添加剂对石膏型强度的影响

2009年12月沈阳理工大学学报Vol. 28 No. 6第28卷第6期TRANSACTIONS OF SHENYANG LIGONG UNIVERSITYDec.2009文章编号;1003 - 1251 (2009)06 -0024 -04添加剂对石膏型强度的影响王兰馨,赵忠兴,耿德军(沈阳理工大学材料科学与工程学院,辽宁沈阳110159)摘要:在石膏型中 分别添加氧化钙、聚丙烯酰胺、甲基纤维素、玻璃纤维四种添加剂,研究加入添加剂后石膏型在室温下抗拉强度及烘干过程中的抗拉强度变化.分析了烘干过程中石膏型抗拉强度随烘干时间、失水率的变化规律,并与石膏型在微波烘干过程的抗拉强度进行了对比分析.关键词:添加剂;石膏型;强度;烘干中图分类号:TG249文献标识码:AThe Influence of Additive on the Plaster Mold StrengthWANG Lan-xin ,ZHAO Zhong xing ,GENG De-jun(Shengyang Ligong Universit, Shengyang 110159, China)Abstract: The tensile strength of the plaster mold at room temperature and drying processwere studied, with the additiv of calcium oxide , polyacrylamide ,methyl cellulose，glass fiber.Compared with the tensile strength in microwave drying process , the regularity of the tensilestrength changing with drying time and dehydrate ratio varying was analyzed.Key words: aditive; plaster mold; strengh;drying石膏型精密铸造技术以其铸件尺寸精度高、点,石膏型 在烘干过程中随着温度升高,收缩急表面粗糙度低和复印性好等优点,在航空航天、汽剧增加， 增大的收缩必然引起石膏型较大的尺寸车、船舶、兵器、艺术等行业得到了广泛的应变化和增 加裂纹倾向[74).因此，在石膏粉料中加用3).石膏型铸造中,石膏型的强度对铸件质量人适当的填料， 使其具有良好的室温及高温强的影响是不可忽视的因素,而且是影响石膏型铸度, 以碱少石膏型产生裂纹的倾向.本文研究了几造生产效率的关键环节[46].种不同添加剂对石膏型室温抗拉强度及加人添加国内外陶瓷行业技术人员通过添加有机物和剂后的石膏 型在烘干过程中的抗拉强度变化,并无机物的方法,不仅提高了石膏模型的强度和耐对不同烘干 方式的强度变化进行对比分析.热性能,更主要的是提高了石膏模型的吸水性能.而铸造用石膏型在凝结过程中具有体积膨胀的特1试验 条件及试验方法中国煤化工收稿日期:209 -07 -07作者简介:王兰馨( 1982-),女，硕士研究生;通讯作者:赵忠兴1.1MYHCNMHG(1963-) ,男,博士,教授,研究方向:铝合金净化,特种试验设备采用电阻干燥箱微波炉,托盘天平铸造工艺(用于称取石膏粉),电子秤(用于称量添加剂)，第6期王兰馨等:添加剂对石膏型强度的影响.25.∞字试样拉伸机(用于测定石膏型抗拉强度);试验材料为β石膏粉(山西平陆县玉峰石膏粉厂)，多1.0添加剂为化学纯氧化钙.聚丙烯酰胺、甲基纤维x 0.9{素、玻璃纤维;普通自来水(15C).试验条件为室E 0.8温(25C).0.71.2试验方法0.60.00.10.20.30.40.5氧化钙含量/%1)改变添加剂的种类及含量,用∞字试样拉伸机测定石膏型在自然干燥24h后的抗拉强度.图1 Ca0 添加量与抗拉强度的关系2)选取最佳含量添加剂加入石膏型中,对石1.2膏型进行阶梯加热烘干,研究石膏型在烘干过程1.1中失水情况及抗拉强度的变化.S 1.03)将石膏型电阻烘箱烘干与微波烘干后的强0.9然0.8度进行对比分析.2试验结果及 分析0.0.0. 0.10.2 0.3 0.4 0.5聚丙烯酰胺含量/%图2聚丙烯酰胺添加量 与抗拉强度的关系2.1添加剂对石膏铸型强 度的影响1.00 ]0.95不同添加剂的加入量对抗拉强度的影响如图0.90 t0.85 11~图4所示.由图1可以看出,加人0.3%的氧化0.80-钙后石膏型的抗拉强度最大，而继续添加反而使馆0.751抗拉强度降低.这是因为普通石膏型主要由硫酸摒0.70钙组成[41 ,半水硫酸钙与水反应生成二水硫酸钙,0.650.60 1而氧化钙与水反应生成氢氧化钙后,增加了水溶0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5液中Ca2*+离子浓度,阻止了半水硫酸钙的溶解,也甲基纤维素含量/%降低了凝固反应速度,二水硫酸钙晶体排列紧密，图3甲基纤维素添加量与抗拉强度的关系导致石膏混水率降低,半水硫酸钙晶体密度增加，21多孔性降低,晶体间凝聚力增加，因而石膏的抗拉虽1.1强度得以提高.而继续加入氧化钙后,石膏型中的水分不能再与氧化钙生成氢氧化钙,不再增加水溶液中Ca2+离子浓度,加速了硫酸钙的溶解，因s0.81.7 1此,石膏型在加入氧化钙后,抗拉强度达到-一个最.6 1大值后反而降低.0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05从图2、图3中可以看出,加人聚丙烯酰胺和玻璃纤维含量%甲基纤维素高分子聚合物后,石膏型的抗拉强度图4玻璃纤维添加量与抗拉强度的关系随添加剂的增加而急剧上升.这是由于添加剂是不稳定的过饱 和溶液,溶液中的半水石膏水化而-种大分子的有机聚合物,溶解于水后产生护胶生容解度只有半中国煤化工作用,覆盖在半水石膏晶粒表面,降低了半水石膏水石奮膏而言是高在水中的溶解速度.根据半水石膏水化硬化的结度过饱MHCNMHG的结晶沉淀;晶理论[3],半水石膏水化后形成二水石膏的凝固二水石膏晶体的沉淀破坏了溶液的平衡,促使半过程主要包括:水化的开始,半水石膏溶解并形成水石膏的继 续溶解和水化,最终沉淀的二水石膏,26●沈阳理工大学学报2009年.晶体生长成紧密聚集交错的连生的针状晶体,形成具有较大内聚力和粘附力的硬固体.由此可见，80高分子聚合物聚丙烯酰胺和甲基纤维素对二水石膏晶体的生长发育以及形成更为致密聚集的结构60十CaO十聚丙烯酰胺和发展有很大作用,并且在石膏型凝固后提高石水40-甲基纤维素一玻璃纤维膏型的抗拉强度.20从图4可以看出,在石膏型中加人玻璃纤维量为0.03%之前,试样的抗拉强度随玻璃纤维掺10121416烘干时间/h人量的增加而增大，当玻璃纤维含量为0. 03%时,(a抗拉强度最大,而继续加人玻璃纤维后,石膏型的抗拉强度随着玻璃纤维掺人量的继续增加而减+ CaO小，这些现象与以下因素有关:(1)当玻璃纤维的十聚丙蝠酰胺- +甲基纤维素掺人量逐渐增加到超过最佳掺人量时，纤维容易十玻璃纤维产生缠结,石膏不能很好地浸润玻璃纤维,致使复合材料内部出现许多缺陷,其力学性能下降;(2)当玻璃纤维掺人量逐渐增加,使表面吸附了一部分水,石膏的实际反应水量不足,部分石膏没有固2401214化,导致复合材料强度降低.(b2.2含 水量对石膏型强度的影响图5失水率和失水速度随烘干时间的变化因为失水后的石膏型强度会减小，因此添加添加剂为氧化钙、聚丙烯酰胺、甲基纤维素、剂的添加量选自然干燥24h后强度最大的添加玻璃纤维,石膏型抗拉强度与烘干时间的关系如图6所示.量.2.2.1失水 率和失水速度与烘千时间的关系从图6中可以看出,随着烘干时间的延长,石添加剂为氧化钙聚丙烯酰胺甲基纤维素、膏型的抗拉强度逐渐降低. 这是因为持续加热烘玻璃纤维,石膏型失水率、失水速度与烘千时间的干,石膏型中的水分逐渐臧少,增加了水溶液中.Ca2+离子浓度,因此石膏型的抗拉强度也越来越关系如图5所示.从图5a中可以看出,加人不同添加剂的石膏小型失水率达到100%的时间都在10h左右;从图r - Ca0(0.3%)5b中可以看出,在前5h内,由于石膏型的含水量61.0.聚丙烯酰肢04%).较大,烘干速度很快,失水速度大于5g/h,随着烘-甲基纤维素0.4%)0.8十玻璃纤维(0.03%)千时间的延长,失水速度急剧下降.对应于失水速度较快的前5h,是由于石膏型在二水石膏( CaSO4相0.4*●2H20)加热到130C左右脱水形成半水石膏0.21(CaSO元●1/2H20) ,而采用电阻干燥箱烘干到5h0.左右时,烘箱内的温度正好达到130C,满足石膏-2020121416型脱水反应的条件要求,因此石膏型脱去了大部分水份.在随后的加热过程中,石膏型主要是脱去图6抗拉强度随烘干时间的变化半水石膏中的少量结晶水及残余的水份,因此在中国煤化工抗拉强度下降此过程中石膏型失水率增长缓慢,失水速度也缓很快,:MHCN M H G&,石膏型的水慢降低.在10h左右失水率接近于100%.分(包括石膏型中的自由水和结晶水)散失了大部2.2.2失水后石 膏型的抗拉强度分,导致石膏型的强度急剧下降,而石膏型加热到第6期王兰馨等:添加剂对石膏型强度的影响.●27.5h后的抗拉强度变化很小长,石膏型的强度逐渐降低.3)电阻千燥箱烘干的石膏型与微波高频烘2.3 烘干方式对石膏型强度的影响干的石膏型在抗拉强度方面存在差异,微波烘干如表1所示，微波烘干石膏型可大大缩短烘石膏 型强度下降较大.干时间[9] ,提高生产效率,降低成本和能耗,但对石膏型的强度损失较大.参考文献:表1不同烘干状态下石膏型的抗拉强度石膏型状态σ:/MPa[1]张玉海硅橡胶模-发泡石膏型低压铸造铝合金工艺[J].特自然干燥24h0.65种铸造及有色合金200,(3):57.[2]孙小波,赵国琪铝合金石膏型精密铸件凝固过程数值模拟电阻干燥箱烘干大于10h0.15与实验验证[J].中国有色金属学报,1998,18(4) :631-636.高频微波烘千0.08从表1可以看出，石膏型在自然千燥24h后[3] YaF,Yu Borodai, Liporsev v, a al. Aqueous slip Casing ofComplex. shaped ceramic components[J]. Refractories and Indue-的抗拉强度较高,但在加热烘干后,抗拉强度急剧trial Ceramie, 2006,(5):192-197.，减小，电阻干燥箱烘干的石膏型与微波高频烘干[4] 张永红,蒋玉明，杨屹.石膏型熔模特种铸造工艺[J]铸造技的石膏型在残余强度方面存在差异.这是由于石术,2002,(6) :347-349. .膏型本身导热慢,而用微波高频对其进行烘干速[5] Kim KD, Yang D Y,JongJ H. Plaster casting proces for pototyping of die casting based on rapid toling [ J] The Internation-度快,石膏型的内部结构发生了变化,从而使石膏al Jourmal of Advanced Manufacturing.型的性能也随之变化.[6]崔风楼.混合水对石膏型的性能与质量的影响[J].特种铸造及有色合金201.()1517.3结论[7]吴春苗. 青铜日静石膏型熔模铸造技术[J].特种铸造及有色合金2003,(5):4647.[8] Suadalyev I, Kharitonov D V. An Eletrophoretic Depoeition1)4种添加剂的加入均可使石膏模型的强度Method for Molding Components from Slips of lnorpanic Materials增大，在聚乙烯醇和甲基纤维素的加人量为[J]. Refractories and Industrial Ceramics, 2003,(7): 232-0.4% .CaO的加入量为0. 3%、玻璃纤维加人量为235.0.03%时,石膏模型的抗拉强度最大.[9]赵忠兴,石颖科,叶锦华.石膏型快速烘干工艺研究[J].特种铸造及有色合金,008,.(6):460461.2)随烘千过程的进行石膏型试样的失水率(责任编辑;王桂萍)逐渐增大,失水速度逐渐降低;随着烘干时间的延(上接第 30页)sinking pos[J]. J M at Proe Tech, 1998, (80-81): 683-689.[1] Ebrabimi R, Reihanianb M, Kanaani M,et al. An upper bound[5]李琼. 平面挤压凹模型腔的设计[J].长钞交通学院学报，1999,15(2):4144.analysis of the tube extrusion poes [J]. Journal of Materials[6]谢建新,刘静安金属挤压理论及技术[ M].北京:冶金工业Processing Technology ,2008 ,199: 214-220.出版杜,001.[2] Winany C D. Magnesium Die-Catings in Molor Vehicles An:Smith D s. Magnesium the Lighweight Solution-Autonotive Sou-[7]郭胜利,白朴存,张秀云，等.上限法求解不同型线凹模棒材挤压加[J].内蒙古工业大学学报,2006 ,25 (1):4348.ring Special Repont[ R]. London: Automotive Sourcing UK Ld,[8]洪深泽.挤压工艺及模具设计[M].北京:机械工业出版社，1998:8-9. .[3]彭定,江荧,彭炎荣. 挤压凹模型腔轮廓的合理设计[J].热[9]|中国煤化工凹模锥角优化[J].加工工艺2006 ,35(13) :4042.:YHCNMHG[4] Ruminski,lukeza J, Kusizk 1 Analysis of the die shape on thedistribution of mechanical propeties and strain field in the tube(责任编辑:王桂萍)