增强型芯性强度的新方法

     作者：张毅                                                                                           

    水溶性型芯是指以水溶性材料为粘结剂并添加填料，通过捣固成型、流态成型、压制烧结成型、粘结成型等不同的成型方式制成型芯。该型芯在一定的温度范围内具有满足铸件生产要求的力学性能和物化性能，铸件浇注后，能在水中溶解溃散。因此，对于带有复杂内

腔及弯曲孔道的铝合金铸件，此类型芯有着广泛的应用前景。

    水溶性型芯的制芯材料多样，有单纯使用氯化物、碳酸盐等无机盐为原料，通过熔融浇注法或压制烧结法制得．也有以耐火材料为主体无机盐做粘结剂制成的。然而，无论是以何种方式制成，其型芯的综合性能总是不佳，如型芯强度不够、易变形、水溶溃散性不理想等。因此，在型芯中添加附加物以改善其性能被广泛应用于制芯工艺中，如通过添加硼酸铝晶须改善增强型芯强度、尺寸稳定性和抗吸湿性；添加氧化镁颗粒以减小熔融Na2 C03的晶粒尺寸，从而获得密实的型芯；加入高铝矾土以减小型芯的热膨胀率和减少粘结剂的使用量；加入镁改性剂提高磷酸盐自硬砂的固化速度等。

    在研究过程中发现，未加任何附加物的水溶性型芯粘模严重，而加入膨润土的水溶性型芯，不仅粘模问题得到了很好地解决，而且强度也得到显著提高。为此，本课题将系统考察膨润土加入量对水溶性型芯抗拉强度、相对变形量、发气量、水溶溃散时间以及抗吸湿性能

的影响，并对膨润土增强水溶性型芯抗拉强度的机理进行了探讨。

    1  试验方法

    试验所用原料为内蒙古大林擦洗砂，70／140目；天津产无水K2 C03，化学纯；建平产钠基膨润土。试验时，首先制备质量分数为50%的K2 C03水溶液。当石英砂与膨润土在SHY树脂砂混砂机中混合1 min后加入K2 C03水溶液混合3 min。待SAR-Ⅱ智能温控覆膜砂制样机模具温度升至(180±5)。C时，将混好的型芯}混合料填入模具中，捣实后合上模具制芯，保温3min后脱模放入干燥皿中备用。分别测量其抗拉强度、相对变形量、发气量、水溶时间和相对吸湿量。抗拉强度的测量方法是：将制好的“8”字试样置于SWY液压万能强度试验机的夹具上，测量7个数据，取平均值。对于热芯盒试样，其“8”字试样腰部尺寸为22. 36 mm×22. 36 mm，在吹射到芯盒后所测强度即为试样的强度；而对于覆膜砂制样机而言，其“8”字试样腰部尺寸为22．36 mm×11.18 mm，其测试结果应乘以2。发气量测量时，先将制备好的水溶性型芯块状试样，经(105±5)℃烘干1  h，冷却至室温，用研钵研成粉状，放人干燥器中备用。待SFL型记录式发气性测试仪升温至7OO±5)℃，称1.00 g试样，均匀置于预先经(700±5)℃灼烧30 min的冷瓷舟里，然后将瓷舟迅速送人石英管红热部位，并封闭管口，记录仪开始记录试样的发气量，保温3 min时读取数据。测量数据时，对同一种试样测试3次，取平均值。水溶时间测量时，先将制得的型芯在720～740℃下烧结10 min的试样置于静水审或在平缓的水流下冲洗，测试样坍塌的时间。测量相对吸湿量时，先测量试样在i时刻质量mi，再将试样置子GDJ-150高低温交变湿热试验箱内，保持箱内湿度恒定，在j时刻测量试样吸湿后的质量mj。相对吸湿量=（mj-mi）／mi×100%。型芯的显微结构及断口形貌采用Quanta 200环境扫描电镜进行观测分析。

    2  试验结果与讨论

    2．1  抗拉强度

    膨润土加入量分别为0、1%、3%、5%、7%、9%时，水溶性型芯抗拉强度见图1。从图1可以看出，未加入膨润土时，型芯的抗拉强度较低(0.5 MPa);加入膨润土后，型芯的抗拉强度有所提高（约o．7MPa），且膨润土加入量为石英砂质量分数的3%时，型芯抗拉强度最高，可达1.2 MPa。加入膨润土不仅有利于提高型芯的抗拉强度，还有利于制芯后型芯的脱模。

    无机盐溶液在型芯受热过程会从不饱和溶液→饱和溶液→过饱和溶液，进而有了无机盐晶核的形核与生长。加膨润土时，由于混合料中没有添加其他的形核剂，无机盐会以砂粒表面为核心逐步形核长大，并最终以架桥的形式存在于型芯之中。图2为未加膨润土型芯的断口形貌。从图2a可以看出，型芯断口处存在大量粘结桥，这些粘结桥保证了型芯具有一定的粘结强度。从图2b、图2c和图2d可以看出，无机盐以规整的颗粒状、针尖状或片层状晶粒的形式附着于砂粒表面，无机盐架桥在砂粒间有较好的圆弧过渡。型芯的断口界面光滑，且可见裸露砂粒。因此可以推断，断裂主要发生在无机盐粘结剂与砂粒表面间的结合面和片层、块状颗粒及针状结构之间的结合界面上，且这些结合界面的强度较低。因此，未加膨润土时型芯的抗拉强度较低。

    图3为膨润土加入量为3%时型芯的断口形貌。从图3a可以看出，加入膨润土之后，无机盐仍以架桥的形式存在于型芯之中。但无机盐的结晶形貌发生了显著变化。从图3b可以看出，包覆在砂粒表面的粘结剂未见粗大块状、片层状以及细小的针状结构，而是以光滑致密的形态包覆在砂粒表面。从图3c可以看出，尽管断口处可以看到裸露砂粒，但断口呈喇叭口状，可见颈缩现象，且未见图2b光滑断口。可见，膨润土改变了K2 CO3的结晶形态。其原因在于，膨润土的加入为无机盐的结晶提供了大量结晶的核心，这起到了细化无机盐晶粒的作用，消除了晶体间的薄弱界面，从而起到了增强型芯强度的效果。

    2.2发气量

    膨润土加入量对水溶性型芯发气量的影响见图4。膨润土本身含有水分，其存在形式有3种：表面液态自由水、层间吸附水和结构水。前两种形式的水分在制芯过程中基本可以脱除干净，然而结构水要在500～800℃才能完全去除。另外，膨润土具有很好的吸附能力。在制芯过程中形成晶体的核心时就会吸附部分水分，这些水分因无机盐的包裹很难溢出。当温度较高时，则会缓慢逸出表面。膨润土加入量越大，所吸附的水分以及自身所带有的结构水越多。因此，随着膨润土加入量的增加，型芯的发气量逐渐升高。但总体看来，型芯的发气量仍然很低（不超过11 mL/g）。

    2.3  水溶时间

    试验结果表明，型芯水溶溃散性能优良，所有试样的水溶溃散时间均小于1min。其原因在于，一方面，K2CO3、膨润土和硅砂在720～740℃的高温下未发生明显的烧结反应；另一方面，K2CO3是极易溶于水的物质，且在型芯中与膨润土一起以粘结桥的形式存在，这样型芯中有大量孔隙，因此，溃散时水可通过孔隙快速进入，且只需要溶解这些粘结桥，型芯便可溃散。因此，相对于熔融浇注制得纯无机盐芯来说，该型芯的水溶溃散性能更加优越。

    2.4相对吸湿量

    将制得的型芯置于RH为(98±1)%，温度为(10±1)℃的环境中，测量4、8和12 h的吸湿量，并绘制膨润土加入量对型芯的相对吸湿量的影响曲线，见图5。从图5可以看出，未加膨润土时，型芯的吸湿最为严重，随着膨润土加入量增大，型芯的相对吸湿量平稳下降。可见膨润土加入后在一定程度上起到了抑制型芯吸湿的作用。这是因为，K2CO3粘结剂水溶性型芯的吸湿缘于K2 CO3会吸收空气中的水分造成的。未加膨润土时，包覆在砂粒表面的K2CO3因吸湿而由外向内逐步溶解。当加入膨润土后，由于膨润土起到异质形核核心的作用，包覆在砂粒表面的K2CO3内部存在大量膨润土，型芯吸湿需绕开这些膨润土颗粒，且膨润土越多，阻碍作用越明显。因此随着膨润土加入量的增加，型芯的相对吸湿量越小。

    3  结  论

    (1)膨润土能显著改善K2CO3水溶性型芯的抗拉强度（可达1.2 MPa）。膨润土加入后，由于具有很好的吸附性能力，且表面带有电荷，能吸附无机盐离子。为无机盐的结晶提供了结晶的核心，细化了无机盐晶粒，消除了晶粒与晶粒之间的弱面，提高了型芯的强度。

    (2)由于膨润土自身含有水分，且因其强的吸附能力，在混料时能吸附溶液中，因此加入膨润土的水溶性型芯的发气量较未加膨润土的型芯要高，且随着膨润土加入量的增大，型芯的发气量逐渐升高。

    (3)膨润土对水溶性型芯的水溶溃散性没有明显影响，其溃散性十分优良。膨润土不但为无机盐结晶提供了形核核心，还起到了阻碍型芯吸湿的作用，因此加入膨润土的水溶性型芯的抗吸湿能力较未加入膨润土的型芯强，且随着膨润土加入量的增大，型芯的抗吸湿性能提高。  

    4摘要以硅砂、碳酸钾和膨润土为原料采用热捣固法制备了水溶性型芯，考察了膨润土加入量对K2 C03水溶性型芯性能的影响。结果表明，膨润土能显著增强型芯强度，略微降低相对吸湿量，但提高了型芯的发气量，而对水溶溃散时间没有明显的影响。此外，对型芯的微观结构及断口形貌进行了SEM观察与分析，探讨了膨润土改善水溶性型芯性能的机理。