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1、轮胎铸造用模具石膏的研究与应用 摘 要：汽车轮胎成型用金属模材质为铝合金，用石膏型铸造能够正确复制出轮胎的复杂结构。但单纯使用-半水石膏不能进行石膏型铸造，因为半水石膏在烘干过程中脱水，线收缩增加，裂纹增大。因此纯石膏只有通过添加某些在加热时能产生相变膨胀的材料才能使石膏造型具有一定的强度、透气性、耐膨胀收缩性、表面光洁，从而满足铸型的各种机械、物理和工艺性能要求。本文通过对不同类型石膏及其混合料热膨胀特性、强度、抗裂纹倾向性等性能的研究实验，分析了填料及添加剂对石膏混合料性能的影响，研制成轮胎铸造用石膏模具，并且成功运用于生产实践。关键词：轮胎铸造 石膏模具 配方研究 应用实践1、前言快速原
2、型技术目前在模具制造业得到大量的应用，主要可以分为直接模具制造和间接模具制造。目前虽然直接金属模具制造是研究的热点，也是发展的趋势，但因精度、成本和模具尺寸、结构等问题限制了其应用。在基于快速原型的快速模具制造工艺中，间接制模技术，尤其是RT 技术与铸造技术相结合，发挥出了强大的生命力。RT 原型技术与石膏型精密铸造相结合主要有两种途径：一种是以原型作为母模或硅橡胶中间转化模进行石膏型精密铸造；另一种是采用RT 原型作为主模型翻制硅橡胶，再采用硅橡胶翻制蜡型或直接制造蜡型，然后进行石膏型熔模铸造。汽车轮胎金属模是石膏型精密铸造的最大应用领域，轮胎成型用金属模材质为铝合金，用石膏型铸造能够正确复
3、制出轮胎的复杂结构。由于轮胎是大批量、多品种的产品，故要短时间、低成本地制造出轮胎金属模。石膏型铸造与RT原型技术相结合用来铸造轮胎金属模，铸出的金属件具有表面粗糙度值低、尺寸精度高、变形小等特点，可以大幅度缩短制造周期，降低成本，实现复杂型腔模具的近净成形。单纯使用-半水石膏不能进行石膏型铸造，因为半水石膏在烘干过程中脱水发生相变：在150200时脱水收缩；在超过400时线收缩急剧增加，裂纹倾向增大；700时-半水石膏线收缩率达10%以上。因此纯石膏只有通过添加某些在加热时能产生相变膨胀的材料才能使石膏造型具有一定的强度、透气性、耐膨胀收缩性、表面光洁，从而满足铸型的各种机械、物理和工艺性能
4、要求。本文通过对不同类型石膏及其混合料热膨胀特性、强度、抗裂纹倾向性等性能的研究实验，分析了填料及添加剂对石膏混合料性能的影响，研制成轮胎铸造用石膏模具并成功运用于青岛软控股份有限公司制作铝合金模的生产。2、轮胎铸造石膏模具的技术要求2.1轮胎铸造石膏模具制作工艺过程轮胎铸造石膏模具成型所用的模具石膏，是针对经过搅拌后的轮胎铸造石膏料浆（最好真空搅拌）浇注在预先加工好的硅橡胶模具上，待反应硬化成型后取出硅橡胶模，然后将石膏模烘干，将熔炼好的铝合金或者其它金属液浇注到石膏模内，金属凝固后清理掉石膏，精密的轮胎铸件就完成了。轮胎铸造石膏模具制作过程如下：制硅橡胶母模（代木） 精修 浇注硅橡胶模 配
5、混硅橡胶 硅橡胶模固化 卸真空拔出硅橡胶模 抽真空 精修硅橡胶模 石膏粉 水刷涂料装底板 浸泡、搅拌浇注石膏浆成型 铝合金熔化 抽真空自然硬化 拔出硅橡胶模 石膏模具烘干 浇注 卸真空后清理 合格铝轮胎模具 精修及检查 喷砂及打磨 去浇胃口2.2轮胎铸造石膏粉性主要的性能指标要求轮胎铸造石膏模具不同于普通模具，对轮胎铸造石膏粉的性能有特殊的要求，主要体现在凝结时间、膨胀系数、强度、耐高温等方面。2.2.1凝结时间轮胎铸造石膏模具粉的凝结时间主要体现在初凝方面，如果初凝时间太短，石膏料浆由于真空搅拌不充分，容易出现气泡和大通孔，模具在吹入压缩空气时，由于出气不均匀，容易造成坯体脱模不均匀，形成坏
6、坯；但初凝时间过长，又会造成劳动效率低、且造成电力资源浪费，影响模具的产量。根据实际情况，初凝时间一般控制在10-15分钟左右为好。2.2.2 强度在利用轮胎铸造石膏模具进行产品生产时，是将石膏浆浇注在橡胶模具内，为便于脱模、修补、拼接，因此硅橡胶轮胎石膏模具必须具有较高的强度，2小时抗折强度应在2.0Mpa左右。2.2.3 膨胀系数在利用硅轮胎铸造石膏模具进行产品生产时，由于该产品对尺寸的要求较严格，因此必须合理控制轮胎铸造石膏模具粉的膨胀系数，膨胀系数应控制在0.16%左右。2.2.4 耐高温轮胎铸造石膏模具由于需要在高温220烘干并在铝液温度660以上浇注，因此高温无裂纹、不开裂、不与铝
7、液发生化学反应生成其它物质成为其模具成功的关键。3轮胎铸造石膏模具粉的研究3. 1石膏粉对模具的影响3.1.1石膏晶型轮胎铸造石膏模具所使用石膏粉是影响硅橡胶轮胎石膏成型模具使用的最主要因素之一，而影响石膏粉性能的主要因素在于石膏晶型的不同。半水石膏有两种晶型：型和型（见图1）。型石膏是由二水石膏（CaSO42H2O）在水蒸气中加压、加热而得到的半水石膏，型（晶体见图1）石膏是由二水石膏（CaSO42H2O）在空气中加热而得到的半水石膏。型晶体一般是致密的、完整的粗大的原生颗粒，晶体呈圆柱状或者针状，主要区别在于一个为湿法工艺（晶体见图2），一个为块状蒸压工艺（晶体图3），该类晶体颗粒大比表面
8、积小，用水量小；型晶体多为片状、不规则晶体，由细小的单个晶粒组成的次生颗粒，比表面积大，用水量大。国外多采用型石膏作为铸造用石膏，国内一般采用型、型混合石膏。针对轮胎铸造石膏模具的技术要求，本配比采用湘福建材所生产高纯度石膏粉型 图1 液相法型图2 固相法见图3 3.1.2石膏纯度天然石膏中常夹杂有黏土、砂、碳酸钙、黄铁矿等杂质。这些杂质，降低了二水石膏的含量，在半水石膏凝结过程中，这些杂质起到填料的作用。在成型工艺中由于这些杂质的存在，轮胎铸造石膏工作模表面易会出现析出物，在高温铝液浇注下易发生化学反应，工作面上就会出现凸凹不平的现象。这严重影响了模具表面光洁度，况且，杂质本身的存在就降低了
9、石膏纯度，造成了石膏粉强度的降低。因此，硅橡胶轮胎石膏粉必须要有较高的纯度，一般应在95%左右。为达到提高石膏矿石纯度的目的，可以通过破碎、拣选、冲洗等途径将矿石提纯，以减少杂质对硅橡胶轮胎石膏模具的影响。3.1.3石膏细度石膏粉细度同样对硅橡胶轮胎石膏模具的使用有着重要的影响。石膏粉过粗，模具表面凸凹不平，使坯体表面粗糙，影响成品美观；但颗粒过细（比表面积1500cm2/g），由于产生较大晶体应力，强度下降，同样造成模具强度下降。本配比采用300目筛余小于3%的高纯度石膏粉，不但能够使模具内表面有较好的手感，且有较高的强度。3.2添加辅助材料对模具的影响由于轮胎铸造石膏模具需要在高温铝液下浇
10、注，因此耐高温不开裂成为轮胎石膏模具的一个重要指标。由于纯石膏模具在不同温度下会脱水重新转化为不同的物质，晶型发生相变。反应变化如下：CaSO42H2O 120-140 CaSO41/2H2O 190-230 CaSO4400 CaSO4 1180 CaSO4由于石膏相变时收缩大(见表1)，热传导率又小，当快速升温时，表面急剧收缩而里层体积不变，极易出现裂纹或表面脱落。同样在快冷时表层受冷收缩里层尚未收缩亦易出现裂纹。因此必须对此进行改性。赔烧温度对石膏的收缩率的影响见表1和曲线图4；表1温度2280600660720780840线膨胀率%0.36-0.17-3.56-6.95-9.18-10
11、.16-9.72曲线图4 从表1和曲线图4能明显的看出石膏粉在760时线膨胀率在-10%左右。对其进行改性的方法就是寻找轮胎铸造石膏在220温度下能发生体积膨胀的原料，以弥补石膏的体积收缩。通过查阅大量的资料，反复的实验找到了一系列的在此温度下体积膨胀的原料，实验结果比较好的有：高岭土、莫来石、叶腊石、方石英、石英等原料。它们在高温下的体积膨胀和相关参数见下面的表格或曲线：3.2.1高岭土在高温赔烧下的收缩膨胀曲线见图5： 图53.2.2、莫来石、石英在高温赔烧下的线膨胀率曲线图6；图6 3.2.3、方石英是石英在一定温度下的变体(见下表2),它在180270的线膨胀率是2.8%,，方石英具有
12、良好的高温抗变形能力，在加热过程中线膨胀率较小，变化较平稳,是理想的铸粉填料。石英晶型转化中的体积变化 表2晶型转变温度()体积膨胀(%)-石英石英-石英5730.82石英磷石英石英87016.0磷石英方石英磷石英14704.7方石英熔融石英方石英17130.1磷石英磷石英磷石英1630.2磷石英磷石英磷石英1170.2方石英方石英方石英180-2702.83.3轮胎铸造石膏粉的研制通过对高岭土、莫来石、叶腊石、方石英、石英等原料高温下的体积膨胀和相关参数研究，对石膏粉冷态性能的改性我们着重研究了石英、方石英对石膏标准稠度、凝结时间、2h抗折强度的影响。见下表3、表4：表3石膏石英（%）水膏比
13、（%）标准稠度直径（mm）凝结时间2h湿抗折强度mpa初凝min终凝min1000411106205.057030411107223.586040411107232.95050411108252.154060411109261.630704111011290.9520804111014340.57表4石膏方石英（%）水膏比（%）标准稠度直径（mm）凝结时间2h湿抗折强度mpa初凝min终凝min1000411106205.057030411187213.636040411209232.9550504112210252.4740604112211281.9830704112212301.3120804112214320.73从上面的表格可以明显的看出：A、在实验范围内，石英对石膏的标准稠度水膏比没有影响，方石英会降低标准稠度水膏比，但当
