本文中國(guó)鑄造網(wǎng)主要為大家介紹熔模鑄造的模料使用壽命問(wèn)題。
熔模鑄造模料可分為低溫模料、中溫模料和高溫模料。低溫模料的熔點(diǎn)低于60℃。目前，我國(guó)廣泛使用的低溫模料具有制備方便、制模和脫模容易、模料回收簡(jiǎn)單、復(fù)用性好等許多優(yōu)點(diǎn)，但是此模料也存在著強(qiáng)度低和熱穩(wěn)定性不高、易發(fā)生皂化反應(yīng)、夏季和炎熱地區(qū)使用時(shí)熔模易變形等缺點(diǎn)，所以有必要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。
中溫模料的熔點(diǎn)在80～100℃之間，熱穩(wěn)定性35℃左右。中溫模料基本上適用于制造尺寸精度要求較高的熔模。高溫模料的熔點(diǎn)高于120℃，其具有較高的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，但是其膨脹量大、制模工藝復(fù)雜。
我國(guó)大部分熔模鑄造廠使用的模料是熔模鑄造廠自制的低溫模料，其質(zhì)次價(jià)高且嚴(yán)重影響鑄件質(zhì)量的提高，所生產(chǎn)的鑄件在國(guó)際市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力小。然而，我國(guó)許多熔模鑄造生產(chǎn)廠希望生產(chǎn)的鑄件能用于出口。鑄件要出口就要提高鑄件產(chǎn)品質(zhì)量，因此一方面需要先進(jìn)的熔模鑄造設(shè)備，另一方面需要高質(zhì)量的模料，顯然熔模鑄造生產(chǎn)廠自給自足式的模料生產(chǎn)辦法是很難生產(chǎn)出高質(zhì)量的模料，因而此狀況與現(xiàn)代化的大生產(chǎn)相矛盾。近年來(lái)我國(guó)引進(jìn)了許多現(xiàn)代化的熔模精鑄設(shè)備和高質(zhì)量的模料，而且隨著與海外的往來(lái)與日俱增，進(jìn)口模料品種、規(guī)格日益增多。由此可見(jiàn)我國(guó)模料的生產(chǎn)面臨著改進(jìn)模料產(chǎn)品質(zhì)量和擴(kuò)大模料品種等艱巨的任務(wù)與挑戰(zhàn)。
1 模料主要組元的特性
作為模料主要組元之一的蠟是指固體烷烴蠟，其分子式為CnH2n+2，其中常用的固體蠟n=24～30。烷烴蠟在室溫下是非常穩(wěn)定的，烷烴蠟在100 ℃以上會(huì)氧化，尤其在一些催化劑存在時(shí)(例如硼、鋁、鐵、鈷、鉀和鈉等金屬的鹽類)，烷烴蠟的氧化反應(yīng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行，而且隨著溫度的升高而加劇，它的氧化過(guò)程是一種自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。烷烴蠟通過(guò)光、熱及催化劑等的引發(fā)，形成烷基自由基(CnH2n+1)。烷烴蠟自由基與氧反應(yīng)形成氧化物自由基R-OO; 這種自由基又與烷烴分子R-H反應(yīng)， 形成氫過(guò)氧化物R-OOH。鏈?zhǔn)窖趸磻?yīng)的結(jié)果使碳-碳鏈斷裂，并生成低分子量的脂肪酸、醇、二元羥酸、水等產(chǎn)物。根據(jù)烷烴蠟氧化的機(jī)理，國(guó)外有些工廠使用烷烴蠟作原料，通過(guò)錳、鐵等催化劑的作用生產(chǎn)脂肪酸及脂肪酸的酯，其反應(yīng)就是在105～120℃的溫度下進(jìn)行的。
由此說(shuō)明，烷烴蠟的使用溫度應(yīng)不超過(guò)100 ℃，否則烷烴蠟會(huì)氧化并生成低分子氧化物，使模料改變?cè)行阅堋?/p>
模料中另一主要組元松香，其分子式為C20H30O20，它由85%～88%的樹(shù)脂酸，2%～5%的脂肪酸及5%～7%的中性物(非酸性組分)組成，而樹(shù)脂酸又是由多種不同的同分異構(gòu)體組成。其中樅酸型樹(shù)脂酸約占整個(gè)樹(shù)脂酸的76%～86%(因產(chǎn)地而異)。樅酸型樹(shù)脂酸具有共厄雙鍵結(jié)構(gòu)，其性能最不穩(wěn)定，最易氧化，造成松香具有易氧化和易結(jié)晶的特性。
松香在大氣中即會(huì)氧化，尤其在較高溫度或呈粉末狀時(shí)更易氧化，霧狀松香粉塵的自燃點(diǎn)為130 ℃。而松香的結(jié)晶在下列條件下均會(huì)發(fā)生：(1)在加熱溫度大于155 ℃的過(guò)程中會(huì)發(fā)生同分異構(gòu)變化，改變了松香的樹(shù)脂酸組成，造成結(jié)晶的內(nèi)在因子存在;(2)松香在冷卻過(guò)程中，在105～120 ℃溫度下停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，極易產(chǎn)生結(jié)晶，并使晶粒長(zhǎng)大;(3)水對(duì)松香結(jié)晶有特別大的影響，水的作用在于樅酸型樹(shù)脂酸分子在水柱表面定向，形成結(jié)晶條件。
松香的氧化及結(jié)晶，使松香的顏色加深、發(fā)暗、渾濁，粘度增大，失去了松香原有的性能，必然也導(dǎo)致模料品質(zhì)的惡化。
2 脫蠟方法的選擇
根據(jù)對(duì)模料主要組元石蠟和松香的特性分析，可以知道使用模料應(yīng)注意的兩個(gè)問(wèn)題。
(1) 模料熔化溫度不應(yīng)超過(guò)100 ℃，而且不宜在大于100 ℃的溫度下攪拌。
(2) 脫蠟方法及脫蠟溫度的選擇。
對(duì)傳熱脫蠟法和蒸氣脫蠟法兩種方法進(jìn)行比較。式(1)為傳熱脫蠟之經(jīng)驗(yàn)式。
(1)
式中Q/t—— 單位時(shí)間的熱量(模料接受的)，J/s
K —— 陶瓷模殼的熱導(dǎo)率,W/(m.k)
A —— 模殼的表面積,m2
X —— 模殼厚度(硅溶膠模殼一般為0.6 cm)
T2-T1 —— 模殼內(nèi)外表面的溫度差,K
我們將模殼置于一鍋內(nèi)，鍋內(nèi)溫度是120 ℃。模殼熱導(dǎo)率為1.256 W/(m.K)。
按式(1)計(jì)算出每秒通過(guò)模殼熱量是1.989 J。已知蠟的比熱容為2 093.4 J/(kg.K)，松香的比熱容為2260.8 J/(kg.K)?？梢?jiàn)如果僅用熱傳導(dǎo)脫蠟，以120 ℃時(shí)爐子的熱量是不足以熔化模料的。高溫蒸氣脫蠟的原理是蒸氣通過(guò)模殼冷卻時(shí)釋放氣化熱使模組表面迅速受熱而熔化，因此蒸氣脫蠟可以按式(2)計(jì)算每秒通過(guò)模殼的熱量。
我們以通入高壓鍋中0.2 MPa的蒸氣壓來(lái)計(jì)算(0.2MPa的蒸氣壓相當(dāng)于120℃時(shí)水蒸氣的壓力)
(2)
式中：L —— 水的氣化潛熱(在0.2 MPa蒸氣壓力下為2.198 kJ)
m —— 每秒通過(guò)模殼的蒸氣質(zhì)量，kg
(3)
V —— 每秒通過(guò)模殼的空氣體積，mL
Vs —— 蒸氣體積密度(在0.2MPa壓力下體積密度為824 mL/g)
k —— 陶瓷模殼的透氣性,mL/(s.cm4)
P2-P1 —— 模殼內(nèi)外表面的壓力差，MPa
由式(2)可以得出，強(qiáng)力通過(guò)模殼的蒸氣質(zhì)量同穿過(guò)陶瓷模殼壁的壓力成正比。作為最初的近似值，該壓力差可以被認(rèn)為是蠟料開(kāi)始熔化時(shí)高壓鍋內(nèi)的蒸氣壓力，此時(shí)k=0.01 mL/(s.cm4)，X=0.6 cm,P2-P1=0.2 MPa，用式(3)計(jì)算得出mL=88.928 J，由方程(2)得出：
由以上兩種脫蠟方式的比較可知，在高壓蒸氣鍋中通過(guò)模殼傳遞熱量的作用是很少的，而來(lái)自蒸氣的氣化熱卻有很大的作用。經(jīng)計(jì)算說(shuō)明通入0.2 MPa(約120 ℃)蒸氣的氣化熱是傳導(dǎo)熱量的40多倍，足以將模殼中的蠟脫出。
蒸氣脫蠟的優(yōu)點(diǎn)在于不需用很高溫度，這對(duì)保持模料性能有好處，可延長(zhǎng)模料的使用壽命。
蒸氣脫蠟所需時(shí)間隨模組的大小、形狀而定，在某種程度上取決于陶瓷模殼的孔隙度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)1kg的模組用5～10 min,3 kg的模組用10～15 min。
3 模料回收
將使用過(guò)程中混入的各種雜質(zhì)，如砂粒、粉塵和水分除去，應(yīng)按下列方法處理以延長(zhǎng)模料使用壽命。
剛脫出的模料在沸騰狀態(tài)下與水相混，首先應(yīng)靜止冷卻除水，待蠟液和水分離后，將水放掉。把放去水的蠟液加熱至120 ℃以下，使模料中的水分蒸煮干凈，蠟液無(wú)水泡、無(wú)爆聲，出現(xiàn)鏡面為止。為了加快水分的蒸發(fā)，可用強(qiáng)力抽風(fēng)機(jī)，將蒸發(fā)的水氣抽掉。再將蠟液輸入離心式分離器，進(jìn)行離心分離處理，以除去雜質(zhì)(或者用篩網(wǎng)過(guò)濾)。然后進(jìn)入保溫槽，溫度應(yīng)不超過(guò)80 ℃，檢驗(yàn)蠟料性能合格后，則繼續(xù)使用，不合格，則加入20%～30%新料進(jìn)行調(diào)整。
這里需要特別指出，在回收模料時(shí)不應(yīng)在100 ℃以上攪拌，尤其不能帶水?dāng)嚢琛?/p>
