铸造 李邦盛等微精密铸造工艺研究进展 675 材料,更重要的是该合金表现出了良好的流动性;另性塑料PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)吗。微模型制作 种合金材料是铝青铜,其熔化区间为1020-1040℃,方法:首先利用高精密的磨床,在黄铜上微铣削出微 这种材料的特点是A诹取代了青铜中的Sn,提高了合金的注射成型的镶块,然后微注射成型23 强度和硬度而降低了塑性,提高了铸件的耐蚀性和合金 为使微熔模浸人容易,陶瓷浆料要有良好的流动 的流动性,从而提高了合金的铸造性能。 性和热稳定性,同时为了清理铸件容易,熔模还要有 卡尔斯鲁厄研究所对两种合金在微精密铸造条件下好的溃散性。不同于常规熔模铸造使用的硅酸盐粘结 的流动性进行了测试,流动性试样选择的是10根直径为剂,微精密铸造熔模选用了磷酸盐和石膏作为粘结剂, 100μm、长为9mm的圆棒。试验参数是铸型预热温度选择石英、方石英和熔融石英作为耐火料。陶瓷浆料 分别为700℃和1000℃,充型压力最大为25MPa,得是粘结剂与耐火料的混合物。对于微铸件而言,高轮 出了预热温度和充型压力对液态金属在微细空间流动性廓尺寸精度是必须的,这方面主要通过使用超细(颗 的影响规律。对金基合金而言,在两种型温下流动长度粒尺寸29μm和14μm)的耐火料来保证,无论是对 都随充型压力的增加而增加,只是增加的幅度不同,磷酸盐粘结剂还是石膏粘结剂。磷酸盐粘结剂熔模 700℃时,在2.5MPa压力下,流动长度可达6mm,而具有高的机械强度,适合于微精密铸造制壳,但清理 在100℃,只需04MPa的压力就可达到最大的流动长脱模时比较麻烦,因为不能采用机械或水爆的方法, 度。而对于铝青铜而言,在700℃和1000℃的型温下,所以只能利用氢氟酸溶解磷酸盐型壳,进行化学脱模。 当压力从04MPa增加到2.5MPa时,其流动长度增加很但是,这种化学脱模的方法只适合于贵金属,即金基 小,如图4所示。 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 80买 12-0为粘结剂。虽然石有粘结剂熔模的强度不如磷酸盐粘 o结剂熔模,但其具有非常优异的可溶解性。而且石膏 椅结剂在与购完菜料混合时,及后续的烧结过程当中 0.51.01.520 同时, Baumeister等人也研究了两种不同铸型对微 压力/MP a) Stablilor G合金,中100pm (b)A-青铜合金,中100pm 铸件表面粗糙度的影响,给出了三种改进铸型表面粗糙 图4两种铸造合金流动性的测试结果国 度的方法:在塑料模型表面涂覆超细陶瓷粉;微熔模型 length of two mctal 壳焙烧后,渗透超细陶瓷悬浮液到铸型型腔表面;在配 韩国的 SChung等人选用的铸造合金是低熔点的铋制陶瓷浆料的时候,利用超细的陶瓷粉对微熔模进行改 合金,其熔点只有150℃,浇注温度也只有170℃,这性处理叫。结果表明,通过改进处理,微铸件的表面质 是因为试验使用的硅树脂橡胶铸型的最高耐热温度仅量得到明显改善。其中,第三种方法作用最明显,表面 为200℃网。 粗糙度R由改进前的113μm减小至044umo 日本的 Hiroyuki Noguchi等选择的是熔点只有300℃32感光树脂模型及橡胶铸型 的纯锡,无疑是着眼于其低的熔点和纯金属熔体良好 LG-RPC中心的 Chung等人在制作微铸型时,利用 的流动性 微立体光刻成型工艺( Micro Stereo Lithography 3微熔模和微铸型的材料选择及制作MSL),该工艺是利用了感光树脂在紫外光照射下固化 工艺 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 对尺寸范围在微米尺度的微铸件而言,由于不能聚合物微铸件,然后以这个聚合物结构作为母模,在 进行后续加工,所以优异的表面质量和尺寸精度是非真空环境中压入弹性聚合物中,这样就得到了一个具 常重要的,这就对微铸型提出了非常苛刻的要求,各有微铸件结构型腔的微弹性铸型。 国的科学家都采用了不同的材料和方法各自制备了适 hung等人制作的微铸型最大的特点是具有弹性 合微精密铸造工艺的微铸型。 不同于常规的刚性铸型,这种特性降低了微铸件脱模 3.1热塑性模型及陶瓷铸型 的难度,确保了微铸件尺寸和表面质量。弹性聚合物 传统熔模铸造使用的模型都是蜡模,但是蜡的机的选择是关键因素,研究者提出了两种材料备选,分 械强度较低,当模型的尺寸小至微米尺度时,蜡模不别是聚亚胺酯(PU人造橡胶和硅树脂( silicone)橡 能承受陶瓷浆料的压力而破裂或变形,故对微精密铸胶,两者的不同之处在于前者是以碳元素为主体,而 造工艺,蜡模不再适用。卡尔斯鲁厄研究所的后者是以硅元素为主体。不同的成分造成性能的差异 Baumeister等人选用了具有高强度的可高温热解的热塑测试表明:硅树脂橡胶的表面能比聚亚胺酯人造橡胶铸造 李邦盛等：微精密铸造工艺研究进展 材料【21]，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I生，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 }生进行 了测试 ，流动性试 样选择 的是 l0根 直径为 100Ixm、长为9Ffnn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 。 100 80 o o 20媛 压力／MPa 压力／MPa (a)StablilorG合金 ，O1001xm (b)Al一青铜合金 ，O1001xm 图4 两种铸造合金流动性 的测试 结果㈣ Fig．4Testresultofflow lengthoftwomemlm eltsduringform fillingn4] 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℃fl91。 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 。 3 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。 3．1 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[22-241。 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2．9 m和1．4txm)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 。 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 由改进前 的 1．13 m减小 至0．44Ixm。 3．2 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 中压人弹性聚合物中，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 维普资讯 http://www.cqvip.com