熔模型离心微铸造技术与工艺研究

杨 闯

（黑龙江工程学院 材料与化学工程学院，黑龙江 哈尔滨150050）

目前，微型机械的高速进步导致了微细加工技术不断进步。微铸造技术，作为近几年发展起来的一种微细加工技术，亟待对其展开深入细致的研究。微铸造技术分为两种，一种为金属型微铸造［1－6］，一种为熔模型微铸造［7－11］。熔模微铸造作为最早开发的微铸造技术，主要是以压力铸造和离心铸造为最主要的液态成形方式。在熔模离心微铸造过程中，熔模铸型要承受极大的离心力，这就使得离心转速受到限制。因此，本文拟对熔模离心微铸造技术及熔模材料进行深入探讨，进而对微拉伸件晶粒尺寸与力学性能进行研究。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料及设备

本文采用的浇铸材料为锌合金，合金成分见表1。

表1 锌合金化学成分 %

模具材料为α－高强度石膏粉，调成石膏浆体的需水量很小，约为35%～45%，因而硬化后孔隙率小，强度高。

耐高温超细氧化铝粉末，粒度分布0.18～0.25μm，熔点约2 000℃。

熔模用微晶蜡，微晶蜡是一种近似微晶性质的精制合成蜡，其结构紧密，坚而滑润，熔点为60～95℃。

试验设备采用改装的液态金属离心微成形系统，如图1所示。

图1 液态金属离心微成形系统示意图

1.2 试验方法

1.2.1 熔模微铸造制备过程

基于熔模铸造的步骤，熔模微铸造可分以下6部分，如图2所示。

1）蜡模和微试样的制作。本文微试样采用缩小的拉伸试样，即微拉伸件。微拉伸件长度为30mm，工作段长度为10mm，宽度为1mm，试样分3个厚度，分别为0.43mm、0.80mm 和1.44mm。微拉伸件分别固定在微晶蜡制作的浇注系统上。

2）微熔模的灌浇。将α－高强度石膏粉和耐高温氧化铝粉按照一定的比例进行混合。将混合均匀的浆料浇入装有微拉伸件的钢套中，然后对熔模进行真空处理，使气泡充分溢出。然后将熔模型放在阴凉干燥处72h，使其水分充分挥发。

图2 熔模微铸造制备过程

3）微熔模型焙烧。熔模型的焙烧温度和保温时间如图3所示。在每个温度充分保温，避免熔模型在焙烧过程中开裂。

图3 熔模型的保温时间和加热温度曲线

4）离心浇注过程。锌合金通过电阻炉加热熔化，加热温度为420℃，并保温60min，使锌合金充分熔化，浇入如图1所示的离心微成形系统。试验方案分为两部分：①预热温度280℃保持不变，改变离 心 转 速 分 别 为 500r／min、1 000r／min、1 500r／min、2 000r／min和2 500r／min。②离心转速1 500r／min一定，改变预热温度200 ℃、220℃、240℃、260℃和280℃。

5）熔模型。待浇注完成后，取出带有微拉伸件的熔模型。

6）微拉伸件获得。小心去掉微拉伸件外部的熔模型，最后试样用丙酮清洗干净。

1.2.2 熔模材料试验过程

将α－高强石膏粉与耐高温氧化铝粉末用电子天平称取，并按照两者质量比8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6和10∶0比例配制，并置于准备好的干燥塑料瓶中，然后将α－高强度石膏粉和耐高温氧化铝粉末混合均匀，之后按照质量的45%～50%加水搅拌2～3min后，放入真空室中，以便将石膏浆料中气泡赶出。

将石膏试样放于阴凉干燥处，3～4d后小心去除塑料瓶取出石膏试样，将其放入加热炉中进行加热焙烧。完成后冷却至室温，将石膏样品取出进行试验。焙烧温度及时间如图3所示。

1.2.3 组织观察及性能测试

微拉伸件经抛光处理后，用腐蚀剂进行腐蚀（氧化铬18g、硫酸4mL、蒸馏水78mL），最后在Olympus BX51M金相显微镜上对其进行组织观察，得出离心铸造工艺对于微拉伸件组织的影响规律。

硬度通过HV－1000显微硬度计测定，测定微拉伸件的硬度，微拉伸件与浇道接触的地方称为尾部，远离浇道的部分称为头部，中间的部分称为颈部，加载载荷1N，加载时间15s，每个地方测定5点，取平均值。从而得出离心转速对微拉伸件硬度的影响。

2 试验结果及讨论

2.1 熔模材料成分的确定

由试验结果可知，α－高强石膏粉与耐高温氧化铝粉按照质量比8∶2、7∶3、10∶0配制的熔模材料，在阴凉处干燥3d后，表面上都产生了明显的裂纹，不适合作为微铸造用熔模材料。

α－高强石膏粉与耐高温氧化铝粉按照质量比6∶4、5∶5、4∶6配制的熔模材料，在阴凉处干燥3d后，表面并没有出现明显的裂纹，于是进一步对熔模材料进行焙烧，焙烧温度和时间如图3所示。焙烧前后的熔模材料对比如图4所示。

图4 不同质量比熔模材料焙烧前后对比

图中（a）、（d）石膏粉与氧化铝粉质量比6∶4，（a）焙烧前，（d）焙烧后；（b）、（e）石膏粉与氧化铝粉质量比5∶5，（b）焙烧前，（e）焙烧后；（c）、（f）石膏粉与氧化铝粉质量比4∶6，（c）焙烧前，（f）焙烧后。

α－高强石膏粉与耐高温氧化铝粉按质量比6∶4配制的熔模材料焙烧前如图4（a）所示，表面无明显裂纹，光滑明亮，复制文字清晰可辨。700℃焙烧后如图4（d）所示，表面没有裂纹，表面仍光滑，并文字清晰可辨。破坏试验后，内部没有气孔。在进行破坏试验时，易破坏并用手碾压粉末没有扎手感。浸水实验表现为软性，用手轻微用力就容易破坏其外表。

α－高强石膏粉与耐高温氧化铝粉按质量比5∶5配制的熔模材料焙烧前如图4（b）所示，表面没有裂纹，复制文字清晰完整，外表光洁。焙烧后如图4（e）所示，在中间部位有细微道裂纹出现，

α－高强石膏粉与耐高温氧化铝粉按质量比4∶6配制的熔模材料焙烧前如图4（c）所示，复制文字不清晰。焙烧后如图4（f）所示，外圆表面有几道明显可见裂纹。

综上，α－高强石膏粉与耐高温氧化铝粉按质量比6∶4配制的熔模材料符合本文熔模型微铸造工艺的要求，既能够很好复制细节而不出现裂纹，并能够高温烧结，烧结后不易破坏。从而保证了由此熔模材料制备的模具能够承受高温液态金属浇铸，并在浇铸成形后使得石膏模具容易与微试样分离。

2.2 微拉伸件的成形结果

当石膏模具的预热温度在280℃时，离心转速在1 500r／min时，得到的微型拉伸件如图5所示，微拉伸件的厚度为0.43mm，由图5可以看出，浇铸成形的微型拉伸件长度完整，中间尺寸精确，表面平整光滑，没有裂纹出现，中间边缘处有些许毛刺出现，基本达到了预期试验效果。

图5 预热温度280℃，离心转速1 500r／min条件下浇铸成形的微拉伸件，工件厚度0.43mm

在模具预热温度为280℃不变，改变离心转速500r／min，1 000r／min，1 500r／min，2 000r／min和2 500r／min 条 件 下，0.43mm、0.80mm 和1.44mm厚的微拉伸件随着离心转速的增加，成形效果逐渐变好。预热温度280℃，不同离心转速条件下，不同厚度微拉伸件的充填长度如图6所示，由图6可以看出，在模具预热温度一定的前提下，离心转速越高，微拉伸件充填越长。在离心转速为500r／min的时候，不同厚度的微伸试样并没有充填完全，而其他离心转速下，微拉伸件基本充填完全。在离心转速为500r／min和1 000r／min的条件下，不同厚度的微拉伸件充填长度起伏较大，而在离心转速1 500r／min以上，各工件充填长度较为平稳。

图6 预热温度280℃，不同离心转速条件下，不同厚度微拉伸件的充填长度

2.3 离心转速对微拉伸件晶粒大小的影响

铸型预热温度280℃条件下，不同离心转速所得到的组织如图7所示。由图7可以看出，随着离心转速的增加，微拉伸件的晶粒尺寸明显减小，这主要是因为液态金属在凝固过程中不同的冷却速度所导致。离心转速越快，预热的铸型温度下降越快，从而使得液态金属与铸型的温度差越大，即液态金属的冷却速度越大，造成晶粒细化效果明显。

2.4 离心转速对微拉伸件显微硬度的影响

图8为不同离心转速条件下硬度随试样不同位置变化曲线。由图8可以发现，随着离心转速的增加，无论是在尾部、颈部还是头部的硬度都处于上升的趋势。这主要是因为液态金属在凝固成型过程中，冷却速度不同所造成。离心转速越快，晶粒尺寸细小，造成微拉伸试样的硬度随着离心转速增加而增加。

3 结 论

1）本文通过试验得出，α－高强石膏粉与耐高温氧化铝粉按质量比6∶4配制的熔模材料适合熔模型微铸造工艺的要求，该熔模材料既能够很好复制细节，又能耐高温烧结。

2）本文通过熔模型离心微铸造工艺，在离心转速1 500r／min，预热温度280℃条件下，制备出长30mm的微尺度件，最小截面尺寸为0.43mm×1mm微拉伸件。

3）本文通过熔模型离心微铸造工艺得出，模具预热温度一定时，微拉伸件的晶粒尺寸随着离心转速的增加逐渐变小，同时硬度逐渐增大。

图7 预热温度280℃，不同离心转速微拉伸件的组织

图8 不同离心转速条件下硬度随位置变化曲线

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