涂料和砂添加劑作為整體解決方案使鑄件無(wú)缺陷及無(wú)殘余物

　　Dr. Reinhard Stötzel* Dr. Christian Koch* 劉生銀**

　　*ASK Chemicals，希爾登 ** 亞世科化學(xué), 中國(guó)

　　摘要：通過(guò)新涂料和添加劑的研發(fā)，鑄造廠能夠以不那么復(fù)雜的方式生產(chǎn)無(wú)缺陷和殘余物的鑄件，同時(shí)負(fù)面影響更小，甚至可以生產(chǎn)沒(méi)有涂層的鑄件。

　　關(guān)鍵字： 造型和砂芯涂料, 浸涂, 鑄造廠, 性能, 鑄件缺陷。

　　1. 簡(jiǎn)介

　　由于市場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)優(yōu)良鑄件的需求量很大，因此產(chǎn)能和鑄件質(zhì)量成為企業(yè)的重中之重。通過(guò)優(yōu)化鑄造工藝，特別是利用砂芯和造型涂料或砂添加劑等方法，將可持續(xù)發(fā)展的解決方案與目標(biāo)實(shí)現(xiàn)迅速匹配，是構(gòu)建全新理念的當(dāng)務(wù)之急。

　　鑄造廠至關(guān)重要的是深層了解鑄造工藝流程及其自身提升服務(wù)水平的能力(降低成本、提高生產(chǎn)效率、適應(yīng)性和質(zhì)量)。成功的鑄造廠會(huì)利用杠桿原理的潛能：即利用小的變動(dòng)，引發(fā)大的效應(yīng)。正確甄選和使用砂添加劑及涂料便是這些杠桿之一。

　　制芯車間或造型線用的砂添加劑和涂料成本僅約占鑄件總成本的1%。 但是甄選不當(dāng)或利用不合適的涂料能導(dǎo)致產(chǎn)生大量鑄件清理費(fèi)用，這會(huì)增加高達(dá) 5-10% 的鑄造成本。

　　2. 方法與結(jié)果

　　采用化學(xué)粘接劑的砂芯生產(chǎn)鑄鐵件時(shí)，脈紋(亦稱飛邊毛刺)是長(zhǎng)期必然存在的問(wèn)題。汽缸體和汽缸蓋在油道和水套的狹窄通道中會(huì)產(chǎn)生脈紋，這些脈紋很難消除，并且可能會(huì)導(dǎo)致堵塞和引擎發(fā)動(dòng)失敗。 通風(fēng)式制動(dòng)剎車盤可能會(huì)在“通風(fēng)口”產(chǎn)生脈紋，這也很難消除，并且可能會(huì)導(dǎo)致剎車盤在使用過(guò)程中受熱不均和發(fā)生扭曲。 許多類型鑄件(采用砂芯和不規(guī)則幾何形狀或不適宜的砂鐵比)都可能會(huì)出現(xiàn)脈紋缺陷。脈紋一直被人們稱作“膨脹性缺陷”，這與硅砂在澆注過(guò)程中通過(guò)液態(tài)金屬受熱產(chǎn)生非線性膨脹有關(guān)。

　　硅砂經(jīng)過(guò)從α石英(低)到β乙型石英(高)這一晶體結(jié)構(gòu)的變化，會(huì)迅速膨脹，然后緊縮，再進(jìn)一步膨脹，隨之石英轉(zhuǎn)變成鱗石英，再轉(zhuǎn)變成方石英。 這種不均衡膨脹及緊縮是相對(duì)其他膨脹更均勻且速率更低的鑄造用砂來(lái)講的(參見(jiàn)圖 1)

　　解決脈紋問(wèn)題的方法可謂多種多樣。(3)可以用其他砂子完全或部分替代高純度硅砂，如湖砂或河砂、鋯砂、鉻鐵礦砂、橄欖石砂、熔融石英或人造砂等。 這些材料的速率較低且更均衡的膨脹可以最大限度降低或消除脈紋。 但是，與硅砂相比，這些材料還是較為昂貴，并且可能會(huì)給造型或制芯帶來(lái)其它問(wèn)題。

　　圖 1 這些是各種鑄造砂的受熱膨脹曲線

　　砂添加劑一直廣泛用于脈紋控制。 這些砂添加劑歸屬于不同類別，具體取決于其化學(xué)特性和活躍性。 氧化鐵過(guò)去是首選的砂添加劑(4).之一。 氧化鐵會(huì)略微減少脈紋數(shù)量，因?yàn)榉磻?yīng)過(guò)程中它們會(huì)丟失氧，并且還會(huì)對(duì)砂粒表面產(chǎn)生“淡化”或軟化效果。 氧化鐵紅(即三氧化二鐵，F(xiàn)e2O3)的通常用量為 1-2%，效果非常好，但是會(huì)影響造型和制芯的強(qiáng)度。 氧化鐵黑(即四氧化三鐵，F(xiàn)e3O4)效果可能就沒(méi)那么明顯，用量可以為 1 – 4%。 與其他砂添加劑(5).結(jié)合使用，氧化鐵紅也非常有效。 但是，由于某些粘合劑體系呈酸性，因而氧化鐵與這些體系的兼容性有限。

　　還可以使用用量相對(duì)較低(0.5 – 2%)的有機(jī)材料，如糊精、淀粉和木粉。 溫度升高時(shí)，這些有機(jī)材料會(huì)燃燒，提供減容和“緩沖”。 這些材料，如氧化鐵可能會(huì)對(duì)造型/制芯強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，因?yàn)椴牧系牧６仍叫?，需要的樹脂越多，?qiáng)度就越小。 已研發(fā)出工程用砂添加劑 (ESA) 來(lái)解決氧化鐵和淀粉類物質(zhì)帶來(lái)的某些負(fù)面問(wèn)題。 這些砂添加劑與砂的粒度大小更為相似，對(duì)造型/制芯強(qiáng)度影響相對(duì)較小。 但是，通常需較高用量才能對(duì)脈紋抑制起作用。

　　ESA 類型之一為空心球狀(6)。 受壓時(shí)，這些空心球狀 ESA 會(huì)凹陷，提供減容和緩沖。 溫度升高時(shí)，其他 ESA 的膨脹速率較低，據(jù)說(shuō)可以充當(dāng)助熔劑。

　　還使用了其他策略。 憑借其薄膨脹層面和隔離效果，造型或制芯表面的涂料或涂層可降低熱量向周圍砂粒傳播的速度，也會(huì)起到一定抗脈紋作用。 可以使用更為粗糙的砂粒來(lái)減小砂芯密度，以便為膨脹留出空間。 也可在低于正常熔斷壓力的情況下熔斷砂芯，以便特意生成低密度砂芯，從而為膨脹留出空間。

　　3. 脈紋評(píng)測(cè)

　　數(shù)年來(lái)一直致力于測(cè)試鑄件的開(kāi)發(fā)，以便評(píng)測(cè)不同砂和粘合劑體系(7).的脈紋特征。 通常使用的測(cè)試鑄件有兩種： 塔輪式或 2x2(50 毫米x50 毫米)滲透鑄件式。 塔輪式砂芯和鑄件如圖 2 所示，2x2 式滲透造型、砂芯和鑄件截面如圖 2 所示。

　　圖 2 上圖所示分別是塔輪模芯(左)、鑄件(中)及鑄件截面

　　脈紋程度由外觀決定，并予以 1 至 5 的數(shù)字評(píng)級(jí)，1 級(jí)表示外觀上沒(méi)有脈紋，5 級(jí)表示呈現(xiàn)出非常嚴(yán)重的脈紋。 雖然該評(píng)測(cè)方法帶有一定程度的主觀因素，但是通過(guò)識(shí)別嚴(yán)重程度和脈紋位置及使用加權(quán)公式來(lái)計(jì)算脈紋“分?jǐn)?shù)”可以實(shí)現(xiàn)額外量化。

　　Giese 和 Thiel(8). 的研究表明“缺陷分析技術(shù)作為評(píng)估鑄造材料以防止砂芯相關(guān)缺陷方面的評(píng)估工具被證明是可行的程序。”

　　2x2 式鑄件測(cè)試具有以下優(yōu)勢(shì)：雖然通常測(cè)試的是砂芯的仿制品，但是也可以測(cè)試每個(gè)鑄件的四個(gè)獨(dú)立砂芯以提高精確度。 情況似乎還更嚴(yán)重，雖然相同成分的塔輪式砂芯沒(méi)有缺陷，但是在 2x2式 中仍會(huì)出現(xiàn)脈紋。

　　圖 3 上圖 2x2 式砂芯和鑄模(左)和鑄件截面(右)顯示了脈紋缺陷

　　· 在澆注不加涂料的砂芯的防脈紋和防滲透添加劑

　　近年來(lái)，鑄造廠在取消涂層工藝上花費(fèi)了不少心血。 在某些領(lǐng)域，已成功實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，如要求不太嚴(yán)苛的蠕墨鑄鐵件。

　　ASK Chemicals 已經(jīng)能夠研發(fā)出新型砂添加劑，這些砂添加劑可使鑄造廠大大減少鑄件缺陷，采用更多不用涂料層的砂芯生產(chǎn)鑄件。

　　Veino Ultra 便是研發(fā)的新型添加劑之一，該產(chǎn)品在抗脈紋方面擁有非凡的能力。

　　· 防脈紋涂料

　　鑄件質(zhì)量的特別要求是沿著芯盒的分型線沒(méi)有脈紋。

　　對(duì)于砂芯的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，浸涂料后干燥過(guò)程中砂芯不發(fā)生變形非常重要。涂料 MIRATEC BD 示例表明涂料消除了脈紋，并且借助改良的夾具，砂芯可以通過(guò)較少的循環(huán)進(jìn)行浸涂(改進(jìn)幅度達(dá) 100%)，而不會(huì)有涂料滴痕。

　　圖 4. 有脈紋的剎車盤鑄件

圖 5 MIRATEC BD 防止分型線脈紋缺陷出現(xiàn)

　　· 高透氣涂料防止砂眼出現(xiàn)

　　砂眼和氣孔缺陷屬于批量鑄造中的嚴(yán)重缺陷之一，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致廢件。

　　ASK 通過(guò)自己的發(fā)展計(jì)劃開(kāi)發(fā)出獨(dú)特的可透氣涂料，可以大大抑制這些缺陷。

　　在砂芯被高熱量的鐵水包圍而造型充填不足的特殊區(qū)域部位，鑄件容易形成砂眼。 而基于 MIRATEC MB 501 的涂料則展現(xiàn)出良好的效果(尤其是在連續(xù)鑄造中)，提高了透氣性，從而可以避免脈紋和滲透。 此外，涂料具有了迅速排放性能以及較短的光澤時(shí)間，從而使得浸涂過(guò)程中循環(huán)時(shí)間縮短，

　　新型 MIRATEC AH 501 涂料完全能夠達(dá)到該要求。通過(guò)采用該涂料，不僅可在液壓鑄件(外模采用冷芯 +芯子采用 殼芯砂)上消除砂眼缺陷，在曲軸箱(內(nèi)外模全部采用冷芯)上同樣如此。

　　此外，與原涂料相比，采用該涂料可使浸涂過(guò)程的循環(huán)時(shí)間減半。

　　· 借助 MITATEC TS 實(shí)現(xiàn)鑄件表面無(wú)殘余物鑄件

　　OEM通常會(huì)要求鑄造廠提供殘留量最低的鑄件。 對(duì)于缸體鑄件，這些限制可能會(huì)低至每個(gè)鑄件 300mg。 由于幾乎無(wú)法清理到水套或回油道這些區(qū)域的原因，迫切需要涂料在提供無(wú)缺陷鑄件的同時(shí)在鑄件的表面也不能有任何殘?jiān)?/p>

　　如今，已開(kāi)發(fā)出能夠良好地防止脈紋和滲透的特殊涂層，可將澆鑄后的殘留量降至最低。 通過(guò)研究 SEM 可以發(fā)現(xiàn)，在澆鑄后，涂料具有自脫離屬性。

　　圖 6. 比較 MIRATEC TS(左)和

圖 7. 使用 MIRATEC TS 的鑄件表面

　　TS 傳統(tǒng)涂料(右)

　　該研究表明，使用 MIRATEC TS 后涂料從鑄件本體剝離，并且在剝離后表面十分潔凈。 與傳統(tǒng)涂料相比，殘留物數(shù)量減少了三分之一到一半。

　　· 防止蠕鐵和球鐵中發(fā)生石墨衰退

　　我們開(kāi)發(fā)出可防止將硫或氧混入熔融物中的涂料。 要保持目標(biāo)屬性，可以應(yīng)用不同的原理。

　　一種是通過(guò)施加具有浸涂屬性的涂料(例如 SILICO IM 801)減少進(jìn)入與金屬之間的接觸面的硫或氧。另一種原理是在涂料中使用硫或氧的吸收成分(例如鈣化合物)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Stephan Rudolph, Gießerei-Praxis No. 6-1993，105 頁(yè)

　　[2] Reinhard Stötzel, diagram from conference transcript, 3rd Duisburg moulding material day 2000

　　[3] Showman, R., Horvath, L., Clifford, S., Harmon, S., Lawson, E., “A Systematic Approach to Veining Control”, AFS Casting Congress Proceedings, 11-005.

　　[4] R.W. Monroe, “Use of Iron Oxide in Mold and Core Mixes for Ferrous Castings. AFS Transactions 1988.

　　[5] S.G. Baker, J.M. Werling, “Expansion Control Method for Sand Cores”, AFS Transactions 2003

　　[6] T.J. Gilbreath, P.L.Zajac, J. Bruce, “New Sand Additive Alternative for Veining and Penetration Defects in Thin-Walled Castings”, AFS Transactions 1999.

　　[7] W.L. Tordoff, R.D. Tenaglia, “Test Casting evaluation of Chemical Binder Systems”, AFS Transactions 1980.

　　[8] S.R. Giese, J.Thiel, “Numeric Ranking of Step Cone Test Castings”, AFS Transactions 2007.