導讀
鈦合金熔模鑄件由于型殼破損和脫落將會導致鑄件產(chǎn)生表面掉渣和內(nèi)部夾雜缺陷。采用水洗型殼可以保證型殼清潔度，可有效降低缺陷。鈦合金熔模鑄造常用得型殼材料一種是面層為稀土粉+鋯膠+鋯砂背層是鋯粉+硅溶膠+莫來砂（1號膠系），另一種是面層為稀土粉+中性膠+鋯砂，背層為莫來粉+硅溶膠+莫來砂（2號膠系），通過對1號膠系和2號膠系得型殼進行水洗試驗，結(jié)果表明，1號膠系得型殼因回溶現(xiàn)象不適合進行水洗，而2號膠體系得型殼能夠進行水洗。通過對比不同保溫溫度和保溫時間得烘干效果。在優(yōu)化了型殼水洗工藝后，表面和內(nèi)部缺陷數(shù)量平均下降20%以上。
鈦合金熔模精密鑄件廣泛應用于航空、航天、船舶等領(lǐng)域，因而對其表面和內(nèi)部品質(zhì)得要求日益提高，而表面和內(nèi)部缺陷得形成與型殼品質(zhì)有直接關(guān)系。型殼破損和脫落形成得“夾雜物”聚集在澆注系統(tǒng)得底部時會形成表面掉渣缺陷，若隨鈦液卷入鑄件內(nèi)部時便形成了內(nèi)部夾雜缺陷；這種缺陷嚴重影響了鑄件品質(zhì)。在生產(chǎn)中通常從澆注系統(tǒng)設計、制殼控制和型殼清理等方面著手解決夾雜缺陷。我公司前期型殼清理是使用風機對主澆口進行吹風，使夾雜物沿著排蠟孔、排氣孔和主澆口等部位排出，該方法對于結(jié)構(gòu)簡單得型殼有一定效果。但對于結(jié)構(gòu)復雜，如凹槽多、筋板窄、尺寸大得模殼，清理不夠徹底。為了解決這個問題，采用型殼水洗來減少“夾雜物”。本試驗擬對不同面層體系得型殼進行水洗，同時對型殼水洗后得烘干工藝進行研究，獲得可靠些得工藝參數(shù)，并在此基礎上進行工程化應用并驗證水洗工藝得效果。
1 研究方法
1.1 不同面層系型殼水洗對比測試
1.1.1不同面層體系模殼制作工藝
按照膠、粉、砂得不同可以將面層制作分為1號膠體系及2號膠系。兩種體系各具優(yōu)缺點，一般而言，1號膠系適用于中小型、薄壁鑄件得生產(chǎn)；2號膠體系適用于大型，厚壁鑄件得生產(chǎn)。
1號膠系和2號膠體系型殼都是面層+背層9層制殼工藝；不同得是“粉、膠和砂”有所區(qū)別，見表1和表2。1號膠系型殼面層使用得是稀土粉、鋯膠和鋯砂，背層使用得是鋯粉、硅溶膠和莫來砂；2號膠體系型殼面層使用得是稀土粉、中性膠和鋯砂，背層使用得是莫來粉、硅溶膠和莫來砂；其中鋯膠得主要成分為二醋酸鋯，呈酸性，中性膠主要成分為二氧化硅，經(jīng)穩(wěn)定化處理后呈中性。
1.1.2試板型殼對比測試
分別使用1號和2號膠制作型殼試板（150mm×60 mm×6mm）若干。測試過程是射蠟—制殼—脫蠟—焙燒—切割—水洗—烘干—觀察。測試結(jié)果：1號膠制作得試板型殼，烘干后面層表面有明顯得掉粉現(xiàn)象；2號膠制作得試板型殼，烘干后未出現(xiàn)掉粉現(xiàn)象。
1.1.3鑄件型殼對比測試
分別使用1號膠和2號膠制作模殼（Φ280 mm×150mm）各6件。測試方法是射蠟—制殼—脫蠟—焙燒—水洗—烘干—觀察。測試結(jié)果：1號膠制作得型殼在排蠟孔處均有不同程度得面層破損。而2號膠制作得型殼，未出現(xiàn)明顯得面層破損現(xiàn)象。
1.1.4測試結(jié)果理論分析
1號膠和2號膠中得水分為自由水和固定水，在正常存放時和制殼干燥過程中失去得是自由水，在焙燒過程中才失去固定水，在失水過程中膠粒交聯(lián)結(jié)合形成膠團，見圖1。
圖1 膠粒得交聯(lián)結(jié)合
1號膠得膠凝過程化學反應過程是可逆得，在采用水洗工藝時二醋酸鋯膠團發(fā)生吸水反應，稱為“回溶”，造成模殼面層強度降低，再次烘干后出現(xiàn)掉粉現(xiàn)象。2號膠得膠凝過程過程也存在一定得可逆現(xiàn)象，但過程非常緩慢。在實際生產(chǎn)過程中，2#膠制作得模殼在發(fā)生“回溶”前已完成了烘干，因而不會對型殼造成破壞。分析可知，1號膠系制作得型殼經(jīng)水洗后發(fā)生回溶現(xiàn)象導致型殼品質(zhì)變差，不適用水洗；2號膠系制作得型殼水洗后未發(fā)生異常，可適用水洗工藝。目前2號膠使用比例逐漸提高，可在80%以上得熔模精密鑄件上用。
1.2 烘干工藝研究
1.2.1 測試方法
（1）型殼水洗選用2號膠體系分別制作試板型殼和鑄件型殼，在相同工藝參數(shù)條件下進行焙燒，冷卻至40℃以下進行水洗；（2）型殼烘干將不同質(zhì)量得4塊試板模殼放入干燥爐中，分別隨爐升溫至200、300和400℃開始保溫；（3）型殼稱量型殼烘干過程中，每隔10min取出后在電子稱上稱重一次，并記錄；（4）優(yōu)化工藝參數(shù)根據(jù)測試得到得數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析，得到可靠些烘干溫度。
1.2.2 試板模殼烘干測試結(jié)果
圖2為4塊試板模殼在200、300、400 °C時型殼質(zhì)量隨烘干時間得變化關(guān)系?？梢钥闯觯?塊試板型殼在200℃烘干時，保溫約30min后質(zhì)量不再減少，見圖2a；在300℃烘干時，保溫約20min后質(zhì)量不再減少，見圖2b；在400℃烘干，保溫10min后質(zhì)量不再減少，見圖2c。
由此可見，隨著保溫溫度得提高，型殼完全失水得保溫時間逐漸縮短，甚至未到保溫階段，失水已經(jīng)基本結(jié)束。為了達到快速得烘干效果，需要在較高得保溫溫度下進行。但是為了方便現(xiàn)場操作，最終型殼烘干溫度為200℃，這樣經(jīng)過較短時間得冷卻，即可搬運熱型殼進行組型，避免燙傷危險得發(fā)生。
支持可點開放大觀看
（a）200℃
（b）300℃
（c）400℃
圖2 環(huán)型殼質(zhì)量與烘干時間得變化關(guān)系
1.2.3 鑄件模殼烘干測試結(jié)果
采用上述測試方法，選取質(zhì)量及大小具有代表性得鑄件型殼放入干燥爐中升溫至200℃進行保溫，每隔10min取出稱量，從而確定鑄件型殼在200℃得可靠些。
圖3為15 kg得鑄件型殼在200℃下質(zhì)量隨保溫時間得變化關(guān)系，可見型殼經(jīng)過40min得保溫后質(zhì)量不再減少。圖4為65 kg得鑄件型殼在200℃時質(zhì)量隨保溫時間得變化關(guān)系，可見型殼經(jīng)過80min得保溫后質(zhì)量不再減少。
綜上可見，隨著型殼質(zhì)量得升高，型殼完全失水得保溫時間逐漸延長。目前精鑄件得型殼質(zhì)量一般不超過80 kg，一方面為了保證烘干效果，另一方面在滿足實際生產(chǎn)節(jié)拍得基礎上，最終保溫時間確定為1h。
圖3 鑄件型殼質(zhì)量（15 kg）與烘干時間得變化關(guān)系
圖4 鑄件型殼質(zhì)量與烘干時間（65 kg）得變化關(guān)系
經(jīng)過試板型殼和鑄件型殼得烘干測試，最終將型殼水洗后得可靠些烘干工藝確定為隨爐升溫至200℃、保溫1h。
1.3 型殼水洗工裝優(yōu)化結(jié)果
前期型殼水洗試驗在橡膠槽內(nèi)進行，操作不便，同時還需要頻繁換水，工作效率低，勞動強度大，不利于水洗工藝得推廣。為此，重新優(yōu)化了水洗工裝，見圖5。其基本過程為：水經(jīng)過濾網(wǎng)由A槽進入B槽，B槽內(nèi)得水泵將水壓入導管中，然后流入型殼主澆道后對型殼進行清洗，在此過程中，沉積物沿著排蠟孔、排氣孔和主澆口等部位排出沉入A槽楔形底部。采用后，水洗效果良好，同時提高了工作效率，降低了勞動強度。
（a）改善前
（a）改善后
圖5 水洗工裝
2 工程化應用
對8種典型鑄件水洗前后得表面和內(nèi)部缺陷情況進行了統(tǒng)計，結(jié)果見表3?？梢钥闯觯蜌に春箬T件表面和內(nèi)部品質(zhì)得到了明顯提高。掉渣問題得到解決，內(nèi)部夾雜缺陷數(shù)量較未水洗鑄件下降了20%~40%，因此型殼水洗得烘干工藝適用于生產(chǎn)。
3 結(jié) 語
（1）采用面層為稀土粉+鋯膠+鋯砂背層是鋯粉+硅溶膠+莫來砂（1號膠系）制作得型殼不適合進行水洗，而采用面層為稀土粉+中性膠+鋯砂，背層為莫來粉+硅溶膠+莫來砂（2#膠系）制作得型殼可以進行水洗。
（2）型殼水洗后得可靠些烘干工藝為隨爐升溫至200℃、保溫1h。
（3）型殼水洗優(yōu)化后，鑄件表面和內(nèi)部質(zhì)量明顯提升，表面和內(nèi)部缺陷數(shù)量平均下降20%以上。
文獻引用格式：喬海濱，韓云飛，劉義輝，等. 型殼水洗在鈦合金精鑄件生產(chǎn)中得應用[J].特種鑄造及有色合金，2021,41(12):1572-1575.
