為92℃～97℃，加料時(shí)間5 s，預(yù)發(fā)泡的溫度為97℃～102℃，預(yù)發(fā)時(shí)間為6min～10min，出料時(shí)間15s，預(yù)發(fā)密度為18g/L～27 g/L。

2.2 預(yù)發(fā)珠粒堆密度與模樣密度之間的關(guān)系

預(yù)發(fā)時(shí)間與模樣密度之間的關(guān)系如圖2所示，消失模鑄造用EPS的密度一般在15 g/L～25 g/L范圍內(nèi)選擇[6]，圖3所示的是EPS預(yù)發(fā)珠粒堆密度與模樣密度之間的關(guān)系，兩者之間基本上為1∶1的關(guān)系,即預(yù)發(fā)泡珠粒的堆密度與成型發(fā)泡得到的模樣密度基本一致。這是因?yàn)?，在正常情況下測(cè)量堆密度時(shí)在量筒中的填充狀態(tài)與預(yù)發(fā)珠粒在模具型腔內(nèi)的填充狀態(tài)幾乎一樣。成型發(fā)泡時(shí)預(yù)發(fā)珠粒受熱進(jìn)一步膨脹將剩余空隙填充掉，成為致密的模樣。因此，在溫度一定的情況下，可以通過控制預(yù)發(fā)泡時(shí)間來控制模樣的密度。

圖2 預(yù)發(fā)時(shí)間與模樣密度之間的關(guān)系

圖3 預(yù)發(fā)珠粒堆密度與模樣密度之間的關(guān)系

2.3 成型發(fā)泡工藝與EPS模樣密度的關(guān)系

由于模樣密度的大小直接影響鑄件的質(zhì)量，不同的鑄件材質(zhì)和結(jié)構(gòu)所需要的模樣密度范圍也不同，可根據(jù)不同的密度采取相應(yīng)的成型發(fā)泡工藝，表2為不同密度模樣的成型發(fā)泡工藝試驗(yàn)結(jié)果。

表2 不同密度模樣成型工藝試驗(yàn)

在試驗(yàn)中，判斷模樣是否合格的標(biāo)準(zhǔn)主要是其表面質(zhì)量。如果模樣表面完整、輪廓清晰，模樣表面珠粒界面處無凹陷和凸出，整個(gè)模樣無收縮或膨脹變形即為合格模樣，反之為不合格模樣。從表2中可以看出，成形蒸汽壓力越大，成形時(shí)間越長(zhǎng)，模樣密度越小。這是因?yàn)榻?jīng)過不同的預(yù)發(fā)泡時(shí)間，同一粒度的原料預(yù)發(fā)后所獲得預(yù)發(fā)珠粒粒徑不同，堆密度小的珠粒大反之珠粒小。隨著預(yù)發(fā)泡時(shí)間的延長(zhǎng)，預(yù)發(fā)珠粒粒徑越大，發(fā)泡劑的剩余量就越少，成型發(fā)泡能力就越低[5]。因此珠粒大小不同其成型發(fā)泡能力也不同，而使其成型發(fā)泡時(shí)所需的工藝參數(shù)不同。從成型發(fā)泡機(jī)理上講，珠粒發(fā)泡成形時(shí)，蒸汽通過透氣塞進(jìn)入預(yù)發(fā)泡珠粒的顆粒間隙，趕走空氣和水，同時(shí)預(yù)發(fā)泡珠粒表面受熱再次升溫到樹脂軟化變形溫度，發(fā)生軟化變形，珠粒內(nèi)部剩余的發(fā)泡劑遇熱膨脹，壓力增大，促使預(yù)發(fā)泡珠粒進(jìn)一步膨脹并在界面處融合，最終充填模具的所有空隙，從而獲得與模具內(nèi)腔一致的致密模樣。

綜上所述，預(yù)發(fā)泡工藝影響模樣密度，模樣密度和預(yù)發(fā)泡工藝又制約珠粒的成型發(fā)泡工藝。了解到這些，對(duì)在實(shí)際生產(chǎn)中控制消失模模樣密度，調(diào)整預(yù)發(fā)泡工藝和成形發(fā)泡工藝是很重要的。

3 結(jié)論

1）溫度一定，預(yù)發(fā)泡珠粒堆密度隨著預(yù)發(fā)泡時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，若過分延長(zhǎng)預(yù)發(fā)泡時(shí)間，預(yù)發(fā)珠粒堆密度反而增大。

2）成型發(fā)泡得到的模樣密度與預(yù)發(fā)珠粒的堆密度幾乎相等。溫度一定的情況，可以通過控制預(yù)發(fā)泡時(shí)間來控制模樣密度。

3）隨著成形蒸汽壓力的增加和成形時(shí)間的延長(zhǎng)，模樣密度呈減小趨勢(shì)。

［1］胡國(guó)良.消失模鑄造用共聚物泡沫模樣的成型及控制技術(shù)［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2002.

［2］楊明波，代兵，趙瑋霖,等.可發(fā)性聚苯乙烯消失模模樣密度的影響因素［J］.鑄造技術(shù)，2005，26（1）：31-33.

［3］李傳斌.消失棋鑄造工藝技術(shù)講座（第二講）:發(fā)泡模材料及其受熱后的變化［J］.機(jī)械工人（熱加工），1999（2）：35.

［4］章舟，厲三于.消失模模樣密度與鑄件質(zhì)量［J］.鑄造工程（造型材料），2005（4）:33-35.

［5］余歡.薄壁泡沫塑料模成型工藝與密度控制［J］.特種鑄造及有色合金，1996（1）：20-22.

［6］孟力凱，武曉峰.消失模鑄造發(fā)泡工藝的研究.遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（1）:66-68.

［7］祁交九.消失模殼體類零件在白區(qū)工藝的失效模式分析及改進(jìn)［J］.鑄造設(shè)備與工藝,2011（5）：29-31.