水溶性型芯配方的混料设计优化
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由于硼酸镁晶 须 价 格 较 高，出 于 对 型 芯 成 本
·８·
华 中 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）
注：ｘ１，ｘ２ 和 ｘ３ 分别为高岭土、硼酸 镁 晶 须 和 硅 藻 土 在 混合料中所占的比例．
本研究采用 ｍｉｎｉｔａｂ软件对试验数据进行统 计和回归分析，并采 用ｔ检 验 和Ｆ 检 验 分 别 对 每
个单独的自变量和回归模型总的回归效果进行显
著性检验．当各项的 Ｐ 值（概 率）小 于 ０．０５ 时，表
明回归模型具有显著性意义．
２ 结果与分析
２．１ 单 因 素 实 验 高岭土、硅藻 土 和 硼 酸 镁 晶 须 对 型 芯 抗 拉 强
度的影响 规 律 见 图 １．从 图 １ 可 以 看 出 ３ 种 物 质 对抗拉强度的影 响 都 有 先 增 大 后 减 小 的 趋 势，其 中硼酸镁晶须的加入量为硅 砂 质 量 的 ７％ 时 型 芯 抗拉强度达到最 大 值；而 高 岭 土 和 硅 藻 土 在 加 入 量为硅砂质 量 的 ３％ ～５％ 时 型 芯 的 抗 拉 强 度 值 就已经达到最大值，且加 入 量 在 ３％ ～５％ 时 强 度 值 相 差 不 大 ．另 外 ，在 不 考 虑 加 入 量 的 情 况 下 比 较 ３种物质对 抗 拉 强 度 的 影 响，可 以 看 出 三 者 的 增 强效果表现为硅藻土＞硼酸镁晶须＞高岭土． ２．２ 混 料 实 验
∑ ｘｉ ≥０ （ｉ＝１，２，…，ｍ）， ｘｉ ＝１． （１） ｉ
对实验所测得的数据可以采用线性模型和二 次 模 型 对 其 进 行 回 归 分 析 ，即 ：
∑ Ｙ ＝ βｉｘｉ； ｉ＝１
（２）
∑ ∑ Ｙ ＝ βｉｘｉ ＋ βｉｊｘｉｘｊ，
ｉ＝１
ｉ＜ｊ
（３）
式中：βｉ 为线性回归系数；βｉｊ为二元回归系数．
ａ．单 因 素 实 验 在硅砂中分别 单 独 加 入 高 岭 土、硼 酸 镁 晶 须 和硅藻土，考察各自加入量ｘｉ 对型芯抗拉强度Ｓｔ 的影响． ｂ．混 料 实 验 混料设计是一种特殊的响应曲面设计方法， 该方法中各因素为混 料 的 各 组 分，响 应Ｙ 则 是 各 组分比例ｘｉ 的 函 数［１１］．混 料 设 计 的 目 的 在 于 建 立响应Ｙ 与组分比例ｘｉ 的数学模型，从而对任意 组 分 比 例 下 的 响 应 进 行 预 测 ．在 混 料 设 计 中 ，各 组 分的比例ｘｉ 必须是非负的，且它 们 的 总 和 必 须 是 １．混 料 约 束 条 件 可 以 表 示 为
造盐 芯 中 应 用 较 少．因 此，本 研 究 引 入 高 岭 土、硅 藻土以及硼酸镁 晶 须 为 粉 末 添 加 剂，考 察 其 对 水 溶性型芯强度的增强效果．
铸造研究领域中普遍采用正交试验来实现配 方的优化，虽然正 交 试 验 也 考 虑 各 因 素 之 间 的 交 互作用，但得到的 结 果 只 是 试 验 水 平 上 的 最 佳 配 比及预测各因素 对 变 量 的 影 响 趋 势，而 混 料 设 计 就是研究配料中 各 试 验 因 素 的 最 佳 配 比 问 题．该 方法可以通过较 少 的 试 验 次 数，利 用 回 归 分 析 建 立连续变量曲线 模 型，对 各 因 素 及 其 交 互 作 用 进 行评 价，得 到 各 因 素 的 最 佳 配 比．为 此，本 研 究 在 单独考察３种粉 末 单 独 增 强 水 溶 性 型 芯 后，进 一
主要实验设备及检测仪器：ＳＡＲ－Ⅱ 智能温控 覆膜砂制样机；ＳＷＹ 液 压 万 能 强 度 试 验 机；ＳＨＹ 树脂砂混砂机，均 为 无 锡 市 三 峰 仪 器 设 备 有 限 公 司产． １．２ 试 样 的 制 备 与 检 测
试样的制备：将 ５００ｇ 硅 砂 与 粉 末 在 混 砂 机 中干混１ｍｉｎ，再加入以４０ｇ Ｋ２ＣＯ３ 和４０ｇ水配 置的 Ｋ２ＣＯ３ 溶液湿 混 ３ ｍｉｎ，待 制 样 机 温 度 达 到 １８０ ℃时开始制样，加热３ ｍｉｎ 后 脱 模 取 出 试 样， 并将型芯置于干 燥 皿 中 备 用．“８”字 试 样 在 ＳＡＲ－ Ⅱ智能温控覆膜 砂 制 样 机 上 制 作 完 成，所 得 型 芯 断 面 尺 寸 为 标 准 “８”字 试 样 断 面 的 １／２．
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｄｅｒ ａｄｄｉｔｉｖｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ Ｋａｏｌｉｎ，ｄｉａｔｏｍｉｔｅ ａｎｄ ｗｈｉｓｋｅｒ，ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｗａｔｅｒ－ｓｏｌｕｂｌｅ ｃｏｒｅｓ．Ｓｉｎｇｌｅ ｆａｃｔｏｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｗｄｅｒｓ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｖｅｓ ｗａｓ ａｌｓｏ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｉｘｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ａ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｗａｓ ｓｅｔ ｕｐ ａｎｄ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｂｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｖａｒｉａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ Ｋａｏｌｉｎ， ｗｈｉｓｋｅｒ ａｎｄ ｄｉａｔｏｍｉｔｅ ｗｉｔｈｏｕｔ ｔｈｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｄｉｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐｏｗｄｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｋａｏｌｉｎ，ｗｈｉｓｋｅｒ ａｎｄ ｄｉａｔｏｍｉｔｅ ｉｓ ０．０∶ ０．４∶０．６，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｒｅａｃｈｅｓ ２．５ ＭＰａ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍｉｘｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ；Ｋａｏｌｉｎ ｃｌａｙ；ｄｉａｔｏｍｉｔｅ；ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｂｏｒａｔｅ ｗｈｉｓｋｅｒ；ｗａｔｅｒ－ｓｏｌｕｂｌｅ ｃｏｒｅｓ
耐 火 度 相 对 较 低 的 无 机 盐 （如 ＫＣｌ，ＮａＣｌ， Ｎａ２ＣＯ３，Ｋ２ＣＯ３ 等）在 铝 合 金 用 水 溶 性 型 芯 中 有 着广泛的应用［１－４］，但 无 机 盐 为 脆 性 材 料，所 制 得 的型芯强度较低，生 产 中 通 过 添 加 粉 末 材 料 如 氧 化镁［３］、粘土 等 ［５－７］ 增强型芯 ．
须３组分配比对 型 芯 强 度 的 影 响，为 此 可 以 以 这
３种组分进 行 混 料 设 计，３ 因 素 配 比 总 和 等 于 １，
具 体 实 验 设 计 方 案 见 表 １．
表 １ ３因素混料实验设计方案及结果
实 验 编 号 ｘ１
ｘ２
ｘ３
Ｓｔ／ＭＰａ
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０
（华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北 武汉 ４３００７４）
摘 要 为 提 高 型 芯 的 抗 拉 强 度 ，以 粉 末 材 料 高 岭 土 、硼 酸 镁 晶 须 以 及 硅 藻 土 为 添 加 剂 ，用 单 因 素 实 验 考 察 了 不 同粉末的增 强 能 力，并 采 用 混 料 实 验 设 计 的 原 理 进 行 配 方 设 计 ，通 过 回 归 分 析 得 到 抗 拉 强 度 与 ３ 组 分 之 间 的 回归方程，方差及残差分析表明该回归模型具有较高 的 显 著 性．实 验 结 果 表 明：在 不 考 虑 加 入 量 的 情 况 下 ，高 岭土、硼酸镁晶须和硅藻土的增强效果依次增加；采用 混 料 设 计 其 复 合 增 强 效 果 更 好 ，且 当 高 岭 土／硼 酸 镁 晶 须／硅藻土３组分的质量比为０．０∶０．４∶０．６时，型芯的增强效果最好，抗拉强度可达到２．５ ＭＰａ． 关 键 词 混 料 设 计 ；高 岭 土 ；硅 藻 土 ；硼 酸 镁 晶 须 ；水 溶 性 型 芯 中 图 分 类 号 ＴＧ２２１ 文 献 标 志 码 Ａ 文 章 编 号 １６７１－４５１２（２０１１）０３－０００６－０４
第３９卷 第３期 ２０１１年 ３月
华 中 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版） Ｊ．Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｓｃｉ．＆ Ｔｅｃｈ．（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．３ Ｍａｒ． ２０１１
水溶性型芯配方的混料设计优化
张 龙 李远才 陈 琦
收 稿 日 期 ２０１０－０６－１８． 作 者 简 介 张 龙 （１９８３－），男 ，博 士 研 究 生 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｅａｒｍａｙ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ．
第３期
张龙，等：水溶性型芯配方的混料设计优化
·７·
步采用混料设计 考 察 它 们 的 复 合 增 强 效 果，以 期 获得最优的水溶性型芯配方．
水溶性型芯配 方 中 包 括 砂、无 机 盐 溶 液 以 及
粉 料 添 加 剂 ，其 中 粉 料 添 加 剂 的 比 例 较 小 ，需 要 采
用极端顶点设计 法 进 行 混 料 设 计，但 粉 料 添 加 剂
比例过小，又难以 用 极 端 顶 点 设 计 法 进 行 混 料 设
计 ．而 本 研 究 旨 在 考 察 高 岭 土 、硅 藻 土 和 硼 酸 镁 晶
Hale Waihona Puke BaiduＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｘｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｍｕｌａ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ－ｓｏｌｕｂｌｅ ｃｏｒｅｓ
Ｚｈａｎｇ Ｌｏｎｇ Ｌｉ Ｙｕａｎｃａｉ Ｃｈｅｎ Ｑｉ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｄｉｅ ａｎｄ Ｍｏｕｌｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）
０ １／３
０ ２／３ １／６ １／２
０ １／６
１ １／２
１ １／３
０ １／６ ２／３ １／２ １／２ １／６
０ ０
０ １／３
１ １／６ １／６
０ １／２ ２／３
０ １／２
１．１４ ２．１０ １．９７ １．６７ １．７９ １．２９ ２．５５ ２．２０ １．４５ １．９９
１ 实验
１．１ 实 验 材 料 与 仪 器 主要 原 材 料：７０／１４０ 目 硅 砂 （内 蒙 古 大 林
产）；无 水 Ｋ２ＣＯ３（分 析 纯，天 津 登 峰 化 学 试 剂 厂 产）；煅 烧 高 岭 土 （４００ 目，河 南 某 地 产 ）、硅 藻 土 （青 岛 三 星 硅 藻 土 有 限 公 司 产 ）；硼 酸 镁 晶 须 （沈 阳 美 西 精 细 化 工 有 限 公 司 产 ）．
抗拉强度测试：将 制 得 的 型 芯 置 于 强 度 试 验 机上 测 量 抗 拉 强 度 Ｓｔ．同 一 配 方 实 验 进 行 ５ 次， 将所测得的５组数据去除最大值和最小值后求得 的平均值即为抗 拉 强 度 值．由 于 所 制 得 型 芯 厚 度 为标准“８”字试样断面厚度的 １／２，因 此 所 得 抗 拉 强度值应为实测强度读数的２倍． １．３ 实 验 方 法
随着航空工业 的 发 展，铸 件 的 复 杂 程 度 越 来 越 高 ，对 型 芯 的 强 度 提 出 了 更 高 的 要 求 ．作 为 粉 末 材料的氧化镁加 入 后，型 芯 中 无 机 盐 晶 粒 得 以 细 化，从而起到了增强的作用 ． ［３］
实验中发现高 岭 土、硅 藻 土 等 粉 末 也 能 起 到 增强 的 效 果．另 外，晶 须 的 增 强 作 用 在 高 分 子 材 料［８］及复合 材 料 行 ［８－１０］ 业 得 到 广 泛 利 用，但 在 铸
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华 中 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）
注：ｘ１，ｘ２ 和 ｘ３ 分别为高岭土、硼酸 镁 晶 须 和 硅 藻 土 在 混合料中所占的比例．
本研究采用 ｍｉｎｉｔａｂ软件对试验数据进行统 计和回归分析，并采 用ｔ检 验 和Ｆ 检 验 分 别 对 每
个单独的自变量和回归模型总的回归效果进行显
著性检验．当各项的 Ｐ 值（概 率）小 于 ０．０５ 时，表
明回归模型具有显著性意义．
２ 结果与分析
２．１ 单 因 素 实 验 高岭土、硅藻 土 和 硼 酸 镁 晶 须 对 型 芯 抗 拉 强
度的影响 规 律 见 图 １．从 图 １ 可 以 看 出 ３ 种 物 质 对抗拉强度的影 响 都 有 先 增 大 后 减 小 的 趋 势，其 中硼酸镁晶须的加入量为硅 砂 质 量 的 ７％ 时 型 芯 抗拉强度达到最 大 值；而 高 岭 土 和 硅 藻 土 在 加 入 量为硅砂质 量 的 ３％ ～５％ 时 型 芯 的 抗 拉 强 度 值 就已经达到最大值，且加 入 量 在 ３％ ～５％ 时 强 度 值 相 差 不 大 ．另 外 ，在 不 考 虑 加 入 量 的 情 况 下 比 较 ３种物质对 抗 拉 强 度 的 影 响，可 以 看 出 三 者 的 增 强效果表现为硅藻土＞硼酸镁晶须＞高岭土． ２．２ 混 料 实 验
∑ ｘｉ ≥０ （ｉ＝１，２，…，ｍ）， ｘｉ ＝１． （１） ｉ
对实验所测得的数据可以采用线性模型和二 次 模 型 对 其 进 行 回 归 分 析 ，即 ：
∑ Ｙ ＝ βｉｘｉ； ｉ＝１
（２）
∑ ∑ Ｙ ＝ βｉｘｉ ＋ βｉｊｘｉｘｊ，
ｉ＝１
ｉ＜ｊ
（３）
式中：βｉ 为线性回归系数；βｉｊ为二元回归系数．
ａ．单 因 素 实 验 在硅砂中分别 单 独 加 入 高 岭 土、硼 酸 镁 晶 须 和硅藻土，考察各自加入量ｘｉ 对型芯抗拉强度Ｓｔ 的影响． ｂ．混 料 实 验 混料设计是一种特殊的响应曲面设计方法， 该方法中各因素为混 料 的 各 组 分，响 应Ｙ 则 是 各 组分比例ｘｉ 的 函 数［１１］．混 料 设 计 的 目 的 在 于 建 立响应Ｙ 与组分比例ｘｉ 的数学模型，从而对任意 组 分 比 例 下 的 响 应 进 行 预 测 ．在 混 料 设 计 中 ，各 组 分的比例ｘｉ 必须是非负的，且它 们 的 总 和 必 须 是 １．混 料 约 束 条 件 可 以 表 示 为
造盐 芯 中 应 用 较 少．因 此，本 研 究 引 入 高 岭 土、硅 藻土以及硼酸镁 晶 须 为 粉 末 添 加 剂，考 察 其 对 水 溶性型芯强度的增强效果．
铸造研究领域中普遍采用正交试验来实现配 方的优化，虽然正 交 试 验 也 考 虑 各 因 素 之 间 的 交 互作用，但得到的 结 果 只 是 试 验 水 平 上 的 最 佳 配 比及预测各因素 对 变 量 的 影 响 趋 势，而 混 料 设 计 就是研究配料中 各 试 验 因 素 的 最 佳 配 比 问 题．该 方法可以通过较 少 的 试 验 次 数，利 用 回 归 分 析 建 立连续变量曲线 模 型，对 各 因 素 及 其 交 互 作 用 进 行评 价，得 到 各 因 素 的 最 佳 配 比．为 此，本 研 究 在 单独考察３种粉 末 单 独 增 强 水 溶 性 型 芯 后，进 一
主要实验设备及检测仪器：ＳＡＲ－Ⅱ 智能温控 覆膜砂制样机；ＳＷＹ 液 压 万 能 强 度 试 验 机；ＳＨＹ 树脂砂混砂机，均 为 无 锡 市 三 峰 仪 器 设 备 有 限 公 司产． １．２ 试 样 的 制 备 与 检 测
试样的制备：将 ５００ｇ 硅 砂 与 粉 末 在 混 砂 机 中干混１ｍｉｎ，再加入以４０ｇ Ｋ２ＣＯ３ 和４０ｇ水配 置的 Ｋ２ＣＯ３ 溶液湿 混 ３ ｍｉｎ，待 制 样 机 温 度 达 到 １８０ ℃时开始制样，加热３ ｍｉｎ 后 脱 模 取 出 试 样， 并将型芯置于干 燥 皿 中 备 用．“８”字 试 样 在 ＳＡＲ－ Ⅱ智能温控覆膜 砂 制 样 机 上 制 作 完 成，所 得 型 芯 断 面 尺 寸 为 标 准 “８”字 试 样 断 面 的 １／２．
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｄｅｒ ａｄｄｉｔｉｖｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ Ｋａｏｌｉｎ，ｄｉａｔｏｍｉｔｅ ａｎｄ ｗｈｉｓｋｅｒ，ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｗａｔｅｒ－ｓｏｌｕｂｌｅ ｃｏｒｅｓ．Ｓｉｎｇｌｅ ｆａｃｔｏｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｗｄｅｒｓ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｖｅｓ ｗａｓ ａｌｓｏ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｉｘｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ａ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｗａｓ ｓｅｔ ｕｐ ａｎｄ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｂｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｖａｒｉａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ Ｋａｏｌｉｎ， ｗｈｉｓｋｅｒ ａｎｄ ｄｉａｔｏｍｉｔｅ ｗｉｔｈｏｕｔ ｔｈｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｄｉｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐｏｗｄｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｋａｏｌｉｎ，ｗｈｉｓｋｅｒ ａｎｄ ｄｉａｔｏｍｉｔｅ ｉｓ ０．０∶ ０．４∶０．６，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｒｅａｃｈｅｓ ２．５ ＭＰａ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍｉｘｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ；Ｋａｏｌｉｎ ｃｌａｙ；ｄｉａｔｏｍｉｔｅ；ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｂｏｒａｔｅ ｗｈｉｓｋｅｒ；ｗａｔｅｒ－ｓｏｌｕｂｌｅ ｃｏｒｅｓ
耐 火 度 相 对 较 低 的 无 机 盐 （如 ＫＣｌ，ＮａＣｌ， Ｎａ２ＣＯ３，Ｋ２ＣＯ３ 等）在 铝 合 金 用 水 溶 性 型 芯 中 有 着广泛的应用［１－４］，但 无 机 盐 为 脆 性 材 料，所 制 得 的型芯强度较低，生 产 中 通 过 添 加 粉 末 材 料 如 氧 化镁［３］、粘土 等 ［５－７］ 增强型芯 ．
须３组分配比对 型 芯 强 度 的 影 响，为 此 可 以 以 这
３种组分进 行 混 料 设 计，３ 因 素 配 比 总 和 等 于 １，
具 体 实 验 设 计 方 案 见 表 １．
表 １ ３因素混料实验设计方案及结果
实 验 编 号 ｘ１
ｘ２
ｘ３
Ｓｔ／ＭＰａ
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０
（华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北 武汉 ４３００７４）
摘 要 为 提 高 型 芯 的 抗 拉 强 度 ，以 粉 末 材 料 高 岭 土 、硼 酸 镁 晶 须 以 及 硅 藻 土 为 添 加 剂 ，用 单 因 素 实 验 考 察 了 不 同粉末的增 强 能 力，并 采 用 混 料 实 验 设 计 的 原 理 进 行 配 方 设 计 ，通 过 回 归 分 析 得 到 抗 拉 强 度 与 ３ 组 分 之 间 的 回归方程，方差及残差分析表明该回归模型具有较高 的 显 著 性．实 验 结 果 表 明：在 不 考 虑 加 入 量 的 情 况 下 ，高 岭土、硼酸镁晶须和硅藻土的增强效果依次增加；采用 混 料 设 计 其 复 合 增 强 效 果 更 好 ，且 当 高 岭 土／硼 酸 镁 晶 须／硅藻土３组分的质量比为０．０∶０．４∶０．６时，型芯的增强效果最好，抗拉强度可达到２．５ ＭＰａ． 关 键 词 混 料 设 计 ；高 岭 土 ；硅 藻 土 ；硼 酸 镁 晶 须 ；水 溶 性 型 芯 中 图 分 类 号 ＴＧ２２１ 文 献 标 志 码 Ａ 文 章 编 号 １６７１－４５１２（２０１１）０３－０００６－０４
第３９卷 第３期 ２０１１年 ３月
华 中 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版） Ｊ．Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｓｃｉ．＆ Ｔｅｃｈ．（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．３ Ｍａｒ． ２０１１
水溶性型芯配方的混料设计优化
张 龙 李远才 陈 琦
收 稿 日 期 ２０１０－０６－１８． 作 者 简 介 张 龙 （１９８３－），男 ，博 士 研 究 生 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｅａｒｍａｙ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ．
第３期
张龙，等：水溶性型芯配方的混料设计优化
·７·
步采用混料设计 考 察 它 们 的 复 合 增 强 效 果，以 期 获得最优的水溶性型芯配方．
水溶性型芯配 方 中 包 括 砂、无 机 盐 溶 液 以 及
粉 料 添 加 剂 ，其 中 粉 料 添 加 剂 的 比 例 较 小 ，需 要 采
用极端顶点设计 法 进 行 混 料 设 计，但 粉 料 添 加 剂
比例过小，又难以 用 极 端 顶 点 设 计 法 进 行 混 料 设
计 ．而 本 研 究 旨 在 考 察 高 岭 土 、硅 藻 土 和 硼 酸 镁 晶
Hale Waihona Puke BaiduＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｘｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｍｕｌａ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ－ｓｏｌｕｂｌｅ ｃｏｒｅｓ
Ｚｈａｎｇ Ｌｏｎｇ Ｌｉ Ｙｕａｎｃａｉ Ｃｈｅｎ Ｑｉ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｄｉｅ ａｎｄ Ｍｏｕｌｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）
０ １／３
０ ２／３ １／６ １／２
０ １／６
１ １／２
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０ １／６ ２／３ １／２ １／２ １／６
０ ０
０ １／３
１ １／６ １／６
０ １／２ ２／３
０ １／２
１．１４ ２．１０ １．９７ １．６７ １．７９ １．２９ ２．５５ ２．２０ １．４５ １．９９
１ 实验
１．１ 实 验 材 料 与 仪 器 主要 原 材 料：７０／１４０ 目 硅 砂 （内 蒙 古 大 林
产）；无 水 Ｋ２ＣＯ３（分 析 纯，天 津 登 峰 化 学 试 剂 厂 产）；煅 烧 高 岭 土 （４００ 目，河 南 某 地 产 ）、硅 藻 土 （青 岛 三 星 硅 藻 土 有 限 公 司 产 ）；硼 酸 镁 晶 须 （沈 阳 美 西 精 细 化 工 有 限 公 司 产 ）．
抗拉强度测试：将 制 得 的 型 芯 置 于 强 度 试 验 机上 测 量 抗 拉 强 度 Ｓｔ．同 一 配 方 实 验 进 行 ５ 次， 将所测得的５组数据去除最大值和最小值后求得 的平均值即为抗 拉 强 度 值．由 于 所 制 得 型 芯 厚 度 为标准“８”字试样断面厚度的 １／２，因 此 所 得 抗 拉 强度值应为实测强度读数的２倍． １．３ 实 验 方 法
随着航空工业 的 发 展，铸 件 的 复 杂 程 度 越 来 越 高 ，对 型 芯 的 强 度 提 出 了 更 高 的 要 求 ．作 为 粉 末 材料的氧化镁加 入 后，型 芯 中 无 机 盐 晶 粒 得 以 细 化，从而起到了增强的作用 ． ［３］
实验中发现高 岭 土、硅 藻 土 等 粉 末 也 能 起 到 增强 的 效 果．另 外，晶 须 的 增 强 作 用 在 高 分 子 材 料［８］及复合 材 料 行 ［８－１０］ 业 得 到 广 泛 利 用，但 在 铸