收稿：96 年 06 月 14 日 初審：96 年 10 月 24 日 －31－
聚乙烯醇添加劑對精密鑄造陶殼模性能
之影響
陳力群*‧莊勝傑**‧楊國和* *高雄應用科技大學模具工程系 **漢翔航空工業股份有限公司Effects of PVA Polymer Additive on the Properties of Ceramic Shell Mold
By L. Q. Chen*, S. J. Zhuang**, Koho Yang*
*Department of Mold and Die Engineering, National Kaohsiung University of Applied Sciences **Aerospace Industrial Development Corporation
摘 要
本研究在製作陶殼模用之面漿與背漿中，以聚乙烯醇(PVA)為添加劑，分別探討其對陶 殼模濕態、高溫、殘留破斷強度與透氣度之影響，並與未添加 PVA 陶殼模作比較。 研究結果顯示：PVA 添加劑添加於面漿及背漿時，陶殼模之濕態強度隨著添加量的增 加而增加，而高溫強度及殘留強度則隨 PVA 添加劑添加量的增加而下降。使用高溫透氣度 試驗機量測 PVA 添加劑分別添加於面漿及背漿陶殼模的透氣度，結果發現，添加於面漿 時，對整體陶殼模透氣度並無太大的影響；添加於背漿時，則隨添加量的增加，陶殼模透 氣度有明顯的改善。 關鍵詞：精密鑄造、PVA 添加劑、陶殼模性能ABSTRACT
In this study, PVA polymer was added on the primary and backup slurries to produce the ceramic shell mold. Effects of the PVA polymer additive on the green strength, hot strength, fired strength and permeability of the ceramic shell mold was studied. In addition, the basic properties of the non-PVA polymer added ceramic shell mold were also compared.
Experimental results showed: The green strengths of the ceramic shell mold were increased, both the hot strength and fired strength were decreased, with the addition of the PVA polymer on the primary and backup slurries. As to the high temperature permeability of the ceramic shell mold, no significant effect was found when PVA polymer was added on the primary slurry, but, the permeability was greatly improved when PVA polymer was added on the backup slurry. Key words: investment casting, PVA additive, ceramic shell mold properties
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一、前 言
聚乙烯醇( P VA ) 為一水溶性高分子材 料且具黏結及溫度超過 200℃會氣化之特 性，在其他領域的應用已有不錯的成果；如 在製作薄膜微過濾系統，使用 PVA 作為黏結 劑，將氧化鋁粉末預混於黏結劑中，使用浸 漬塗層或是沉積方式，將粉體被覆在介質 上，被覆數層後，待其乾燥，經燒結後產生 具有孔隙之薄膜(1~3)；又如利用粉末冶金方 法，在常溫下，運用 PVA 的黏結性與塑化劑 功能將粉體連結成塊狀或片狀，經燒結後， PVA 高分子材料氣化，使原本相互連結的粉 體，產生具有多孔性之材料(4)。若應用於精 密鑄造，添加於泥漿中，對陶殼模的基本性 能與陶殼模破斷強度(modulus of rupture， MOR)及在高溫燒結時，對陶殼模透氣度 (permeability)的影響將如何，是頗值得探討的 課題。 本研究目的即在探討 PVA 添加於泥漿 中，對陶殼模基本性能的影響，探討 PVA 添 加對陶殼模濕態強度(green strength)、高溫強 度(hot strength)、殘留強度(fired strength)及高 溫透氣度的影響，期對陶殼模性能有改善的 作用。二、實驗方法
2.1 實驗步驟 實驗流程如 Fig.1 所示。面漿及背漿預混 後(5~6)，倒入滾筒的同時，將 PVA 溶液依所 需比例( 面漿 3%、6%、9%、12%，背漿 4%、 8%、12%)同時加入滾筒中，封蓋後置於水平 攪拌機上攪拌，待面漿與背漿達所需的黏度 值，即移至自轉桶進行陶殼模試片的製作。 2.1.1 破斷強度試驗 封漿後之陶殼模試片乾燥後，不經燒 結，在室溫下量測之破斷強度定義為濕態強 度；將陶殼模試片加熱至 900℃，持溫 2h 後 所量測之破斷強度定義為高溫強度；將陶殼 模試片經 900℃燒結 2h，再空冷至室溫後量 測破斷強度定義為殘留強度。 陶殼模破斷強度(MOR)量測示意圖如 Fig.2，如公式(1)式所示： 22
3
bd
WL
M =
………(1) M=破斷強度(kg/mm2) W=破斷負荷(kg) L=支撐點間距(60mm) b=試片寬度(mm) d=試片平均厚度(mm)Fig.1 Flow chart for studying effect of adding PVA in ceramic shell mold
Fig.2 Schematic diagram for measuring modulus of rupture(8)
－33－ 2.1.2 高溫透氣度試驗 實驗試片如 Fig.3 所示，是利用蠟製作成 乒乓球的外形，達到固定體表面積及方便量 測目的，再與石英管作接合，一同與蠟模試 片進行沾漿、淋砂，於封漿後乾燥 24h，置 入高壓蒸氣脫蠟機中進行脫蠟，脫蠟完成 後，先置於室溫下 24h，再移置高溫透氣度 試驗機(如 Fig.4)，進行透氣度試驗，溫度從 200℃到 1000℃，每 100℃為加熱區間，持溫 2h，記錄該溫度區間之壓力與流量。
Fig.3 Schematic diagram for shell permeability test piece assembly
Fig.4 Schematic diagram for permeability testing apparatus
1.pressure meter 2.flow meter 3.temperature controller 4.power 5.high temp furnace 6.specimen
陶殼模透氣度計算公式(7~8)，在量測陶殼 模通過的氣體流量，配合陶殼模厚度、陶殼 模體表面積與通入固定壓力四者來計算測陶 殼模透氣度，如公式(2)式所示：
PA
t
K
=
(
θ
/
)
δ
………(2) K=陶殼模透氣度(cm4 / min‧ ) kg θ/t=通過陶殼模的氣體流量(cm3/min) δ=陶殼模平均厚度(cm) P=氮氣壓力(MPa) A=陶殼模內表面積(cm2) 2.2 環境條件 實驗環境控制如下： 室溫：21±1℃ 溼度：60±5% 風扇調整控制空氣流通 實驗室利用冷氣使室溫維持在一定溫 度、濕度範圍，藉由風扇帶動空氣流通，將 實驗之環境參數固定。三、結果與討論
3.1 添加劑對陶殼模破斷強度(MOR)之影響 3.1.1 PVA溶液添加於面漿 實驗採用面漿的粉體為鋯粉，而背漿粉 體為馬來粉，面漿部份為含有 PVA 材料之面 漿，背漿部分為未添加 PVA 材料之背漿。 Fig.5~Fig.7 分別為 PVA 添加於面漿層 之含量對濕態破斷強度、高溫破斷強度及殘 留強度的關係。在濕態強度方面，面漿層因 添加 PVA，其濕態破斷強度隨之增加，當添 加量添加至 6%左右時，濕態破斷強度已趨於 平緩的狀態，如 Fig.5 所示。主要原因為面漿 內的鋯粉表面與 SiO2和 PVA 已達飽和的均勻 分佈，已無法再附著上任何的 PVA 作連結的 效果。 高溫破斷強度方面，在濕態的 PVA 對粉 體有連結的效果，在 900℃的高溫下，PVA 已氣化消失，在陶殼模中，形成空孔，因此 對陶殼模高溫破斷強度有降低的趨勢。在殘 留強度方面，由於 PVA 在高溫下氣化，當陶 殼模降至室溫時，所量測殘留破斷強度與高－34－ 溫破斷強度有類似的趨勢，如 Fig.6 與 Fig.7 所示。 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 3 6 9 12 PVA(%) G re en str engt h ( kg/ m m 2)
Fig.5 Effect of PVA polymer additive on the green strength of the primary slurry
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0 3 6 9 12 PVA(%) H ot str en gth ( k g/ m m 2)
Fig.6 Effect of PVA polymer additive on the hot strength of the primary slurry
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0 3 6 9 12 PVA(%) Fire d stre ng th ( k g/ m m 2)
Fig.7 Effect of PVA polymer additive on the fired strength of the primary slurry
3.1.2 PVA溶液添加於背漿 實驗採用面漿部份為未添加 PVA 材料之 面漿，背漿部分為添加 PVA 材料之背漿。 背漿層的功能為陶殼模主要強度來源， 藉由背漿被覆在已乾燥之面漿層上，表面再 淋上背砂，乾燥後，依序再沾附上後續之背 漿層與背砂，背漿層層數的依據取決於鑄件 的大小。本研究採相同層數之背漿層，藉以 比較不同 PVA 添加量，所造成破斷強度的差 異。由 Fig.8 可看出背漿層中，隨著 PVA 添 加量的增加，濕態破斷強度亦隨之增加，並 未呈現如面漿層相同的趨勢，推測原因為背 漿粉液比(1：2)較面漿粉液比(1：3.8) 低，其 背漿中粉體附著 PVA 的數量將相對多於面漿 粉體吸附 PVA 的數量；且由濕態破斷強度的 曲線可看出，隨著 PVA 添加量的增加，濕態 破斷強度隨之增加，尚無呈現出平緩的趨 勢，即表示粉體表面與 SiO2和 PVA 尚未達到 飽和的附著。在高溫破斷強度，由於 PVA 在 高溫下氣化的關係，造成陶殼模孔隙增加， 相對造成高溫破斷強度降低，在殘留強度亦 有相同的趨勢，如 Fig.9、Fig.10 所示。 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0 4 8 12 PVA(%) G re en stre ng th ( kg /m m 2)
Fig.8 Effect of PVA polymer additive on the green strength of the backup slurry
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0 4 8 12 PVA(%) Ho t s tre ng th ( kg /m m 2)
Fig.9 Effect of PVA polymer additive on the hot strength of the backup slurry
－35－ 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0 4 8 12 PVA(%) Fi re d stre ng th ( kg /m m 2 )
Fig.10 Effect of PVA polymer additive on the fired strength of the backup slurry
3.2 PVA 添加劑對陶殼模透氣度之影響 陶殼模在金屬澆鑄時，透氣度的要求是 相當重要的。陶殼模透氣度是指氣體通過陶 殼模壁的能力，雖然陶殼模殼壁薄但結構緻 密，其透氣度遠低於普通砂模。透氣度不好 的陶殼模在澆鑄時，由於陶殼模中的氣體不 能順利地向外排出，在高溫下這些氣體膨脹 從而形成較高的氣體壓力，阻礙金屬液充 填，使鑄件產生氣孔或澆鑄不足等缺陷，特 別是薄壁鑄件常出現此種缺陷(7)。 實驗以高溫透氣度試驗機量測通過陶殼 模氣體流量，並配合公式(2-2)式計算陶殼模 透氣度。PVA 分別添加在面漿與背漿中，所 造成的透氣度的影響，在面漿部分，面漿層 隨著 PVA 添加量增加，陶殼模開始有些許的 變化，面漿層在整體陶殼模而言，為最不透 氣的部分，藉由添加 PVA 在高溫下氣化的關 係，使得面漿層增加透氣行為，可將氣體壓 至背漿層，在金屬澆鑄時，可使鑄件不因排 氣問題，造成鑄件成品不良。Fig.11、Fig.12 分別為面漿層與背漿層在不同 PVA 添加量下 之陶殼模燒結溫度與透氣度關係。在面漿部 分，隨著燒結溫度的增加，陶殼模透氣度逐 漸下降；且增加 PVA 於陶殼模的添加量，會 使透氣度增加。在 900~1000℃下，其透氣度 增加最大幅度為未添加的 1.1 倍，如 Fig.11 所示。 在背漿層部分，由於背漿層相對於面漿 層而言，屬於鬆散的結構，已有部分孔洞存 在，對陶殼模已有透氣度，藉由添加 PVA， 對原本未添加之陶殼模，有明顯增加其透氣 度，在 900~1000℃下，所增加之最大幅度為 原來未添加的 1.5 倍，如 Fig.12 所示。 0.58 0.68 0.78 0.88 0.98 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Firing temperature(℃) P er m ea bi lity (c m 4/k g． mi n) non-added 3%PVA 6%PVA 9%PVA 12%PVA
Fig.11 Relationship between the permeability of PVA-added primary slurry and the firing temperature 0.58 0.68 0.78 0.88 0.98 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Firing temperature(℃) P erme ab ility (c m 4/k g． min ) non-added 4%PVA 8%PVA 12%PVA
Fig.12 Relationship between the permeability of PVA-added backup slurry and the firing temperature
四、結 論
1.PVA 溶液添加於面漿時，可增加陶殼模濕 態破斷強度，但會降低陶殼模高溫破斷強 度及殘留破斷強度。 2.PVA 溶液添加於背漿時，可增加陶殼模濕 態破斷強度，但會降低陶殼模高溫破斷強 度及殘留破斷強度。－36－ 3.對陶殼模透氣度的影響，不論 PVA 添加在
面漿與背漿中，透氣度隨著 PVA 添加量增 加而上升。
五、參考文獻
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