短切硅酸铝纤维增强硅溶胶型壳的抗弯强度及高温自重变形.pdf

第４３卷２０１５年７月第７期—第５６６１页材料工程ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏ１．４３Ｎｏ．７—Ｊｕ１．２０１５ｐｐ．５６６１短切硅酸铝纤维增强硅溶胶型壳的抗弯强度及高温自重变形—ＢｅｎｄｉｎｇＳｔｒｅｎｇｔｈａｎｄＨｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ＳｅｌｆｌｏａｄｅｄＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＳｈｏｒｔＡｌｕｍｉｎｕｍ—ＳｉｌｉｃａｔｅＦｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄＳｉｌｉｃｏｎＳｏ１Ｓｈｅｌｌ吕凯，刘向东，王浩，冯华，李艳芬（内蒙古工业大学材料科学与工程学院，呼和浩特０１００５１）——ＬＹＵＫａｉ，ＬＩＵＸｉａｎｇｄｏｎｇ，ＷＡＮＧＨａｏ，ＦＥＮＧＨｕａ，ＬＩＹａｎｆｅｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｏｈｈｏｔ０１００５１，Ｃｈｉｎａ）摘要：为了提高熔模铸造硅溶胶型壳的性能，向涂料中添加硅酸铝纤维制备纤维增强熔模铸造型壳试样。对不同纤维加入量条件下所获得的纤维增强型壳试样的常温及焙烧后抗弯强度、高温自重变形量的变化规律进行研究，并利用ＳＥＭ观察型壳试样断口形貌。结果表明：随硅酸铝纤维加入量从０．２～１．０（质量分数，下同）变化，其常温抗弯强度显著增大，高温自重变形量减小；纤维加入量为１．０时，试样的常温抗弯强度较未增强的试样提高了４７，而高温自重变形减少约５Ｏ。采用０．２～１．０的硅酸铝纤维增强后，复合型壳焙烧后强度至少提高３９。断口ＳＥＭ形貌观察分析结果表明，纤维增强硅溶胶型壳试样受力破坏失效主要由于硅溶胶凝胶膜的断裂、硅酸铝纤维拔出、断裂及脱粘等综合作用所致。关键词：硅酸铝纤维；纤维增强型壳；熔模铸造；抗弯强度；高温自重变形—ｄｏｉ：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１５．０７．０１０中图分类号：ＴＧ１１３．２６文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２Ｏ１５）０７００５６０６—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｉｌｉｃｏｎｓｏｌｓｈｅｌｌｆｏｒｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｈｏｒｔｆｉｂｅｒｓｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｓｉｌｉｃａｔｅｗｅｒｅｍｉｘｅｄｉｎｔｏｔｈｅｓｌｕｒｒｉｅｓ．Ｔｈｅｆｌｅｘｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｇｒｅｅｎｓｈｅｌｌ，ｆｉｒｅｄ—ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｅｌｆｌｏａｄｅｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｔｅｌｅｖａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｎｄｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｓｈｅｌｌｓａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙＳＥＭ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｓｃｏｎｔｅｎｔｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｓｉｌｉｃａｔｅｆｉｂｅｒｓｉｎｃｒｅａｓｅｓｆｒｏｍ０．２ｔｏ１．０（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ，ｓａｍｅａｓｂｅｌｏｗ），ｔｈｅｇｒｅｅｎｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｈｅｌｌｓｐｅｃｉｍｅｎｓｉｓ——ｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｄｔｈｅｓｅｌｆｌｏａｄｅｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｔｅｌｅｖａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｅｓｈｅｌｌｓｐｅｃｉｍｅｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｗｉｔｈ１．０ｆｉｂｅｒｓａｄｄｉｔｉｏｎｒｅａｃｈｅｓｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｇｒｅｅｎｓｔｒｅｎｇｔｈ，ａｎｉｎｃｒｅａｓｅｏｆ４７％ｔｈａｎｔｈｅ—ｓｈｅｌｌｓｐｅｃｉｍｅｎｕｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｗｉｔｈｆｉｂｅｒｓ，ａｎｄｔｈｅｓｅｌｆｌｏａｄｅｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｔｅｌｅｖａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｈａｓａｄｅｃｒｅａｓｅｏｆａｂｏｕｔ５０．Ｔｈｅｆｉｒｅｄｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｈｅｌｌｓａｍｐｌｅｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆ０．２％一１．０ａｌｕｍｉｎｕｍ—ｓｉｌｉｃａｔｅｆｉｂｅｒｉＳａｔｌｅａｓｔｉｎｃｒｅａｓｅｄ３９．ＩｔｉＳｆｏｕｎｄｂｙＳＥＭｔｈａｔｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｓｈｅｌｌ—ｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｔｔｈｅａｐｐｌｉｅｄｌｏａｄｉｓｒｅｓｕｌｔｅｄｂｙｂｒｅａｋｄｏｗｎｏｆｓｉｌｉｃｏｎｓｏｌｆｉｌｍｓａｎｄｐｕｌｌｉｎｇｏｕｔ，ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄｄｅｂｏｎｄｉｎｇｏｆｆｉｂｅｒｓｉｎｔｈｅｓｈｅｌ１．——Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍｓｉｌｉｃａｔｅｆｉｂｅｒ；ｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｓｈｅｌｌ；ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｃａｓｔｉｎｇ；ｂｅｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｌｆｌｏａｄｅｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ熔模铸造用型壳在制造过程中，不仅要求其具有较好的常温强度以保证型壳在制造、搬运、脱蜡过程中不发生损坏；而且还要有一定的高温强度，可以抵抗浇铸过程中金属液的冲刷；较低的残留强度，方便铸件冷却凝固后脱壳工序的操作性。目前精铸件生产中广泛使用硅溶胶型壳，但存在的主要问题是常温强度较低＿２］，采用该法生产一些大型铸件时，型壳的边角位置易裂，导致型壳失效［３］。传统的铸造生产中，为获得高的熔模铸造型壳强度，往往采用增大黏结剂的加入量的办法来实现。然而，这样又带来的问题是型壳残留强度高，铸件清理困难，且型壳废弃物难以回收利用。迄今为止，适用于精铸型壳制壳用的高效、高强黏结剂第４３卷第７期短切硅酸铝纤维增强硅溶胶型壳的抗弯强度及高温自重变形６１［７］［８］［９］［１Ｏ］［１１］ｏｎｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅｗｉｔｈｏｕｔａｎｄｗｉｔｈｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｆｉｂｅｒｓａｔｅｌｅｖａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｕｓｉｎｇａｎｅｗｔｅｓｔｓｅｔｕｐ［Ｊ］．Ｃｅｍｅｎｔａｎｄ—ＣｏｎｃｒｅｔｅＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１３，５３：１Ｏ４１１１．邓宗才，薛会青．高韧性纤维增强水泥基复合材料的收缩变形—［Ｊ］．北京科技大学学报，２０１１，３３（２）：２１０２１４．————ＤＥＮＧＺｏｎｇｃａｉ，ＸＵＥＨｕｉｑｉｎｇ．Ｓｈｒｉｎｋａｇｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｏｆｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｅｅｄｈｉｇｈ－ｄｕｃｔｉｌｉｔｙｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＪＵｎｉｖＳｃｉ—ＴｅｃｈｎｏｌＢｅｉｊｉｎｇ，２０１１，３３（２）：２１０２１４．ＹＵＡＮＣ，ＪＯＮＥＳＳ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｆｉｂｒｅｍｏｄｉｆｉｅｄｃｅｒａｍｉｃ—ｍｏｕｌｄｓｆｏｒｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｃａｓｔｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＥｕｒｏｐｅａｎＣｅ—ｒａｍｉｅＳｏｃｉｅｔｙ，２００３，２３：３９９４０７．ＹＵＡＮＣ，Ｊ０ＮＥＳＳ，ＢＬＡＣＫＢＵＲＮＳ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆａｕｔｏ－ｃｌａｖｅｓｔｅａｍｏｎｐｏｌｙｍｅｒａｎｄｏｒｇａｎｉｃｆｉｂｒｅｍｏｄｉｆｉｅｄｃｅｒａｍｉｃｓｈｅｌｌｓ—［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＥｕｒｏｐｅａｎＣｅｒａｍｉｃＳｏｃｉｅｔｙ，２００５，２５：１０８１１０８７．ＷＡＮＧＦ，ＬＩＦ，ＨＥＢ，ｅｔａ１．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ—ｎｅｅｄｌｅｃｏｋｅｍｏｄｉｆｉｅｄｃｅｒａｍｉｃｃａｓｔｉｎｇｍｏｌｄｓ口］．ＣｅｒａｍｉｃｓＩｎｔｅｒ—ｎａｔｉｏｎａｌ，２０１４，４０：４７９４８６．ＹＵＡＮＣ，Ｃ０ＭＰＴＯＮＤ，ＣＨＥＮＧＸ，ｅｔａ１．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆ［１２］［１３］ｐｏｌｙｍｅｒｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｙｔｔｒｉａｆａｃｅ－ｃｏａｔｍｏｕｌｄｓｆｏｒＴｉＭｃａｓｔｉｎｇＥＪ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＥｕｒｏｐｅａｎＣｅｒａｍｉｃ—Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０ｌ２，３２：４０４１４０４９ＪＯＮＥＳＳ，ＹＵＡＮＣ．Ａｄｖａｎｃｅｓｉｎｓｈｅｌｌｍｏｕｌｄｉｎｇｆｏｒｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｃａｓｔｉｎｇｌ－Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１３，—１３５：２５８２６５．冯华．熔模铸造用高强复合型壳制备工艺及性能研究［Ｄ］．呼和浩特：内蒙古工业大学，２０１２．ＦＥＮＧＨｕａ．Ｓｔｕｄｙｏｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｅｒａｍｉｃｓｈｅｌｌｆｏｒｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｃａｓｔｉｎｇ［Ｄ］．Ｈｏｈｈｏｔ：ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２．基金项目：春晖计划资助项目（Ｚ２０１１－０６２）————收稿日期：２０１４０４２３；修订日期：２０１４０８３０通讯作者：刘向东（１９６６一），教授，博导，主要从事轻金属表面微弧氧化、金属液态成型理论研究工作，联系地址：内蒙古呼和浩特内蒙古工—业大学材料学院（０１００５１），Ｅｍａｉｌ：ｌｉｕｘｄ６６＠１２６．ｃｏｒｎ