真空干燥对熔模铸造用硅溶胶型壳强度的影响

铸造技术真空干燥对熔模铸造用硅溶胶型强度的影响冯华，刘向东，胡蓉，陈志军，吕凯（内蒙古工业大学材料科学与工程学院，内蒙古呼和浩特010051）长。本文采用真空干燥工艺对硅溶胶型壳进行干燥，探索了不同真空度及保压时间下型壳强度的变化规律。研宄发现：与自然干燥相比，采用真空干燥工艺下的型壳能在较短时间内达到较高的强度。真空度为-0.07MPa，保压20min时型壳抗拉强度可达0.85MPa.而自然干燥相同时间，型壳抗拉强度仅为0.38MPa.若只考虑湿强度，真空干燥工艺可用于硅溶胶型壳的硬化，且选用真空度-0.07MPa，保压30min左右较为适宜。
硅溶胶型壳干燥慢，制壳周期长，影响生产效率。
迫于环境和经济的压力，人们尝试使用快干硅溶胶、采用复合型壳或通过化学硬化等来缩短硅溶胶型壳制壳周期。但这些方法又带来了成本的增加、涂料的交叉污染或型壳强度的下降等一些新的问题。寻找一种更合适的加快硅溶胶型壳硬化的方法仍然是很多学者不断努力的方向。而真空干燥设备可以通过提供低蒸气压的环境加快液体的蒸发，具有低温、高效、节能、环保等优点，很多满足工业生产的真空干燥设备也已被研发和使用m.生产及研究中，对利用真空干燥技术缩短硅溶胶制壳周期的工艺却鲜有报道。本文通过试验的方法，研究真空条件下真空度及保压时间对硅溶胶型壳强度的影响，找出适于硅溶胶型壳制备的真空干燥工艺参数。
1试验方法探索真空干燥工艺对熔模铸造型壳强度的影响规律，主要考察真空度和保压时间的影响。各试样均采用相同的蜡模、涂料配比、砂子粒度、撒砂方式，只在型壳干燥环节加以控制。分别选取不同的真空度和不同的保压时间，制得截面尺寸为22.36mmx7.00mm的8字形抗拉强度试样。为排除脱腊过程对真空干燥效果的干扰，在型壳后一层制备前先进行脱蜡。
型壳制备完成后按事先制定好的真空干燥工艺进行干燥，取出后立即进行强度测试。终强度取相同条件下3个试样的平均值。试样中各层用料及涂料配比如表1、表2所示。
表1制壳用涂料及耐火材料类别面层过渡层背层涂料种类面层涂料过渡层涂料背层涂料撒砂材料石英砂100/120目莫来石30/60目莫来石16/30目2试验结果及分析2.1自然干燥条件下型壳强度的变化为自然干燥条件下型壳强度随干燥时间的变表2涂料配比硅溶胶/kg石英粉/kg莫来粉/kg润湿剂/ml消泡剂/ml粘度/s表面层过渡层背层化曲线图。由图可知，随着干燥时间的延长，型壳的抗拉强度逐渐增大。在干燥2060min的时间段，型壳抗拉强度变化幅度较小，基本保持在0.39MPa左右，说明此时还处于胶凝的初始阶段。随着水分的进一步蒸发，从60min起型壳强度一直呈缓慢增加的趋势，160min时型壳强度达到0.61MPa. 2.2保压时间对强度的影响为不同真空度下型壳强度随保压时间的变化曲线。可知，真空度为-0.05MPa时，随着保压时间的延长，型壳抗拉强度的数值总体上呈上升趋势。保压时间在2060min变化时，型壳抗拉强度由0.473MPa增力口到0.77MPa.之后在60~160min间，强度值出现了波谷。当保压时间为160min时，强度又升至0.77MPa.真空度为-0.06MPa时，随着保压时间的延长，胶型壳强度逐步增加，保压80min时达到大值0.67MPa.之后，逐渐稳定在0.6MPa左右。真空度为-0.07MPa时，型壳的抗拉强度始终维持在较高的水平，变化也较平缓。保压时间由20min延长到60min时，强度只增加了约0.05MPa，达到大值0.88MPa.之后，出现转折点并基本稳定在0.76MPa左右。真空度为-0.08MPa时，型壳抗拉强度在0.790.62MPa间波动。说明此真空度下，型壳强度对保压时间较为敏感，胶凝过程复杂且不稳定。
真空度为-0.09MPa时，型壳的抗拉强度值变化幅度不大，基本上处于平缓上升的状态。保压20min后强度值便达到0.72MPa，并终到160min时上升至0.77MPa.可见，保压时间对型壳强度的影响因真空度的变化而异。相比较而言，真空度为-0.07MPa和-0.09MPa时，型壳强度受保压时间的影响较小。
将和对比可以发现，采用真空干燥工艺下的型壳能在较短时间内达到较高的强度。型壳干燥的过程是溶胶凝胶、凝胶干燥等各个干燥阶段同时进行甚至交叠发生的复杂过程，并终反应在强度的变化上。与自然干燥条件下型壳强度随时间延长而缓慢增大相比，真空干燥条件下型壳强度增加较为迅速，但保压一定时间后均有强度值下降的区域，并表现出一定的不稳定性。说明真空干燥条件下硅溶胶的胶凝过程更为复杂，真空干燥条件下与自然干燥条件下型壳的微观形成过程有一定的差异。
2.3真空度对强度的影响为保压时间为60min时，型壳抗拉强度随真空度变化的曲线。可知，真空度由-0.05MPa增大到-0.07MPa的过程中，型壳强度出现先降后升的趋势。
这是由于水分的蒸发速率在真空度由-0.05MPa增加到-0.07MPa的过程中表现出先变小后变大的过程，水分的蒸发量终决定了型壳强度的大小。当真空度-0.07MPa时的型壳强度明显要好于其他真空度下的强度，达到了0.88MPa，较低值高出约0.3MPa.但随后真空度由-0.07MPa增大至-0.09MPa的过程中，型壳强度却表现出随真空度增大而降低的趋势。这是因为在较大的真空度下，型壳中水分蒸发速度大大加快，硅溶胶迅速发生胶凝，使得型壳中较多的水来不及蒸发便被封闭在由胶凝所形成的骨架中。试验过程中还发后，用手可以明显感觉到型壳干燥过程中由于短时间内大量水蒸发带走型壳中的部分热量所造成型壳温度的降低。型壳温度的降低进一步促进了试验所用碱性硅溶胶的胶凝，二者共同作用阻碍了水的进一步快速蒸发。当间隙中的水分在后续的凝胶干燥过程中蒸发掉后便在型壳中留下更多的空隙，使得所形成的型壳较为疏松，终使得型壳的强度较低。
3结论保压时间对型壳强度的影响因真空度的变化而异。真空度为-0.07MPa和-0.09MPa时，型壳强度受保压时间的影响较小。真空度为-0.08MPa时，型壳强度对保压时间较为敏感。
真空度由-0.05MPa增加到-0.09MPa时，型壳的强度为先降后升再降的一个过程。相比其他真空度下型壳强度，真空度为-0.07MPa下硅溶胶型壳的强度较高，保压60min时型壳抗拉强度可达0.88MPa.（3）与自然干燥相比，采用真空干燥工艺能在较短的时间内达到较高的强度。若只考虑湿强度，则选用真空度-0.07MPa，保压30min左右为合适。