消失模鑄造涂料的性能控制及應(yīng)用

　　黃愛明

　　(上海歐區(qū)愛國際貿(mào)易有限公司，上海，201600)

　　摘要：消失模涂料在消失模工藝中起著極為重要的作用，一旦鑄造工藝所需的涂料被選定，制定一套穩(wěn)定一致的監(jiān)控程序是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的必要條件。涂料強(qiáng)度、耐火度、懸浮性、固體含量及透氣性等會(huì)對鑄件質(zhì)量產(chǎn)生巨大影響，只有使用恰當(dāng)手段將這些指標(biāo)控制在合適的范圍內(nèi)，性能優(yōu)異的涂料才能發(fā)揮出其最佳的性能。同時(shí)，嚴(yán)格一致的涂料現(xiàn)場使用工藝也是極為重要的，這些程序包括涂料攪拌槽的清潔、涂料的預(yù)混、溫度控制和涂料性能參數(shù)測試等。

　　　關(guān)鍵字：消失模涂料 質(zhì)量控制 應(yīng)用

　　　1、簡介

　　消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的泡沫模型涂刷專用耐火涂料并烘干后，埋在干砂中振動(dòng)造型，然后澆注，高溫液態(tài)金屬使模型液化和氣化，并快速占據(jù)泡沫模型原來的位置，凝固冷卻后形成鑄件。由于其固有的特點(diǎn)，該方法獲得的鑄件表面光潔度高于常用的傳統(tǒng)粘土砂鑄造和砂型鑄造，不需要制芯，不用分型，造型砂不用粘結(jié)劑，容易清理，對環(huán)境友好，可用于鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋等復(fù)雜鑄件。

　　2、消失模鑄造發(fā)展簡史

　　1958年，美國的H.F.Shroyer發(fā)明了用可發(fā)性泡沫模樣制造金屬鑄件的技術(shù)并取得了專利，最初所用的模樣是采用聚苯乙烯板材加工制成的，采用粘土砂造型，用來生產(chǎn)藝術(shù)品鑄件。采用這種方法，造型后泡沫模型不用取出，而是在澆入液態(tài)金屬后燃燒、分解而“讓出”空間充滿金屬液，凝固后形成鑄件。1961年德國的Grunzweig和Harrtmann公司購買了這一專利加以開發(fā)，并于1962年在工業(yè)上得到應(yīng)用。采用無粘結(jié)劑干砂生產(chǎn)鑄件的技術(shù)由德國的H.Nellen和美國的T.R.Smith與1964年申請了專利。由于無粘結(jié)劑的干砂在澆注過程中經(jīng)常發(fā)生坍塌等現(xiàn)象，所以1967年德國的A.Wittemoser采用了可以被磁化的鐵丸來代替硅砂作為造型材料，用磁力場作為“粘結(jié)劑”，這就是所謂的“磁型鑄造”。然而由于磁性鑄造的造型機(jī)限制了產(chǎn)品的大小和復(fù)雜程度，而且工序復(fù)雜，難于實(shí)現(xiàn)大批量自動(dòng)化生產(chǎn)。1971年日本的Nagano發(fā)明了真空鑄造法，他采用無粘結(jié)劑的干砂作為造型材料，用抽真空的辦法固定砂型來形成型腔澆注鑄件。受此方法的啟發(fā)，今天的消失模鑄造在很多地方也采用了抽真空的辦法來固定砂型。

　　3、消失模涂料在消失模工藝中的重要作用

　　涂料在消失模鑄造工藝中的作用應(yīng)該基于涂料在澆注過程中液態(tài)金屬、泡沫模型、涂料和砂這整個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部分來理解。在澆注過程中，在流動(dòng)的金屬接觸到泡沫模型時(shí)，泡沫的融化和分解就開始了，在流動(dòng)的金屬和模型之間會(huì)沖滿泡沫中原有的氣體及泡沫融化和分解而產(chǎn)生的碳?xì)浠衔铮扔幸后w也有氣體，這些產(chǎn)物必須被涂料層吸收并部分或全部透過涂層進(jìn)入外面的型砂中，涂料的設(shè)計(jì)應(yīng)使分解產(chǎn)物和熱量以特定的速度透過涂層從而起到控制傳質(zhì)和傳熱的雙重作用以消除鑄件缺陷。

　　在鑄鋁時(shí)澆注溫度較低，鋁液融化聚苯乙烯，首先產(chǎn)生液態(tài)的分解產(chǎn)物會(huì)潤濕涂層，涂料的透氣性和吸收性應(yīng)保證涂料層可以吸收液態(tài)的分解產(chǎn)物并讓隨后在更高溫度時(shí)產(chǎn)生的氣體分解產(chǎn)物依然可以通過涂層，同時(shí)，涂料的導(dǎo)熱性能應(yīng)設(shè)計(jì)合理，保證液態(tài)金屬的冷卻速度，尤其應(yīng)該避免傳熱過快而產(chǎn)生冷隔等缺陷。相比之下，在鑄鐵和鑄鋼時(shí)，氣體產(chǎn)物透過涂層的速度時(shí)關(guān)鍵，因此涂料的透氣性和耐火度是關(guān)鍵。

　　如上所述，涂料在消失模鑄造中主要起以下幾種不同的作用：第一是當(dāng)金屬在澆注過程中取代泡沫模型時(shí)，涂料是型砂和液態(tài)金屬之間的主要屏障，涂料在這個(gè)過程中起的作用是阻止液態(tài)金屬滲入到型砂中而產(chǎn)生粘砂;涂料的第二個(gè)作用是在液態(tài)金屬充型時(shí)保證泡沫模型分解產(chǎn)生的氣體順利排出;涂料的第三個(gè)作用是吸收泡沫模型分解時(shí)所產(chǎn)生的液態(tài)產(chǎn)物;涂料的第四個(gè)作用是調(diào)節(jié)導(dǎo)熱速率，通過選擇不同的耐火材料來調(diào)節(jié)涂料的熱傳導(dǎo)性能，特別是對有色金屬，涂料可以控制液態(tài)金屬的冷卻速率，從而防止鑄造缺陷。

　　4、消失模涂料的性能控制

　　考察消失模涂料的性能包括眾多指標(biāo)：涂料粘度、固體含量、涂層強(qiáng)度、耐火度、透氣性、導(dǎo)熱性、涂料觸變性、懸浮性等，而消失模涂料的主要使用性能是熱性能和透氣性，這兩項(xiàng)指標(biāo)決定了其在澆注過程中的作用。在實(shí)際操作中則需要控制其粘度、固體含量、透氣性和PH 值等，只有確保涂料的性能穩(wěn)定一致，才能保證消失模鑄造產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　4.1、粘度

　　粘度描述的是流體對于剪切力的反應(yīng)，是衡量涂料流動(dòng)性的一個(gè)重要指標(biāo)，粘度雖然取決于涂料的成分，但也受攪拌過程的影響。在涂料使用時(shí)涂料的粘度會(huì)根據(jù)需要調(diào)整到合適的范圍中，在此過程中對涂料的測量和監(jiān)控尤為重要。粘度的變化會(huì)影響到涂料的其他相關(guān)性能，如涂層厚度、透氣性等，并進(jìn)而影響鑄件質(zhì)量。

　　當(dāng)測量粘度時(shí)，有幾個(gè)要點(diǎn)需要注意。首先，樣品最好來自涂料槽，并且最好在攪拌時(shí)取樣以保證樣品的均勻性;其次，在取得樣品后應(yīng)立即測量，這是因?yàn)橐坏┩苛喜辉跀嚢韬螅扯葧?huì)開始增加，為確保樣品與樣品間數(shù)據(jù)一致性，取樣和測量的時(shí)間間隔應(yīng)盡量縮短。第三，取樣數(shù)量和取樣容器最好一致，樣品數(shù)量和容器的變化，會(huì)導(dǎo)致粘度測試結(jié)果產(chǎn)生一定的波動(dòng)。

　　4.2、固體含量

　　這個(gè)參數(shù)是用來測量涂料內(nèi)固體物質(zhì)的重量，涂層固體部分主要由耐火材料組成并直接影響到涂料粘度。一般來說，較高的固體含量涂料會(huì)有較高的粘度。涂料的固體成分在抗粘砂方面起來重要作用，不論對于黑色金屬還是有色金屬而言，高固體含量的涂料通常能提供較好的抗粘砂性能。同樣，高固體含量的涂料一般會(huì)有較低的透氣性，這是由于高固體含量涂料的顆粒相對緊密，在一定程度上會(huì)阻礙涂料的透氣性。

　　涂料固體含量的測試方法有好多種，其中最簡單、最經(jīng)濟(jì)的方法是手工操作。首先，稱量盛樣品的容器，并記錄其重量，然后稱取5g-10g涂料樣品，樣品在150度下烘烤30分鐘左右，然后記錄烘干后樣品和容器的總重，將樣品容器的重量扣除，得到樣品的干重，固體含量的百分比就是干重除以濕重。建議最好使用精度較高的天平。

　　4.3、涂層強(qiáng)度

　　消失模鑄造采用干砂造型，涂料成為隔離金屬液和干砂的重要屏障，需要在高溫時(shí)具有足夠的強(qiáng)度;常溫下，涂料也需要與模型緊密粘合，以提高模型的剛度和強(qiáng)度，防止搬運(yùn)、填砂時(shí)涂層破壞和造型時(shí)模型變形。涂料的強(qiáng)度對獲得合格鑄件有十分重要的作用。

　　國外多采用涂料模樣的負(fù)荷變形量來表征涂層強(qiáng)度，有使用鐵砂沖刷涂料層，測量涂層沖蝕程度，間接的表示涂層強(qiáng)度。也有將涂料刷在Φ50mm×50mm圓柱試樣上，烘干冷卻后，用掛100g砝碼的鋼刷接觸轉(zhuǎn)動(dòng)的試樣1分鐘，用測量涂料刷下來的量表征其表面強(qiáng)度。

　　4.4、涂料觸變性

　　涂料在固定剪切速率作用下，其粘度隨著剪切時(shí)間的延長而逐漸降低，停止剪切后期粘度又隨時(shí)間的延長而逐漸恢復(fù)的性能，叫做涂料的觸變性。這一過程能賦予涂層以流平和與模樣表面結(jié)合的機(jī)會(huì)，同時(shí)又使涂料不過分流淌。因此，提高涂料的觸變性可以改善其流平性能和與模樣表面的粘附性，減少浸涂時(shí)的阻力和涂料流淌。

　　決定涂料觸變性的主要因素是涂料成分和制備方法，涂料配方是滿足涂料流變性要求的基本條件。

　　4.5、涂料透氣性

　　干燥后的涂料在模型上形成的是一個(gè)連續(xù)多孔的固體復(fù)合材料薄膜。涂料透氣性是指由模型分解所產(chǎn)生的氣體通過涂層的難易程度，透氣性高的涂層對氣體流動(dòng)產(chǎn)生的阻力較小，透氣性低的涂層對氣體流動(dòng)產(chǎn)生的阻力則大的多，從而會(huì)對砂型產(chǎn)生較大反壓。涂料透氣性對澆注速度具有重要影響：低透氣性涂料的澆注速度較慢，反之亦然。如果澆注速度過快，特別對于有色合金，金屬液前端會(huì)較容易產(chǎn)生湍流，并且由于有色合金冷卻較快，不利于模型分解產(chǎn)生的氣液產(chǎn)物排出，造成鑄件氣孔及夾渣缺陷。對于鑄鐵而言，過快的澆注速度使得模型分解的氣體和液相產(chǎn)物來不及從涂層排出，而是擴(kuò)散進(jìn)金屬液前端，最終造成鑄件的增碳缺陷。

　　4.6、其他操作注意事項(xiàng)

　　涂料的現(xiàn)場使用是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的另一個(gè)重要原因。對涂料浸涂槽的攪拌是必要的，由于電動(dòng)攪拌能提供穩(wěn)定速率，所以被大多數(shù)廠家使用。在涂料混合過程中，不能讓涂料產(chǎn)生漩渦，形成湍流，否則會(huì)使涂料中夾帶大量氣泡，影響涂料性能。另外涂料的攪拌時(shí)間和速率也應(yīng)受到嚴(yán)格控制，否則會(huì)影響涂料粘度，最終導(dǎo)致涂覆性能變差。

　　5、涂料應(yīng)用實(shí)例介紹

　　消失模鑄造技術(shù)的發(fā)展史同時(shí)也是消失模鑄造涂料的發(fā)展史，可以說，沒有成功的消失模涂料，就不可能有消失模鑄造技術(shù)的快速發(fā)展。德國HA公司以提供高質(zhì)量鑄造輔材聞名于世，同時(shí)也是消失模鑄造涂料技術(shù)發(fā)展的先驅(qū)之一，下面就幾種典型案例來介紹涂料的使用情況。

　　5.1、有色合金消失模產(chǎn)品

　　變速箱殼體，有色合金鑄件，單件重量約30公斤左右，使用HA 711C消失模涂料，該產(chǎn)品主要特點(diǎn)是涂掛性好，涂層厚度均勻，強(qiáng)度適中，鑄件無粘砂、氣孔和渣孔等缺陷，鑄件廢品率成功的控制在很低的范圍內(nèi)。

　　5.2、大型灰鐵件

　　機(jī)床件，單件重量約2噸左右，灰鐵鑄件，該客戶采用的是FMC法工藝，造型時(shí)用呋喃樹脂砂、消失模下芯、澆注時(shí)無負(fù)壓。此產(chǎn)品使用的是HA705產(chǎn)品，該產(chǎn)品主要特點(diǎn)是涂掛均勻，涂層強(qiáng)度高，澆注后涂層易于剝離。涂層干厚控制在1.2mm左右，澆注后鑄件無粘砂和表面碳缺陷等問題。

　　5.3、中小型球鐵件 工程機(jī)械配件，出口歐洲，球鐵鑄件，單件重量為150公斤左右，此產(chǎn)品使用了HA701產(chǎn)品，此產(chǎn)品主要特點(diǎn)是涂層吸附性好，涂層厚度均勻，強(qiáng)度適中。澆注后鑄件表面光潔，無粘砂和碳缺陷等問題。

　　6、總結(jié)

　　在我們和客戶長期合作過程中體會(huì)到，制造方和使用方都建立起穩(wěn)定的質(zhì)量控制體系對保證涂料的質(zhì)量和使用性能尤為關(guān)鍵，尤其對消失模鑄造這樣的新型技術(shù)，建立一套有效的質(zhì)量監(jiān)控體系，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控工藝參數(shù)變化，快速發(fā)現(xiàn)異常情況，從而避免不必要的損失。

　　消失模鑄造技術(shù)在美洲和歐洲經(jīng)歷了近三十幾年的發(fā)展，已走在快速、健康的發(fā)展道路上。與此同時(shí)，消失模鑄造技術(shù)在國內(nèi)也取得了可喜的進(jìn)步，作為消失模鑄造技術(shù)發(fā)展的先驅(qū)之一，歐區(qū)愛公司愿與國內(nèi)眾多廠家協(xié)同合作，共同推動(dòng)消失模鑄造技術(shù)在中國的發(fā)展。

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