摘要：快速原型技術(shù)與精密鑄造技術(shù)相結(jié)合，是制造模具的有效方法；為獲得高品質(zhì)的陶瓷型鑄造金屬模具，著重從硅酸乙酯水解液的配方，催化劑的加入量，焙燒工藝等方面進行實驗和研究，通過考察陶瓷型的強度、表面穩(wěn)定性、透氣性和尺寸精度，得到了制作陶瓷型的最佳工藝參數(shù)組合，可用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞：精密模具；陶瓷型鑄造；快速原型
中圖分類號：TG249.9　文獻標(biāo)識碼：A
文章編號：1000－8365(2000)01－0015－04

Investment Casting for the Precision Die-making Based on Rapid Prototyping

MA Tian，XING Jian-dong，，F(xiàn)ANG Liang，WANG En-ze
(Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

Abstract:Rapid prototyping technology is an effective die-making method combined with the application of investment casting technology.In order to manufacture high-quality metall dies in ceramic investment casting much attention has been paid to components of hydrolutic solution of ethyl silicate，quantity of catalyze，process of firing etc.Analysis on the tensile strength，surface stability，permeability and dimensional accuracy has also been conducted，through which the optimal process parameters of high-quality ceramic mold have been acquired.The result could be a guide to the real production.
Key Words:Precision dies；Ceramic investment casting；Rapid prototyping

　　興起于本世紀(jì)80年代末期的快速原型技術(shù)(Rapid Prototyping Technology)為模具制造提供了一個快速、經(jīng)濟的解決方案。它能迅速、精確地提供無需昂貴加工費用的產(chǎn)品原型，快速實現(xiàn)對產(chǎn)品及其零部件的設(shè)計審查、造型評估、功能實驗和裝配考察，減少設(shè)計和生產(chǎn)過程中的差錯和無謂的返工，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期和費用，提高企業(yè)對市場的快速反應(yīng)能力，增強企業(yè)競爭力［1］。
　　快速原型技術(shù)與精密鑄造技術(shù)相結(jié)合，是制造模具的有效方法，特別是對形狀復(fù)雜或帶有內(nèi)腔的模具，其優(yōu)越性更加明顯。其中陶瓷型鑄造作為傳統(tǒng)的精密鑄造工藝是最重要的精鑄模具方法，其鑄造模具的尺寸精度高(可達0.3 mm～0.35 mm/100 mm)、表面光潔度好(可達Ra3.2～1.6 μm)、鑄件抗疲勞強度高、使用壽命長、且不受金屬種類和鑄件大小的限制。這種精密鑄造方法在國外已廣泛用于制造鍛模、沖壓模、壓鑄模、玻璃模等［2］，而國內(nèi)對陶瓷型鑄造工藝系統(tǒng)研究地較少。
　　本文的研究是采用西安交通大學(xué)激光快速成型中心的SLA-RP系統(tǒng)，快速制造高精度、高表面光潔度、形狀復(fù)雜的樹脂模，取代傳統(tǒng)的木�；蚪饘倌＃瑧�(yīng)用陶瓷型精密鑄造技術(shù)制造高精度、高表面光潔度的鑄鋼模具。為了制作出高品質(zhì)的陶瓷型，對硅酸乙酯水解液的配方、催化劑的加入量、焙燒工藝進行了大量的實驗研究，從而得到了最佳工藝參數(shù)組合。

1　實驗方案設(shè)計

　　基于前期實驗中出現(xiàn)問題的分析及陶瓷型的制備工藝，著重考察水量、無水乙醇量、催化劑(氧化鎂)量、焙燒溫度、鹽酸量、雙氧水量及微量添加物對陶瓷型強度、表面穩(wěn)定性、透氣性和尺寸精度的影響。
1.1　硅酸乙酯水解液的配方
　　(1)水量　 加水量是影響水解液性能的重要因素，它決定了硅酸乙酯水解時，乙氧基(C2H5O)被羥基(OH)取代的程度。不同的加水量，水解液中的分子聚合形式也不同，從而影響陶瓷型的強度、表面穩(wěn)定性等指標(biāo)。因此，固定硅酸乙酯的量不變，將加水量作為主要的影響因素進行實驗。
　　(2)無水乙醇量　 無水乙醇對陶瓷型性能的影響，主要表現(xiàn)在它可以將水解液中SiO2的含量控制在一定的范圍內(nèi)，改變聚乙氧基硅氧烷和SiO2分子在漿料中的分布程度。同時，無水乙醇的揮發(fā)會在陶瓷型表面形成顯微裂紋，有利于提高陶瓷型的透氣性。因此，把無水乙醇的加入量作為重要因素考慮。
　　(3)鹽酸量　 鹽酸的作用是加速水解反應(yīng)進程，并控制水解液的酸堿度在穩(wěn)定性最大的1.5～2.0 pH范圍內(nèi)。由于鹽酸為少量加入物質(zhì)，故作為次要因素考慮。
　　(4)其他微量添加物，作為次要因素考慮。
1.2　耐火材料
　　前期的實驗表明，耐火材料的級配與其他影響陶瓷性能的因素交互作用較弱，為減少實驗變量，更加深入地研究其他影響因素，取石英粉料作為耐為材料，固定其級配為0.53 mm/0.300 mm～0.150 mm/0.600 mm～0.300 mm=55∶30∶15。
1.3　催化劑
　　以Ca(OH)2作為催化劑，漿料硬化快，但陶瓷型強度和表面穩(wěn)定性不高，不利于獲得高品質(zhì)的鑄件。另外，一些資料顯示，以有機醇或有機胺類作為催化劑可獲得高強度的陶瓷型［2、3］。但此類催化劑與水解液反應(yīng)迅速，實踐中不易控制，且價格昂貴，多有劇毒，不適于實際生產(chǎn)。因此采用硬化速度較慢的氧化鎂作為催化劑，并將其作為主要影響因素進行研究。
1.4　透氣劑
　　以雙氧水(H2O2)作為透氣劑。它對陶瓷型總體性能影響不大，作為次要因素考慮。
1.5　噴燒、焙燒工藝
　　通過前期的實驗，發(fā)現(xiàn)起模后的陶瓷型經(jīng)過噴燒，雖然其透氣性有所提高，但強度和表面穩(wěn)定性均下降。其原因是噴燒時陶瓷型中的無水乙醇迅速揮發(fā)，破壞了聚乙氧基硅氧烷網(wǎng)狀分子包覆砂粒的結(jié)構(gòu)。因此在本實驗中，取消對陶瓷型的噴燒工藝，而是使取模后的陶瓷型暴露于空氣中一段時間，讓乙醇自然揮發(fā)。實驗表明，這樣可以獲得更高品質(zhì)的陶瓷型。焙燒工藝對陶瓷型和鑄件品質(zhì)均有明顯影響。實驗還表明，焙燒溫度必須處于一定的范圍內(nèi)，才能獲得較好的性能指標(biāo)。所以固定焙燒時間，將焙燒溫度作為主要工藝變量進行研究。
1.6　正交實驗
　　采用正交實驗的方法進行研究，正交表采用(L16(44×23))正交表，因素水平，見表1。

表1　因素水平表
Tab.1　Elements and levels

水平 因　　　　　　　　　素

水
g 無水乙醇
mL 氧化鎂
g 焙燒溫度
℃ 鹽酸
mL 雙氧水
mL 微量添加
物g

1 16 85 7 200 0.75 0.0 0.0

2 18 90 10 350 1.25 1.0 1.5

3 20 95 12 500

4 22 100 14 800

　　注：　(1)水解液中硅酸乙酯量均為140 mL。
　　　　　(2)水解液攪拌時間為3 h，放置時間為20 h。
　　　　　(3)水解液pH值2～3。
　　　　　(4)焙燒時間為2 h。

1.7　性能指標(biāo)測定
　　(1)抗拉強度
　　設(shè)備：SWY型液壓強度試驗機。
　　試樣：按GB2684-81標(biāo)準(zhǔn)［4］“∞”字型試樣，截面邊長L=22.3 mm，最小截面積S=22.3 mm×22.3 mm=497.29 mm2。
　　(2)表面穩(wěn)定性
　　設(shè)備：參照涂料表面穩(wěn)定性的測試方法，自制實驗裝置，見圖1。其中：沖擊角α=30 °，沖擊高度H=22 cm，漏斗口：45 mm×3 mm矩形。

圖1　自制涂料表面穩(wěn)定性實驗裝置
Fig.1　Sketch of the installation for measuring the surface stability

　　試樣：90 mm×80 mm×12 mm平板
　　(3)透氣性
　　設(shè)備：應(yīng)用西安交通大學(xué)鑄造及耐磨材料研究所研制的負壓吸附涂料層透氣性測試裝置［5］，見圖2。

1.真空泵　 2.出氣閥　3.真空罩　4.密封圈　5.真空表

6.進氣閥　7.支架　8.玻璃試桿　9.橡膠圈　10.試樣
圖2　透氣性測試裝置
Fig.2　Sketch of the installation for determining the permeability of coating

　　試樣：厚度為0.4 mm的陶瓷型薄片。
　　(4)尺寸精度
　　用金屬模具制備160 mm×90 mm×12 mm的板狀陶瓷型試樣，試樣焙燒后重新放入金屬模具中，用塞規(guī)測量其收縮量。

2　實驗結(jié)果與分析

2.1　實驗結(jié)果
　　實驗結(jié)果和應(yīng)用綜合評分法確定試樣的綜合性能指標(biāo)，見表2。評分標(biāo)準(zhǔn)較繁瑣，此處略。

表2　實驗結(jié)果
Tab.2　Result of experiment

試樣

編號

1 0.418 1.06947 0.081 0.450 9.00

2 0.472 1.38125 0.130 0.260 9.07

3 0.600 1.70862 0.113 0.535 9.01

4 0.131 1.92978 0.133 0.370 8.02

5 0.216 3.18769 0.172 0.350 7.95

6 0.195 3.47506 0.126 0.335 7.80

7 0.482 2.04761 0.079 0.130 8.90

8 0.477 1.42941 0.085 0.375 9.10

9 0.349 1.37559 0.093 0.530 8.45

10 0.152 2.84109 0.113 0.075 7.95

11 0.600 1.14367 0.069 0.355 9.20

12 0.363 2.17278 0.086 0.300 8.55

13 0.601 1.14416 0.122 0.285 10.0

14 0.304 2.06247 0.084 0.195 8.25

15 0.122 2.96678 0.119 0.405 7.50

16 0.197 2.47172 0.101 0.275 8.00

2.2　方差分析
　　根據(jù)試樣的綜合評分值，用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的原理對數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果見表3。

表3　方差分析
Tab.3　Analysis of square-errors

項目 因　　　　　　素

水 無水乙醇 氧化鎂 焙燒溫度 鹽酸 雙氧水 微量添加物

K1j 35.4 33.7 34.7 36.25 69.9 69.0 69.0

K2j 34.7 32.9 34.03 36.45 67.7 68.6 68.6

K3j 33.7 34.2 35.0 33.65

K4j 33.8 36.8 33.9 31.25

8.85 8.425 8.675 9.0625 8.7375 8.625 8.625

8.675 8.225 8.5 9.1125 8.4625 8.575 8.575

8.425 8.55 8.75 8.4125

8.45 9.20 8.475 7.8125

Si 2.285 2.135 0.215 4.5275 0.3025 0.01 0.01

fi 3 3 3 3 1 1 1

Vi 0.7616 0.712 0.0712 1.509 0.3025 0.01 0.01

F檢驗 76.16 71.2 7.12 150.9 30.25 1 1

顯著性 顯著 顯著 有影響 最顯著 次顯著 誤差 誤差

可靠性 90% 90% 75% 95% 90%

　　注：　Kij——第個水平上所有綜合指標(biāo)之和；
　　　　　)2，為所有指標(biāo)和的平均值，P某因素各水平出現(xiàn)的次數(shù)；
　　　　　fi——某因素的自由度，fi=水平數(shù)-1；
　　　　　Vij——平均偏差平方和，Vij=Si/fj。
　　根據(jù)方差分析，對陶瓷型綜合性能影響最顯著的因素是焙燒溫度，顯著因素為硅酸乙酯水解液的加水量和加無水乙醇量，次顯著的因素為鹽酸及催化劑的加入量，而透氣劑(H2O2)、微量添加物為非顯著因素。
　　另外，根據(jù)表3中K1j、K2j、K3j、K4j的值，獲得了制作高品質(zhì)陶瓷的最佳工藝參數(shù)組合：
　　水量——1水平：16 mL；
　　無水乙醇——4水平：100 mL；
　　氧化鎂——3水平：12 g；
　　焙燒溫度——2水平：350 ℃；
　　鹽酸——1水平：0.75 mL；
　　雙氧水——1水平：0 mL；
　　微量添加物——2水平：1.5 g。
　　應(yīng)用此最佳工藝參數(shù)組合制作的陶瓷型試樣，其抗拉強度為0.522 MPa，表面穩(wěn)定性為1.22562 g，透氣性為0.113 cm2/(Pa*min)，尺寸精度為0.155 mm/100 mm達到了高品質(zhì)陶瓷型的要求。
2.3　化學(xué)分析
　　(1)硅酸乙酯的水解過程原理
　　硅酸乙酯本身并不能做粘結(jié)劑使用，它必須經(jīng)過水解成為水解液，才能具有粘結(jié)能力。硅酸乙酯的水解過程實質(zhì)上是其中的乙氧基被水中的羥基所置換的過程。在水解過程中，首先得到乙氧基硅醇即(C2H5O)nSi(OH)4-n(n=1，2，3)，硅醇間有強烈的縮聚傾向，水解反應(yīng)進行的同時，進行著乙氧硅醇的縮聚反應(yīng)，得到不同聚合度和結(jié)構(gòu)的聚乙氧基硅氧烷，而縮聚反應(yīng)所析出的水又可繼續(xù)參與水解反應(yīng)。因此，工業(yè)上應(yīng)用的硅酸乙酯并非化學(xué)純的正硅酸乙酯，而是由正硅酸乙酯與各種聚乙氧基硅氧烷(多乙酯)所組成的混合物，統(tǒng)稱為硅酸乙酯，其化學(xué)通式為(C2H5O)2n+2SinOn-1［6］。
　　(2)化學(xué)分析
　　根據(jù)前面得到的陶瓷最佳工藝參數(shù)組合，并假設(shè)所用硅酸乙酯為純的正硅酸乙酯，通過計算可知水解時水的克分子數(shù)與硅酸乙酯中乙氧基克分子數(shù)的比W=0.314。由于多乙酯的存在，實際上的W值約為0.35。資料［6］顯示，當(dāng)0.25＜W＜0.4時，水解產(chǎn)物為線型低聚物(低聚乙氧基硅氧烷)，水解液中基本不含游離水。這樣的水解液穩(wěn)定性好，便于保存；當(dāng)有催化劑作用時，線型低聚物分子發(fā)生體型縮聚，交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有較高強度。
　　焙燒溫度達到200 ℃以上時，陶瓷型中的水分已
大部分失去。繼續(xù)加熱，硅酸凝膠和無機硅聚物脫水并最后完成體型結(jié)構(gòu)，此過程是在335 ℃附近完成的［7］，故最佳焙燒溫度約為350 ℃。

3　應(yīng)用實例

　　應(yīng)用以上陶瓷型鑄造工藝澆注的鑄鋼件(圖3)，表面光潔度達標(biāo)Ra1.6～3.2，尺寸精度達CT3～4，表明此鑄造工藝完全可以用于實際生產(chǎn)。

圖3　陶瓷型鑄造工藝澆注的型與件
Fig.3　The mould and steel casting cast by ceramic investment casting

4　結(jié)論

　　(1)SLA快速原型技術(shù)與陶瓷型鑄造技術(shù)相結(jié)合，是制造模具的有效方法。
　　(2)應(yīng)用本文研究所得到的工藝參數(shù)組合，可獲得高品質(zhì)的陶瓷型，可在實際生產(chǎn)中應(yīng)用。
　　圖4、圖5分別用TR240型表面輪廓儀測得的樹脂模型和鑄鋼件的表面輪廓曲線。

圖4　樹脂模型(打磨過)表面輪廓曲線
　Fig.4　Surface outline curve of resin pattern

圖5　鑄鋼件表面輪廓曲線

Fig.5　Surface outline curve of cast steel model

科研項目：西安交通大學(xué)科學(xué)研究基金項目。
作者簡介：馬　天(1975-)，男，遼寧盤錦人，碩士.
作者單位：馬天(西安交通大學(xué)，陜西　西安　710049)
　　　　　邢建東(西安交通大學(xué)，陜西　西安　710049)
　　　　　方亮(西安交通大學(xué)，陜西　西安　710049)
　　　　　王恩澤(西安交通大學(xué)，陜西　西安　710049)

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