硅溶胶在陶瓷型精密铸造中的应用研究

硅溶胶在陶瓷型精密铸造中的应用研究
来源：袁新强副教授个人网站 2009-04-13

1 国内外研究开发现状

1.1 母模的快速制造技术^[1-4]

快速制造(rapid manufacturing，简称RM)是基于离散－堆积成形原理的先进制造技术的总称。英国Loughborough大学的P.M.Dickens等人指出，RM最重要的获益是：①产品制造工艺简单；②产品制造时间缩短；③产品的制造成本降低。实际上，RM还具有增加产品设计自由度、实行及时制造和异地制造等好处。

目前，具有自主知识产权的技术创新和产品开发在制造业发展中占据核心地位，围绕这个方面，研究如何应用快速制造技术显得非常重要。其中，快速原型技术（rapid prototyping ，简称RP）是RM大家族中最先产生的制造技术,每年的RP发展报告中，T. T. Wohlers都强调RM的重要性。

因此，陶瓷型铸造用母模制造也应与快速制造技术紧密结合起来。美国3D Systems公司推出的一种Quick Casting工艺，它利用立体光刻(SLA)工艺获得零件/模具的半中空RP原型，然后在原型的外表面挂浆，使一定厚度和粒度的陶瓷壳层紧紧地包裹在原型的外面，再放入高温炉中烧掉半中空原型，得到中空的陶瓷型壳，即可用于精密铸造。浇铸后得到的金属模具还需进行必要的机加工，使其表面质量和尺寸精度达到要求。该方法的优点是用SLA原型代替原来精密铸造中的蜡型，从而大大提高了铸造原型的精度，并大大加快了制造速度。国内采用西安交通大学激光快速成型中心的SLA-RP（600）系统制造的快速成型树脂模和陶瓷型精密铸造技术结合，所生产的金属（ZG25）模具尺寸精度达国家标准CT3～4级，表面粗糙度Ra3.2μm，可用于实际生产。清华大学也生产出LOM1015型机器，以LOM纸原型为母模，采用成熟的陶瓷型工艺，成功生产出合金铸铁汽车空压机盖的冲压模具镶块。清华大学还提出无焙烧陶瓷型制模(unbaked ceramic mould tooling)，该技术首先以RP原型为母模，将RP原型翻制为硅胶模，再由硅胶模翻制陶瓷型，通过陶瓷型精铸得到金属模具。另外，他们还设计制造了超大型的LOM-1600分层实体制造系统，其成型空间为1600mm×800mm×700mm,为实现大型模具快速制造奠定了基础。

1.2 硅酸乙酯无酒精水解工艺

⑴ 粉液混合无酒精水解工艺^[5-7]

该工艺可不用酒精溶剂，而是用耐火粉料作分散介质，使硅酸乙酯与水在耐火材料表面润湿，充分接触，在催化剂的作用下水解。如铜陵金辉铜工艺品有限责任公司应用该工艺成功铸造了1.38m高的毗卢遮娜佛铜像等。

⑵ 超声波搅拌无酒精水解工艺^[8]

应用超声波搅拌硅酸乙酯和水的混合液体，液体剧烈翻腾，产生大量的小气泡，实现两者“无限”互溶，在催化剂作用下，硅酸乙酯充分水解。如采用该工艺制造的子午线轮胎模具，品质达到技术要求等。

1.3 陶瓷型制备新工艺

近年来，西北工业大学、浙江大学、清华大学、重庆大学及武汉机械工艺研究所等大专院校和科研单位相继开展了陶瓷型制备新工艺的研究，如薄壁陶瓷型、涂敷浆砂制备陶瓷型、喷涂法制备陶瓷型和复合陶瓷型等^[9-12]，如表1所示。

表1 几种陶瓷型制备新工艺 Tab.1 Some new ceramic mold prepare process
名称	特点	生产实践
薄壁	1.可降低陶瓷型的厚度、热阻和收缩率； 2.可提高陶瓷型的冷却速度、强度、表面质量和尺寸精度。	汽车万向节热锻模、自行车曲柄辊锻模、大型叶轮等。
涂敷浆砂	1.可随型操作，造型不受产品大小和形状的限制； 2.浇注不受合金种类的限制； 3.应用范围广、工艺操作简单和生产成本低。	武汉21t千年吉祥钟、地藏菩萨铜像、中华和钟的中央大镡钟等。
喷涂法	1.可节省陶瓷浆料、陶瓷型薄且厚度均匀； 2.陶瓷型表面粗糙度低； 3.可避免产生气泡，适合大型模具制造。
复合	1.可缩短成型周期； 2.降低生产成本。

2 陶瓷型铸造的发展趋势

当前，工业生产的特点是产品品种多、更新快和市场竞争激烈等。因此，陶瓷型铸造技术面临着巨大的挑战，21世纪陶瓷型铸造将沿着如下几个方向发展：

2.1 普及CAD技术，结合快速原型制造（RPM）技术的母模制造

根据零件CAD模型，快速自动完成复杂的三维实体(模型)制造PRM技术可直接或间接用于模具制造，具有技术先进、成本较低、设计制造周期短和精度适中等特点。从模具的概念设计到制造完成，仅为传统加工方法所需时间的1/3和成本的1/4左右。因此，陶瓷型铸造与快速原型制造技术结合，将是陶瓷型铸造技术进一步深入发展的方向。

2.2 陶瓷型制备新工艺

目前，陶瓷型制备新工艺中应用最广泛的应属薄壁陶瓷型，其次涂敷浆砂制备陶瓷型也得到了较好的推广，还有喷涂法制备陶瓷型和复合陶瓷型等，见表1。

2.3 结合实型铸造的制备工艺

实型铸造是近几年发展起来的一种精密成型技术，用泡末聚苯乙烯塑料代替铸模进行造型，生产的铸件品质较好，铸件壁厚公差达到0.15 mm，表面粗糙度Ra25μm。在模具制造过程中，有较高技术要求且非加工的型腔采用陶瓷型铸造工艺，其余部分可以采用实型铸造工艺，这样，既保证了重要工作面的粗糙度和尺寸精度，又简化了制造工艺。

2.4 研磨抛光技术的应用

模具表面品质对模具使用寿命、制作外观品质等方面均有较大影响，我国目前仍以手工研磨抛光为主，品质不稳定，故采用机械抛光为好。而数控研磨机可实现三维曲面模具的自动化研磨抛光，特种研磨与抛光方法如挤压衍磨、电化学抛光、超声抛光以及复合抛光等效果更好，可以明显提高模具的表面品质。

2.5 可替代硅酸乙酯水解液粘结剂的开发及应用研究

20世纪60年代，硅溶胶作为粘结剂应用于铸造领域，立即以其无可比拟的优势逐步取代了曾经广泛使用的制备工艺复杂、有污染和成本高的硅酸乙酯水解液^[13^，^14]。从此，英、美、法、日等国的熔模铸造业迅速而广泛地采用硅溶胶，就连一直坚持采用硅酸乙酯水解液的俄国从80年代末就慢慢采用硅溶胶，并取得了良好的效果。目前，国外已经广泛应用硅溶胶于熔模铸造中，而因硅溶胶是水基粘结剂，其浆料的胶凝硬化时间很长且不易脱模等影响它在陶瓷型铸造中的应用。有少数关于以硅溶胶为粘结剂可浇注成型陶瓷型芯的报道^[15^，^16]。

硅溶胶以其独特的优点（如价格低廉、无需水解工序，不存在VOC问题、生产工艺简单、浆料性能稳定和废弃的陶瓷浆料可重复利用^[17]等）受到大多数专家和铸造企业的广泛青睐，一系列的快干硅溶胶应运而生。1994年杜邦公司首先推出Ludox^® SK系列硅溶胶，1997年Rolls Royce公司采用Ludox^® SK系列硅溶胶进行大量生产；其次是Remet公司的Remasol^® ADBOND系列，特别是2001年推出的ADBOND^® 3301；1997年清华大学和宇达化工有限公司合作开发研制了FS-30快干硅溶胶（现称FS-Ⅰ），随后的FS-Ⅱ和FS-Ⅲ型快干硅溶胶，东莞某公司SKP-27型快干硅溶胶等^[18-24]。

综上所述，硅溶胶和快干硅溶胶都是熔模铸造目前应用较广泛也是较合适的粘结剂，是硅酸乙酯水解液良好替代品。因此，硅溶胶和快干硅溶胶即将也是陶瓷型铸造较合适的粘结剂。

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[来源：中国聚合物网]

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