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世界各国上对微小不锈钢精密铸造件的探索
添加时间:2016-06-15

 自从美国加州大学伯克利分校于1988年研制成功直径60-120m的硅微型静电电机以来,微机械就因其广阔的应用前景和巨大的经济潜力而成为21世纪最具科研性的热点问题之一。到目前为止,微机械已在航空航天、航海、原子能、生物工程、军事、化工、卫生医疗、机器人等方面有着十分广泛的应用,并将深刻影响国民经济和国防科学技术的发展。各国科学家和政府都对微机械的研究给予了足够的重视。从微机械的设计、加工、装配到应用,都进行了广泛而深入的研究,尤其是对微机械的微细加工技术。自20世纪80年代以来,各种微细加工新工艺层出不穷,具有代表性的主要有以下几种:硅基表面和体加工工艺、高能束刻蚀工艺、LIGA工艺、超精密机械加工工艺以及微细电火花工艺等。但上述工艺都存在一些缺陷,或加工材料单一,或加工尺寸范围窄,或加工费用昂贵,或只能进行二维及准三维加工,或加工效率低下,从而限制了其更广泛的应用。2000年以来,一种全新的微机械加工工艺DDD微精密铸造工艺在德国问世,并在世界范围受到高度关注。微精密铸造工艺是利用微尺度型腔的铸型来制造整体尺寸在微米尺度或带有微米尺度微细结构的金属微构件的一种加工工艺。主要应用于介入外科手术的仪器、生物工艺仪器等领域。这种工艺依托于传统的铸造工艺,继承了传统铸造工艺的全部优点,如可加工材料种类多,低成本、高效率,可加工复杂三维形状等,有效的弥补了现有工艺的缺点。微精密铸造工艺是在对金属三维微构件的需求背景下出现的,迄今为止,只有德国、日本和韩国及中国等少数几个国基金项目:国家自然科学基金项目(50475028);国防基础科研重大项目子项目(K1401060130)。

微精密铸造工艺熔模精密铸造工艺是传统铸造工艺中最适合制备形状复杂、结构精细零件的铸造工艺。因此,在微精密铸造工艺发展的初期,不同国家的科学家都不约而同的在传统熔模精密铸造的基础上进行了微精密铸造的研究,提出了一系列基于熔模铸造的工艺方法,并各自进行了创新和改进。卡尔斯鲁厄研究所研发的微铸造工艺德国卡尔斯鲁厄研究中心的Baumeister等人提出的工艺措施,与传统的熔模铸造工艺非常相似,只是将传统工艺中挂浆制壳,改为浸浆制壳,首先进行微模型的装配,然后将微模型浸入到制备型壳的陶瓷浆料中,随后烘干、焙烧陶瓷型壳,在这个过程中微模型被高温分解,就得到了具有与铸件相同形状微型腔的陶瓷熔模型壳,再将熔融的液态金属液注入型腔,为了能有更好的充填,将铸型分别预热到700℃和1000℃,室温冷却后,清理陶瓷铸型就得到了微铸件。在充型时,主要采取两种铸造方法:真空压力铸造和离心铸造。真空压力铸造是借助一台真空压力铸造机完成的,首先将铸型和坩埚在真空室内安装固定,对真空室抽真空,同时熔化合金,随后旋转真空室,并通入气体加压,熔化的金属在0.4MPa左右的压力下浇注与凝固;离心铸造是借助一台离心铸造机实现的,铸型放在离心铸盘的一侧,另一侧以配重平衡,熔化坩埚固定在转盘的中部。金属熔化后,坩埚倾斜,使金属液进入铸型浇口,利用离心力使液态金属充填陶瓷型壳,获得微铸件。
微铸件的清理工作不同于传统熔模铸造,这是因为微铸件在受到机械作用时容易损伤,所以通过化学浸蚀使熔模材料溃散,获得金属微结构,除个别的浇冒口系统,不需进行后续加工。Baumeister等人已成功的应用这两种铸造方法制备了微行星齿轮和涡轮组,整个构件的尺寸控制在微米量级。LG-RPC中心研发的微铸造工艺LG-RPC中心提出的工艺与传统的熔模铸造工艺区别很大,更类似于砂型铸造。这种工艺的难点在于微铸型的制造。工艺措施:首先将金属液浇到铸型中,然后把注满170℃金属的铸型放置到真空室中,借助金属自身的重力充填铸型,充填完成后在空气中冷却,起模后就得到了金属微构件,图2是该中心用这种工艺制备的螺旋微齿轮,其最大的外径为1mm,整个齿高约为600μm。日本工业大学研发的微铸造工艺日本工业大学的HiroyukiNoguchi等采取的微精密铸造工艺与传统熔模铸造工艺的不同在于模型和型壳的制备方法。工艺措施:首先将预热到200℃的铸型浸入到熔化的金属液中,然后将装着金属液和铸型的炉子放置到一个真空炉中,随后进行抽真空排气及加热铸型,平衡后,打开真空炉,进气1min,使金属液在大气压力下充填。最后在水中溃散铸型,得到微构件。图3是采用该工艺制备的微蚂蚁构件。
微精密铸造合金尽管几乎所有的工业合金都可被铸造生产,但对于整个铸件的尺寸都在微米量级的微精密铸造而言,表面力的作用显著增强,使得充型极为困难,由于其金属液的冷却速度是传统尺度铸造时的万倍以上,极难完整成形,所以良好的合金的流动性是影响微铸件成形的最关键因素。此外合金对铸型和空气的化学稳定性也要很高,这是由于微铸件非常微小,已没有可供反应层占用的加工余量。Baumeister等人主要应用两种金属材料,一种是德国Degussa公司生产的金基合金“StablilorG”,其熔化区间为860 ̄940℃,这种合金耐蚀性能好,具有良好的韧性、延展性和适中的强度,微精密铸造工艺研究进展材料,更重要的是该合金表现出了良好的流动性;另一种合金材料是铝青铜,其熔化区间为1020 ̄1040℃,这种材料的特点是Al取代了青铜中的Sn,提高了合金的强度和硬度而降低了塑性,提高了铸件的耐蚀性和合金的流动性,从而提高了合金的铸造性能。卡尔斯鲁厄研究所对两种合金在微精密铸造条件下的流动性进行了测试,流动性试样选择的是10根直径为100μm、长为9mm的圆棒。试验参数是铸型预热温度分别为700℃和1000℃,充型压力最大为2.5MPa,得出了预热温度和充型压力对液态金属在微细空间流动性的影响规律。对金基合金而言,在两种型温下流动长度都随充型压力的增加而增加,只是增加的幅度不同,700℃时,在2.5MPa压力下,流动长度可达6mm,而在1000℃,只需0.4MPa的压力就可达到最大的流动长度。而对于铝青铜而言,在700℃和1000℃的型温下,当压力从0.4MPa增加到2.5MPa时,其流动长度增加很小,如图4所示。韩国的S.Chung等人选用的铸造合金是低熔点的铋合金,其熔点只有150℃,浇注温度也只有170℃,这是因为试验使用的硅树脂橡胶铸型的最高耐热温度仅为200℃。
日本的HiroyukiNoguchi等选择的是熔点只有300℃的纯锡,无疑是着眼于其低的熔点和纯金属熔体良好的流动性。微熔模和微铸型的材料选择及制作工艺对尺寸范围在微米尺度的微铸件而言,由于不能进行后续加工,所以优异的表面质量和尺寸精度是非常重要的,这就对微铸型提出了非常苛刻的要求,各国的科学家都采用了不同的材料和方法各自制备了适合微精密铸造工艺的微铸型。热塑性模型及陶瓷铸型传统熔模铸造使用的模型都是蜡模,但是蜡的机械强度较低,当模型的尺寸小至微米尺度时,蜡模不能承受陶瓷浆料的压力而破裂或变形,故对微精密铸造工艺,蜡模不再适用。卡尔斯鲁厄研究所的Baumeister等人选用了具有高强度的可高温热解的热塑性塑料PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。微模型制作方法:首先利用高精密的磨床,在黄铜上微铣削出微注射成型的镶块,然后微注射成型。为使微熔模浸入容易,陶瓷浆料要有良好的流动性和热稳定性,同时为了清理铸件容易,熔模还要有好的溃散性。不同于常规熔模铸造使用的硅酸盐粘结剂,微精密铸造熔模选用了磷酸盐和石膏作为粘结剂,选择石英、方石英和熔融石英作为耐火料。陶瓷浆料是粘结剂与耐火料的混合物。对于微铸件而言,高轮廓尺寸精度是必须的,这方面主要通过使用超细(颗粒尺寸2.9μm和1.4μm)的耐火料来保证,无论是对磷酸盐粘结剂还是石膏粘结剂。磷酸盐粘结剂熔模具有高的机械强度,适合于微精密铸造制壳,但清理脱模时比较麻烦,因为不能采用机械或水爆的方法,所以只能利用氢氟酸溶解磷酸盐型壳,进行化学脱模。但是,这种化学脱模的方法只适合于贵金属,即金基合金,而对如铝青铜和CoCr基合金则不适用,因为强酸会腐蚀微铸件的表面。因此,又提出了使用石膏作为粘结剂。虽然石膏粘结剂熔模的强度不如磷酸盐粘结剂熔模,但其具有非常优异的可溶解性。而且石膏粘结剂在与陶瓷浆料混合时,及后续的烧结过程当中,会通过化学反应生成高强度的硬石膏[25]。同时,Baumeister等人也研究了两种不同铸型对微铸件表面粗糙度的影响,给出了三种改进铸型表面粗糙度的方法:在塑料模型表面涂覆超细陶瓷粉;微熔模型壳焙烧后,渗透超细陶瓷悬浮液到铸型型腔表面;在配制陶瓷浆料的时候,利用超细的陶瓷粉对微熔模进行改性处理。结果表明,通过改进处理,微铸件的表面质量得到明显改善。其中,第三种方法作用最明显,表面粗糙度Ra由改进前的1.13μm减小至0.44μm。
感光树脂模型及橡胶铸型LG-RPC中心的Chung等人在制作微铸型时,利用微立体光刻成型工艺(MicroStereoLithography,MSL),该工艺是利用了感光树脂在紫外光照射下固化的特性,通过精密光学系统控制紫外激光束层层固化感光聚合物,获得三维微结构。Chung等人首先制作了聚合物微铸件,然后以这个聚合物结构作为母模,在真空环境中压入弹性聚合物中,这样就得到了一个具有微铸件结构型腔的微弹性铸型。Chung等人制作的微铸型最大的特点是具有弹性,不同于常规的刚性铸型,这种特性降低了微铸件脱模的难度,确保了微铸件尺寸和表面质量。弹性聚合物的选择是关键因素,研究者提出了两种材料备选,分别是聚亚胺酯(PU)人造橡胶和硅树脂(silicone)橡胶,两者的不同之处在于前者是以碳元素为主体,而后者是以硅元素为主体。不同的成分造成性能的差异,测试表明:硅树脂橡胶的表面能比聚亚胺酯人造橡胶图4两种铸造合金流动性的测试结果低了20mN/m,而且耐热性能也优于聚亚胺酯人造橡胶,因此,虽然硅树脂橡胶的润湿性能低于聚亚胺酯人造橡胶,在综合比较后选择了硅树脂橡胶作为弹性铸模材料。实物模型及陶瓷铸型日本工业大学的HiroyukiNoguchi等人在微模型的材料选择方面独辟蹊径,直接使用真实的蚂蚁作为模型,蚂蚁被烘干处理后,用胶固定在一个金属针尖上(针尖的直径为0.7mm)。研究者在配制陶瓷浆料时,首先通过用两倍的水稀释混合可溶性酚醛树脂无机自硬化铸造胶附剂和硬化剂,制得粘结剂,然后将一定数量的超细氧化铝粉(平均颗粒尺寸0.7μm)与粘结剂混合,搅拌制得陶瓷浆料。一定量的陶瓷浆料被装入到一个内径11mm的试管中,同时,蚂蚁模型也被浸入到试管中的陶瓷浆料内(距试管底部5mm)。随后,把试管安装到离心分离器上,利用离心力甩出多余的粘结剂,增加陶瓷粉的密度,制得微铸型毛坯。
接下来的步骤与传统熔模型壳制备类似,首先将毛坯从试管中取出,金属针也被拔出,然后在真空干燥箱中(200℃)烘干水分,最后在可控的温度下去除粘结剂并烧结陶瓷浆料得到微铸型。微铸件的表面粗糙度、显微组织与力学性能研究微铸件质量的优劣,决定了其应用领域前景。因此,需要对制备的微铸件的基本性能进行测试与分析,但目前为止,只有德国卡尔斯鲁厄研究所的科学家进行了这方面的研究。表面粗糙度的研究铸型预热温度和铸造方法也是影响微铸件表面粗糙度的两个关键因素。研究表明,对同一铸造方法,随着铸型预热温度由700℃提高到1000℃,表面粗糙度值减小,这是因为在高温条件下,会在铸件表面形成一层薄的光滑氧化层,提高铸件表面光洁度;对同一铸型温度,采用真空压力铸造获得的微铸件的表面粗糙度明显低于离心铸造制备的微铸件,这是因为离心铸造条件下,充型压力大约在2 ̄2.5MPa,高的充型压力能够确保充型完整,但也会最大限度的复制铸型的表面细节,而铸型的表面粗糙度则相对降低。晶粒度的研究Baumeister等人还同时测试了铸型预热温度对微铸件晶粒度的影响。试验表明:随着铸型预热温度的增加,铸件的晶粒尺寸也增加。对于金基合金,铸型温度由100℃增加到1000℃时,晶粒尺寸从30μm增加到91μm;对于铝青铜合金,铸型温度由100℃增加到1000℃时,晶粒尺寸从30μm增加到170μm。这是由于两合金的凝固区间不同,引起冷却速度不同造成的。力学性能的研究微铸件的力学性能是优化微铸件的结构设计和优化微精密铸造工艺的重要依据,关系到工业实际应用的前景。目前的研究只是单纯的局限在测试铸件力学性能指标上,进一步的理论研究还很少。
Baumeister等人测试力学性能的微拉伸试样的尺寸为130μm×260μm×4mm,试样是在两种型温下浇注成形,以得到铸型预热温度对力学性能的影响。MAuhorn等人测试力学性能的微拉伸试样的尺寸为130μm×260μm×780μm,铸型预热温度为700℃,弯曲试样的尺寸为1mm×0.2mm×0.2mm。两种热处理工艺:①浇注后试样随炉冷却到室温;②浇注后试样连同铸型在冷水中淬火,然后试样在400℃的温度下时效20 ̄30min。Baumeister的研究结果:型温为700℃时,试样的σs=630MPa、σb=910MPa;型温为900℃时,试样的σs=450MPa、σb=706MPa。这是因为随着铸型预热温度的增加,铸件的晶粒尺寸也随之增加,降低了铸件的力学性能。Auhorn做了6组试验得到的结果比较分散,该试样的屈服强度和抗拉强度与Baumeister在型温为700℃时的结果相比值偏小,这说明变形行为受各向异性影响很大。综上所述,德、日、韩三国的科学家对基于传统熔模铸造工艺的微精密铸造工艺进行了研究,各自提出了不同微精密铸造工艺,同时成功制备了具有代表性的微铸件。德国的卡尔斯鲁厄研究所研究的更为深入,对制备的微铸件的力学性能和显微组织等方面作了部分工作,研究了铸型预热温度与微铸件表面粗糙度、晶粒度及力学性能的关系,这对微精密铸造研究的全面展开奠定了基础。但纵观上述三种不同的微精密铸造工艺,存在以下缺点:(1)微熔模精密铸造工艺是将熔模型壳预热到很高温度下进行的,实际上是以牺牲微铸件的显微组织为代价的,并且必然会使微构件的力学性能受到较大损失;(2)在选用的铸造合金时,只考虑了合金的充型能力,即流动能力的高低,而忽略了工业应用前景;(3)微熔模铸造工艺流程繁杂,制约了微铸件的生产效率。(4)熔模铸造过程存在很大的偶然性,每一次微熔模铸型的制作工艺流程不可能完全一致(包括陶瓷浆料的配比、粘结剂的配比、焙烧温度的控制等),而且任何微小的误差都有可能对结构尺寸微小的微铸件的成形产生致命的影响;(5)所做的工作都偏于工艺,更深层次的理论研究,如微熔模精密铸造过程中的传热、传质和动量传输规律都未涉及。
因此,基于以上几点原因,微熔模铸造工艺研究必然是微精密铸造工艺研究的奠基性工作,效率更高的金属型铸造必将是微精密铸造工艺的发展方向,也会是未来微精密铸造工艺研究的重点。Baumeister也着重强调了这点,但国外科学家并没有开展这方面的研究工作。哈尔滨工业大学的李邦盛等人开展了基于金属型的微精密铸造工艺研究。金属型微精密铸造工艺在中国的研究现状以国外微熔模铸造工艺的研究进展为基础,李邦盛提出了一种全新的基于金属型的微精密铸造工艺。由于金属型采用分型铸造的方式,而微铸件的尺寸又非常微小,因此对模具的制造精度和装配精度都提出了新的要求。此外,金属型的蓄热能力远大于陶瓷型壳,即使是同等条件下,液态金属在充填过程中的冷却速度也远大于陶瓷型壳中的情形。提高液态金属的冷却速度,严重增加了充型的难度。本工作中使用的合金是工业上常用的锌铝合金,锌铝共晶合金具有良好的铸造性能,能满足微铸件流动性要求。利用该工艺成功制备的微齿轮铸件的技术指标:外径580m,齿轮轴直径300"m,两个齿轮轴长度400#m,图5是微齿轮俯视和侧视的放大图示,同时,在图中放入了刻度尺、大米和小米颗粒作为比较。与前面的研究相比,制备的齿轮具有齿轮轴,增加了工艺的难度,但从图中可见,齿形成形良好,从而验证了金属型微精密铸造工艺的可行性。
微精密铸造工艺的研究在世界范围内都是刚刚展开,研究历史不超过十年,而且现有的研究多集中在微精密铸造工艺的开发、验证上,关键的工艺参数优化、基础理论研究等都未展开,所以有关微精密铸造的研究还存在巨大的发展空间。开发新的工艺、丰富试验数据、优化工艺参数及基础理论研究是摆在各国科学家面前的难题,而进一步的产业化,与现有微机械工业接轨也是急需解决的问题。

 

 

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