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消失模铸造涂料的研制与应用 摘要 本文首先介绍了消失模铸造涂料工艺性能和工作性能的检测方 法，因为国内尚没有统一的检测方法和检测标准，所以着重说明了自 行设计的涂层常温强度和高温强度、常温透气性和高温透气性、涂层 平均厚度等性能的检测装置和检测方法。重点研究了涂料组成对铸铁 件用消失模铸造涂料各性能的影响规律。 结果表明：在消失模铸造涂料中加入重量分数大于1 0 的纤维状 硅灰石或片状云母可以明显提高涂料的抗弯强度、透气性和烘干抗裂 性能，并且能显著改善涂料的悬浮性、触变性以及涂挂性等工艺性能。 而硅藻土可有效提高涂料的绝热性，从而使低熔点合金的充型能力增 强，但使涂料的强度和透气性有所降低。在0 1 4 9t o n i 0 0 4 5 蛳的粒径 范围内，适当调整颗粒级配有利于涂层常温强度和高温强度的提高。 f 选择适当的水溶性高分子聚合物作为主粘结剂对于获得良好的工 艺性能和工作性能都至关重要，其中尤以z a 的综合性能最佳，而采 用有机和无机复合粘结剂可以兼顾常温下涂料与塑料模样的粘结强度 和高温下涂层的强度。 膨润土和凹凸捧粘土都是物美价廉的悬浮剂和触变刹，在添加量 小于8 的情况下可获得优良的悬浮性和触变性，并对提高涂料的常温 和高温强度有利，但会使透气性降低。y 在此基础上进行了中试研究，经过2 吨多涂料在5 0 吨铸铁件生产 中的试制和试用表明所研制涂料的工艺性能和工作性能优良，能满足 使用要求，与进口涂料在同样条件下使用能达到同样的效果，而且比 进口涂料价格低得多。 关键词：消失模铸造涂料性能检测生产应用 _ 参 v i | i d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc o a t i n g f o rl o s tf o a mc a s t i n g a b s t r a c t f i r s t l y ，t h em e a s u r i n gm e t h o d so ft e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n dw o r k i n g p r o p e r t i e sf o rc o a t i n gf o rl o s tf o a mc a s t i n g ( l f c ) a r ei n t r o d u c e di nt h ea r t i c l e ， a n ds o m eo ft h e ma r ed e s i g n e db yo u r s e l v e s s e c o n d l y ，e f f e c t so fi n g r e d i e n t so n pr o p e r t i e sf o rl f cc o a t i n ga r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tm o r et h a n10 ( w t ) f l a k em i c ao rf i b e rw o l l a s t o n i t ec a n i m p r o v et h et e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e s s u c ha s s u s p e n s i b i l i t y ，t h i x o t r o p y ，a n d s m e a r i n gp r o p e r t y a n d w o r k i n gp r o p e r t i e s s u c ha s b e n d i n gs t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t ya tr o o mt e m p e r a t u r ea n dh i g ht e m p e r a t u r eo ft h el f cc o a t i n g a n d d i a t o m a t ec a ni m p r o v ei t sa d i a b a t i c i t y ，t h e ni t sm o l df i l l i n gc a p a c i t yi s i m p r o v e d t h eg r a d a t i o no fa g g r e g a t e ( 0 1 4 9 - m0 0 4 5 哪! h a se f f e c t so np r o p e r t i e s a p p r o p r i a t eo r g a n i cb a n dc a ni m p r o v et h et e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e ss u c ha s t hi x o t r o p y ，s m e a r i n gp r o p e r t ya n dw o r k i n gp r o p e r t i e ss u c ha sb i n d i n gs t r e n g t ha n d b e n d i n gs t r e n g t ho ft h el f cc o a t i n gi nw h i c hz ai se x c e l l e n t b e n t o n i t ea n da t t a p u l g u s ec l a ya r eg o o ds u s p e n dw h e ni t sc o n t e n tl e s st h e n 8 t h ea p p l i c a t i o no fl f cc o a t i n gi nm a n u f a c t u r i n gs h o w si t ss o u n dp r o p e r t i e s k e yw o r d s ：l o s tf o a mc a s t i n gc o a t i n g ，p r o p e r t y ，m e a s u r i n g ，a p p l i c a t i o n 致谢 本文是在我的导师周杰教授的悉心指导下完成的。三年来，周老师 在学习上、生活上给了我无微不至的关心和帮助，对我的成长倾注了 大量的心血。周老师渊博的学识、严谨的治学态度、敏锐的学术思想 以及积极开拓的科研精神是我终身学习的楷模。在此谨向周老师致以 寝心的感谢和深深的敬意。 在论文的完成过程中，也得到了徐庆柏老师和刘兰俊老师的指导 和帮助，在此表示衷心的感谢。另外，也感谢铸造实验室的老师们及 楼必君同学对我的大力帮助。 同时，非常感谢汪凡荣一直对我的支持。 最后，衷心感谢合肥工业大学材料科学与工程学院和研究生部的领 导和老师们对我多年的培养和帮助。 v 插图清单 图1 1 消失模铸造的工艺过程2 图2 1 涂挂用泡沫塑料模样1 1 图2 2 测抗弯强度用模具1 2 图2 3 测透气性用模具1 2 图2 4 测涂料抗拉强度示意图1 4 图2 5 测涂料抗剪切强度示意图1 4 图2 6 涂料抗弯强度测试装置1 6 图2 7 涂料透气率测试装置1 7 图3 1 硅灰石含量对涂料抗弯强度的影响2 0 图3 2 云母含量对涂料抗弯强度的影响2 1 图3 3 硅灰石含量对涂料透气性的影响2 1 图3 4 云母含量对涂料透气性的影响2 2 图3 5 耐火粉料平均粒度对涂料密度的影响2 3 图3 6 耐火粉料平均粒度对涂料悬浮率的影响2 4 图3 7 耐火粉料平均粒度对涂料透气性的影响2 4 图3 8 耐火粉料平均粒度对涂料抗弯强度的影响2 5 图3 9 耐火粉料粒度分布对涂料透气率的影响2 6 图3 1 0 耐火粉料粒度分布对涂料抗弯强度的影响2 6 图3 1 1 硅藻土对涂料抗弯强度的影响2 8 图3 1 2 硅藻土对涂料透气率的影响2 8 图4 1 有机粘结剂z a 加入量对涂料触变性的影响3 l 图4 ，2 三种有机粘结剂对消失模涂料触变性的影响3 1 图4 3 分子链段的缠结结构3 1 图4 4 有机粘结剂加入量对涂层厚度的影响3 2 图4 5z a 加入量对涂料粘结强度的影响3 3 图4 6z a 加入量对消失模涂料抗弯强度的影响3 4 图4 7 苏州白泥含量对涂料抗弯强度的影响3 4 图4 8z a 含量对涂料透气率的影响3 5 图4 9z a 加入量对涂料发气性的影响，3 6 图5 1 膨润土和凹凸棒对消失模涂料悬浮性的影响3 9 图5 2 膨润土的加入量对消失模涂料触变性的影响4 0 图5 3 等量膨润土和凹凸棒对消失模涂料触变性的影响4 0 图5 4 悬浮剂加入量对消失模涂料粘结( 抗拉) 强度的影响4 1 图5 5 悬浮剂加入量对消失模涂料粘结( 抗剪切) 强度的影响4 l v i i i 图5 6 悬浮剂加入量对消失摸涂料抗弯强度的影响 图5 7 悬浮剂加入量对消失模涂料透气性的影响 图6 1 粉液比对涂料透气率的影响 图6 2 粉液比对涂料干态厚度的影响 图7 1 消失模铸造涂料制备流程图 图7 2 涂料搅拌机 图7 3 浸涂后的部分模样 图7 4 涂层干燥后的部分模样 图7 5 生产的部分铸件 4 2 4 2 4 4 4 5 4 7 4 8 4 9 5 0 5 l 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 ，5 表3 6 表3 7 表3 8 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表5 1 表7 1 表7 2 表格清单 硅灰石及云母的性能参数 硅灰石含量对涂料悬浮性的影响 云母含量对涂料悬浮性的影响 硅灰石含量对涂料触变性的影响 云母含量对涂料触变性的影响 涂料种类 涂料种类 耐火粉料组成( ) 几种有机粘结剂的性能参数 三种不同涂料的粘结强度 三种不同有机粘结剂涂料的抗弯强度 两种不同涂料的抗弯强度 三种不同涂料的发气量 两种悬浮剂的性能参数 中试涂料的配方( w t ) 中试用涂料的性能 x 18 18 1 9 1 9 1 9 2 3 2 5 2 8 3 0 3 3 3 4 3 5 3 6 3 8 ，4 6 4 7 舟肥工业大学硕士学位论文 消失模铸造涂料的研制与应用 1 1 消失模铸造概述 第一章前言 ( 1 ) 基本原理 消失模铸造又称为实型铸造、气化模铸造。就是用泡沫聚苯乙烯 塑料( 以下简称泡沫塑料或聚苯乙烯) 模代替铸模进行造型，模样不取出 呈实体铸型，浇入金属液，模样气化，而得到理想铸件的一种铸造方 法。 该法的工艺过程是用泡沫塑料制成模样，表面涂上涂料，置入特 定的砂箱中填入无粘结剂的干砂后在负压下紧实，模样不取出构成一 个没有型腔的实体铸型，当金属液浇入铸型时，泡沫塑料模在高温金 属液的作用下迅速气化、燃烧而消失，金属液取代了原来泡沫塑料模 样所占据的位置，冷却凝固成与模样形状相同的实型铸件。 消失模铸造的工艺过程如图1 1 所示【1 1 。 ( 2 ) 特点 消失模铸造与一般铸造方法的最大差异是使用泡沫塑料模样，模 样不取出，铸型没有型腔和分型面。它有下列优点( 2 1 ： a ) 生产效率高 干砂装满砂箱即完成造型，省去了传统的混砂、紧实、取模、合 箱及砂处理等整个工序；且模型可任意组装，一箱可浇注多个铸件， 因此生产效率很高。 b ) 铸件质量好、精度高 由于不起模，铸件尺寸精度高；由于表面刷有涂料，所得铸件表 面光洁程度可达熔模铸造水平；由于冒口放置灵活，且有负压吸力的 作用，对铸件补缩有利，可减少或消除铸件内部缩松。 b ) 生产成本低 型砂几乎可以全部回用，在加上生产效率高节约的人力，生产和 设备投资等费用均低于普通砂型铸造。 c ) 减少环境污染 因消失模铸造所用造型材料是无粘结剂的干砂，且采用抽真空技 术，因此环境污染少。 仑肥r 业丈学硕士学位论文 消失模铸造涂料的研制与应用 图1 1 消失模铸造的工艺过程 ( 3 ) 国内外发展概况 消失模铸造是美国人h f 斯洛依( s h r o g e r ) 于1 9 5 6 年发明，在l9 5 8 年4 月5 曰以“无型腔铸型极其制造方法”专利公布于世【引。由于它 具有省去泥芯、分型、起模，有利于生产环境改善等优点，自19 6 2 年 用于工业生产以来受到各国铸造界的广泛关注，获得了很快的发展。 根据美国威斯康星大学的市场调查，在美国1 9 9 0 年有6 的铝合金是 垒翌三些茎兰堡主兰焦堡奎 塑叁堡壁垄鎏整苎塑堂兰查曼 用消失模铸造的，2 0 0 0 年大约有2 0 o 的灰铸铁件是用消失模铸造的a 预计到2 0 0 7 年有2 9 的铝合金铸件使用该工艺，到2 0 0 9 年消失模灰 铸铁件的产量将达到铸铁件总产量的15 。据统计，2 0 0 0 年国内消失 模铸造厂点约9 0 家，1 9 9 5 、1 9 9 8 和1 9 9 9 三年消失模铸件产量分别为 7 2 0 0 吨、2 8 0 0 0 吨和4 0 0 0 0 余吨。目前，消失模铸造生产线大约有1 7 1 8 条，由上可见，消失模铸造是一项极有发展前途的工艺。 1 2 消失模铸造涂料概论 涂料作为消失模铸造的关键技术之一，其性能和作用大大增强， 目外有“涂料即是铸型”之说【4 1 。涂料层的性状不仅影响模样的气化 和气体的迁移，而且和铸件的表面质量、表面缺陷、铸件精度乃至铸 件内在质量等都密切相关。 1 2 1 消失模铸造涂料的性能要求 除传统砂型铸造中要求涂料有良好的悬浮性，适宜的密度、粘度 和流变性能外，消失模铸造对涂料的工艺性能和工作性能有新的要求。 ( 1 ) 要有良好的涂覆性。泡沫塑料模样表面系憎水性。对水基涂料 的亲和性和吸水性差，不象砂型那样容易上涂料，所以涂料必须对模 样涧湿性好，覆盖能力强。涂挂时能得到完整均匀和足够厚度的涂层。 能精确的复制出复杂模样的表面的尺寸。 ( 2 ) 有良好的快干性。泡沫塑料是密封的蜂窝状结构料，不透气， 变形温度低，涂料的干燥不能象砂型那样在高温下烘干，所以要求涂 料有良好的快干性能。并且干燥后不龟裂。涂层干燥后在模样上形成 一层具有一定机械强度和刚度的硬壳。对模样有加强的作用。以保证 在搬运、填砂和造型过程中无变形和破坏。造型时能抵抗干砂子的磨 刷力，使涂层不被损伤。 ( 3 ) 在浇注过程中要求涂料有良好的高温抗裂性和透气性。涂层受 到金属液的急热作用后不易开裂，能承受金属液的冲击和隔离作用， 保证铸件无机械或化学粘砂缺陷。不象传统铸造那样，涂料能够渗透 形成一层和砂层结为一体的防粘砂层。因为在金属液和泡沫塑料之间 有动态脱开区，即所谓的间隙，所以涂层应该具有支撑干砂不下塌所 需的高温强度。 ( 4 ) 涂层的高温透气性，在很大程度上影响金属的充型和铸件的质 量。浇注过程中产生的气体要通过涂层排出。避免铸件产生气孔、夹 渣等缺陷。涂层透气性过低，气体逃逸慢，压力高，阻碍金属液的充 合肥工业大学硕士学位论文 消失模铸造涂料的研制与应用 填，造成冷隔、缺肉、气孔、集碳等缺陷。当然铸型系统的透气性除 了与涂层有关外还取决于砂子、负压度、浇注工艺等因素。常温下涂 料的典型透气性范围是5 15 0 个标准单位。一般铸铝5 15 个标准单位， 铜基合金3 0 6 0 标准单位。可锻铸铁、灰铁、铸钢在7 5 1 2 5 个标准单 位1 5 1 。 ( 5 ) 浇注时涂料的保温性对金属液的充型也有较大的影响。在消失 模铸造中，采用干砂造型其激冷能力只有湿砂型的1 3 1 2 。但由于金 属充型速度只有湿砂型的1 ，4 ，合金充型时因为涂层散热而损失的热量 仍然很高1 6 1 ，因此，其他条件一定时，涂层的保温性好坏，是减少热 量损失而提高金属充型能力的一个关键因素。可见，当涂料同时具有 了良好的保温性和透气性时，才可大幅度提高金属液的充型能力，这 点对铝合金尤为重要。 1 2 2 消失模铸造涂料的原材料 ( 1 ) 耐火粉料是消失模铸造涂料的骨干。具有隔离、绝热、抗粘砂 和减低铸件表面粗糙度等作用。耐火粉料的选择主要根据合金的种类 而定。高熔点合金多采用耐火度高的刚玉粉、锆英粉。从涂料的性能 要求和生产需要看，应注重粉料粒度、分布以及不同粉料的优化组配 问题。一般应用的耐火粉料有刚玉粉、锆英粉、石英粉、铝硅系耐火 熟料( 包括铝矾土、煤矸石、粘土质熟料) 、混合粉等。从涂层透气性考 虑，以多孔性的铝矾土粉料为好。 ( 2 ) 构成涂料层强度的粘结剂，分低温型和高温型，前者有糖浆、 纸浆、糊精、酚醛树脂、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯乳液、聚乙烯醇缩丁 醛、羧甲基纤维素等；后者有粘土、磷酸盐、水玻璃、硅溶胶以及水 溶性树脂等。 ( 3 ) 载液有水或有机溶剂如乙醇( 工业用酒精) 。合适的溶剂以乙醇 和水为好，应用更广泛的还是水基涂料。 ( 4 ) 为使耐火粉料可在涂料中长期悬浮，需要在涂料中加入悬浮剂， 常用的悬浮剂有膨润土、凹凸棒土、水溶性胶类等 ( 5 ) 涂料的基本组分是耐火粉料、载液、粘结剂和悬浮剂，大多数 涂料在正确选用这四种主要组元和合理配比的条件下，能够满足对涂 料的各项要求，但有时还要另加助剂，使涂料的性能更好。 表面活性剂消失模铸造所用的模样多为可发聚苯乙烯塑料 ( e p s ) 或发泡聚甲基丙烯酸甲酯塑料( e p p m a ) ，其表面一般是憎水的。 为保证涂料能很好的涂挂在模样上，必须添加少量的表面活性剂。表 4 垒坐三些查堂蟹主堂笪丝塞 塑叁夔壁建堡型塑婴型兰堕旦 面活性剂的作用是降低水的表面张力，改变体系界面状态，改善涂料 对模样的润湿能力，并提高涂层与模样间的结合强度，防止涂层在使 j 目过程中开裂、脱落。常用的表面活性剂有j f c ( 脂肪醇聚氧乙烯醚) ； o p 系列( 烷基酚与环氧乙烷缩合物) 的非离子型表面活性剂，加入量一 般为浆料的0 卜0 2 。 消泡剂由于涂料在制备和施涂过程中要进行搅拌，很容易卷 入空气，形成气泡，同时，涂料中的某些组分本身就是发气性物质( 表 面活性剂) 。涂料又具有较高的粘度和表面张力，时气泡难以上浮，气 泡的存在不仅影响涂料的涂挂性、触变性，而且会影响涂层的连续性， 降低涂层强度，从而影响铸件质量。一般地，消除气泡可采用真空处 理或加入消泡剂。消泡剂应易于在水中分散，常用的消泡剂有s a f 乳 液、c s e 乳液和c r a 乳液等。 分散剂分散剂的作用是使已分散的粒子保持隔离而不凝聚， 常用的分散剂有h g 5 0 4 等。 防腐剂由于涂料中含有一定量的有机物，这些物质在涂料存 放、运输以及使用过程中可能发酵、霉变，使涂料变质、失效。常用 的防腐剂有甲醛、五氯酚钠、苯甲酸钠等。 1 2 3 消失模铸造涂料的涂挂和干燥 消失模铸造涂料不同于传统砂型之处是，形成铸件表面的是与模 样接触的涂层内表面而非外表面，所以涂料的厚度和流痕不会影响涂 料的尺寸精度和表面质量。在涂挂质量上根据生产的铸件种类有刷、 涂、淋、浸四种。单件小批量生产的中大型模样，采用刷涂法。对批 量较大和形状较复杂的小型模样，采用浸涂法和淋涂法；对于薄的、 易变形或易损坏的模样不能浸入，所以必须采用喷的方法。实际生产 中几种方法可以结合使用。涂料必须均匀的覆盖模型而没有缺涂、淌 流或夹杂气泡。涂层厚度由铸件形状、壁厚、复杂程度、合金种类、 浇曰静压头等因素来决定。一般在0 5 3r f l m 范围内 7 1 。 涂层可自然烘干，但一般在烘炉中通过热空气循环进行烘烤1 1 0 小时。为了缩短烘干时间，烘炉需装有空气除湿系统。烘干时间必须 通过试验来确定。 1 2 4 消失模铸造涂料性能检测与控制 ( 1 ) 性能检测 消失模铸造涂料与控制是维持生产工艺和铸件质量稳定的必要条 垒墨三、业盔堂堡圭兰垡丝壅 鲨叁堡箜垄鎏型盟堕型：! 丝旦 件。涂料的物理性能如密度、粘度等可以在试验室用常规标准仪器进 行检查。也可以在生产现场用密度计、流杯粘度计和沉积重量法进行 测定，而流变性则用旋转粘度计测定。 消失模铸造涂料的透气性和强度的测试方法没有统一的标准。另 外，还有其他一些检测方法，如差热分析法和热重分析法等。 ( 2 ) 生产控制 涂料工艺的控制对生产出好的铸件是必不可少的。要控制的主要 刚素之一是涂料的密度，涂料密度与其动态粘度、涂层厚度等参数有 直接关系，所以密度是控制涂料的重要环节。为准确起见，最好用容 重法测定涂料密度。用波美比重计来测量，不是最好的测量方法。因 为涂料中结构的形成会使测试结果产生波动，且误差很大”j ，为了的 到最佳效果，涂料在应用过程中应进行搅拌，并且应控制其温度。使 之处于剪切稀释状态下进行涂挂，可使涂料粘度和涂层厚度均匀而稳 定，便于生产控制。 测量模样烘干后的涂料的重量是涂料均匀性最重要的指标。每一 模型设计的干涂料重量的合理范围只能通过浇注试验来确定。对涂料 密度进行调整可以获得理想的涂层重量。涂料槽温度和搅拌控制得当， 并且在恒定时间内达到最均匀的涂层效果。这些因素都直接影响到涂 料层的强度和透气性。 1 。3 国内外现状 ( 1 ) 消失模铸造涂料的配方 涂料的复杂组成及其在铸造过程中的关键作用，使得其选择和应 用对e p c i 艺的成功有着十分重要的意义。没有一种规则能为任何特定 铸件应用选择最好的涂料，在涂料最终参数定下来之前必须试验几种 涂料，定下涂料的基本配方。涂料配方尽管千变万化，但均需要有良 好的工艺性能、工作性能、质量稳定性以及施涂重现性。 国内，以生产球铁曲轴和管件为主的山西潞和河曲轴厂，生产实 验认为刚玉粉涂料的耐火度高，透气性、覆盖性、强度及韧性均优于 其他石墨涂料和石英粉涂料。从涂料的透气性能上讲，有人认为同一 配方配制的铸钢件涂料，无论是常温透气性还是高温透气性，以铝矾 土涂料为最高，其次是石英粉和棕刚玉，锆英粉涂料的透气性较低。 试验还得出铝矾土和石英粉，以不同比例混合，不仅涂料的透气性优 良，其他工艺、工作性能也具有最佳效果 8 】。 在国外，研制的涂料都是专利产品，英国f o s e c om o r n a l 公司 6 台肥工业大学硕士学位论文 消失模铸造涂料的研制与应用 研制的性能优良的s t y r o m o l 系列涂料，用于铁及非铁金属消失模，具 有不同的保温性、透气性和耐火性。由f o s e c o 国际公司提供的涂料中 加入少量冰晶石( n a 3 a i f 6 ) ，使其在高温下形成活性高的n a f 、a i f 3 等， 可对模样热分解出的碳产生吸附作用，使之不沉淀在铸件表面，从而 消除皱皮等缺陷。在日本，已经开发出使用于铸铝、铸铁、铸钢等不 同类型铸件的系列涂料。涂料的组成和性能要求文献都有报道，并认 为涂料的组成和透气性是关键【9 】。日本的消失模涂料，一般铸件是以 s i 0 2 做基材，铸钢以锆英粉为基材，并添加粘结剂、防腐剂等材料配 制而成。为减轻铸钢件的增碳缺陷，涂料中还加入5 8 的氧化性物 质等。美国r o b i n s o n 铸造公司，从硅砂、氧化铝和莫来石的耐火性开 始试验了6 0 7 0 种涂料，寻找一种能适合各种尺寸和形状的涂料。 ( 2 ) 消失模铸造涂料的性能检测与控制 涂料的性能检测与控制是维持生产工艺和铸件质量稳定的必要条 件。消失模铸造涂料的稳定性( p a t t e r nc o a t i n gc o n s i s t i n e y ) 是消失模铸 造 ：艺进一步发展和应用的研究重点之一0 1 目前，涂料f 油漆) 行业中， 涂料性能检测方法已经形成完整的体系，并已由部标准上升为国家标 准。铸造用普通砂型涂料经过近十年的深入研究也制订了涂料性能检 测的专业标准1 。国内外学者对消失模铸造涂料性能测试也进行了研 究，有资料报道，国外已经有消失模铸造涂料标准。而国内，至今尚 未有统一的标准。 a ) 消失模铸造涂料透气性的测试 自1 9 8 6 年，意大利的c a g o r i a 首次发表关于涂料透气性测试方面 的论文以来【陀】，已经有大量关于此方面的论文发表，提出了许多不同 的测试方法，根据测试原理可分为两类： 借助于型砂透气性测定仪文献1 8 】1 1 3 】1 14 5 i 1 6 都是利用或改 进砂型涂料透气性测试方法而得到的，区别在于涂料片的制作方法不 同。 这些方法存在如下不足： 涂片制作过程中，涂片的厚度和透气面积都不能达到标准试样的 尺寸，透气性测试仪的读值需计算后才能使用。 测试的温度范围有限，除了文献【8 】的方法可以测定高温透气性外， 其他方法由于涉及到高温下涂层与测头如何密封的问题，而无法测量 高温透气性。 涂层的制作方法与生产现场的涂挂工艺相差太大，使所测得的数 据缺乏说服力。 通过测试p t 曲线评价涂料的透气性文献1 1 2 1 1 17 】【18 1 的测试方法 垒篓三些盔堂堡圭堂笪垒銮 塑叁夔壁垄鎏型堕婴塑竖窒旦 属于此类。 利用公式计算涂层透气率 k = 2 ( p 。一p b ) 6v ( p o - p e ) ( p o - p b ) a t e 】 式中p 。终气压，p a p b 初气压，p a p o - 步 界气压，p a 6 涂层厚度，c m v 一压力罐容积，a 1 1 3 a 涂料层有效通气面积，c r n 2 t 。从降至所需时间，r a i n k 涂料透气率，c m2 ( p a m i n ) 这种测试方法为采用传感器测试透气率和实现电子显示打下基 础。但仍需要制作涂片，现场模拟性不强。 近年来，许多国内外文献通过测试和扫描电子显微镜的观察后指 出n 】【19 1 ，消失模涂料的常温透气性和高温透气性有很大差别，常温透 气性不能模拟涂料的真实工作状态，应该测试高温透气性。 b ) 消失模铸造涂料涂层强度的测试 消失模铸造涂料强度方面测试的研究较少，文献1 2 0 1 利用模具制作 涂料块，根据砂型涂料涂层强度的测试原理测试抗弯强度，并利用自 制的涂层抗变形能力装置研究了涂层强度对模样抗变形的影响。文献 【2 1 】利用浇注试验得出使铸件不粘砂的涂层强度范围f 3 0 6 0 k p a l ，但该 范围是在单一条件下得出的，适用范围有限。文献 2 2 是利用冲砂法测 试涂层表面强度。 文献 2 3 】是利用杠杆原理测试了涂片的常温抗弯强度和高温残余 抗弯强度。 c ) 消失模铸造涂料高温性能的研究 国外在这方面研究较多。文献【2 4 运用热化学分析方法探讨涂层中 吸附的e p s 裂解产物的规律。文献 2 5 】则研究了液态e p s 对涂层的润湿 和渗透规律，指出当液态e p s 和涂层温度均为3 0 0 时，液态e p s 对涂 层润湿发生渗透，即涂层开始吸收液态e p s 。文献 1 0 设计了定量研究 消失模铸造涂料吸附并透过液态e p s 的试验装置，运用该装置对涂层吸 附液态e p s 的能力进行了研究。 1 4 研究意义 消失模铸造用于大批量生产成功与否，5 0 取决于模样，3 0 取决 8 肥工业大学硕士学位论文 消失模铸造涂料的研制与应用 f 涂料，2 0 取决于其他工艺因素。涂料是获得健全铸件必不可少的 工艺环节。科研和生产都已经证实，对消失模铸造工艺，涂料可使其 获得成功的潜力大大增加。当前，涂料技术基础研究的落后已经严重 影响了消失模铸造工艺的生产应用和发展。比如急需开发可减轻或消 除铸钢件增碳的专用涂料等。开发适用于消失模铸造的性能优良的涂 料是铸造科技工作者的一项艰巨任务。国外对消失模铸造涂料的研究 起步较早，已经有一些商品性的涂料，但是价格昂贵。国内对采用含 有粘结剂的砂型所用的消失模铸造涂料基本能够生产，而对于干砂负 压消失模铸造( 即现代消失模铸造) 用涂料主要依赖国外进口，这就使生 产成本提高，在一定程度上限制了消失模铸造工艺的发展。为促进消 失模铸造这一先进制造技术的推广应用，结合国内资源情况，从涂料 的组成、原材料种类和性能入手，研制适合我国国情的成本低、质量 好的涂料，实现消失模铸造涂料国产化是非常必要的。同时，分析消 失模铸造涂料的工艺特点，建立统一的测试方法和标准，势在必行【2 ”。 9 台肥工业大学硕士学位论文 消失模铸造涂料的研制与应用 第二章消失模铸造涂料性能的测试 消失模铸造涂料是否满足性能要求，必须进行检测，而目前国内 尚无消失模铸造涂料统一的测试方法和标准，因此，作者在参考铸造 阍普通砂型涂料性能检测方法的基础之上，根据消失模铸造对涂料的 特殊性能要求，结合其他文献，研制了几套消失模铸造涂料性能的测 试装置，设计了几种测试方法。 消失模铸造涂料的性能分为工艺性能和工作性能，测试方法分述 如下： 2 1 消失模铸造涂料工艺性能的测试方法 ( 1 ) 密度 密度的大小反映涂料中含固量的高低，对涂料的工艺性能和工作 性能都有很大的影响【27 1 ，密度太小，涂料中耐火粉料含量不足。涂料 抗滴淌性差，不易涂挂和建立所需的涂层厚度，起不到保护支撑和隔 离的作用，烘干时，涂层收缩大容易开裂。 若密度太大，则因实型模样的密度小( 与涂料密度相差几十甚至几 百倍) 且本身强度又不高，浸涂时因涂料浮力过大容易导致实型模样变 形损坏，涂挂后，涂层厚、流平性差，导致涂料堆积( 在模样的内腔、 叫槽、转角处尤为严重) ，烘干时，涂层内外受热不均匀容易开裂。工 作时影响透气性。 消失模铸造涂料的密度采用称重法测定： 计算公式为d = ( m i m o ) 1 0 0 ， 其中d 涂料密度 m o 一装涂料前量筒的重量 m l 装涂料后量筒的重量 ( 2 1 悬浮性 悬浮性又称为沉降稳定性，消失模铸造涂料的悬浮性会直接影响 涂料的涂挂能力、涂刷操作和涂层的均匀性。若悬浮性差，涂料在储 存过程中就会分层，从而影响施涂效果。通过测试消失模铸造涂料的 悬浮率来衡量其悬浮性。 消失模铸造涂料的悬浮率采用柱塞量筒法测定。 ( 3 ) 触变性 0 含肥工业大学硕士学位论文 消失模铸造涂料的研制与应用 触变性是指流体受剪切作用时粘度逐渐降低，剪切作用停止后， 其粘度又逐步恢复的性能。涂料的触变性直接影响其工艺性能。在模 样浸涂时，涂料受到剪切作用，粘度降低，流动性提高，涂料能在模 样表面铺展、流平施涂结束时，涂料粘度逐渐恢复，在模样表面流掉 过量涂料的同时，能确保模样表面上能形成定厚度的、均匀的涂层。 用n d j 1 型旋转粘度计测量，转速为n = 1 2 r r a i n ，使用3 # 转予， 每隔一定的时间( 1 0 s ) 读得粘度值，绘制流变曲线； 另外，用n d j 1 型旋转粘度计测量触变指数，测得转速分别为 n = 6 r m i n 和n = 6 0 r m i n 的粘度值r l6 和r l6 0 ，触变指数n 即为两粘度比 值。 ( 4 ) 涂挂性 涂挂性对干砂负压条件下的消失模铸造涂料非常重要。良好的涂 挂性是在浸涂时形成一定厚度涂层的必要条件。 我们将图示( 图2 1 ) 塑料模样浸于被测涂料中涂挂，称量涂挂前后 的涂挂重量，然后利用下式计算模样表面涂层的平均厚度： 6 = ( m 2 - m 1 ) ( f d ) 其中6 一涂层平均厚度，m m m 2 一涂挂后塑料模样的重量，g m l 一涂挂前塑料模样的重量，g f 一涂挂面积，fnx d x l + d2 2 ) r a m 2 d 一涂料的密度，g c m 3 d 一塑料模样的直径，m i l l l 一塑料模样的长度，i n l n 2 i - 悬挂环 2 一泡沫塑料 图2 1 涂挂用泡沫塑料模样 合肥工业大学硕士学位论文 消失模铸造涂料的研制与应用 ( 5 、流平性 流平性的实质是指施涂后的涂料在其内部结构完全恢复、失去流 动之前，借助于表面张力、自身重力等作用自由流动，而使涂层表面 光滑的特性。在消失模铸造中，涂料施涂后流平与否不会影响型腔的 形状，但会影响涂层的透气性，进而影响金属液的充填以及铸件的质 量。 采用实际使用的泡沫塑料模样浸涂后肉眼观察流平情况。 2 2 消失模铸造涂料工作性能的测试方法 2 2 1 涂片的翩备 采用不锈钢模具来制作涂片。测涂片抗弯强度和透气性用模具分 别如图2 2 和图2 3 ( 单位：蛳) 所示。 厚6 = 1 8 图2 2 铡抗弯强度用模具 厚6 = 0 8 图2 3 测透气性用模具 1 2 垒! ! 王些查堂堡主兰堡堡苎 鲨叁堡箜堕堡! 幽型皇! ! 旦 将配制好的涂料倒入图示模具中，上表面刮平之后，置于烘箱中 烘干，烘干温度为5 8 6 0 c ，时间分别为2 5 小时和1 5 小时。之后， 从模具中取出涂片，进行性能测定。此方法一次可制得多个试样，具 有较好的重复性和稳定性。 2 2 2 消失模铸造涂料的工作性能测试方法 ( 1 ) 粘结强度 粘结强度的大小反映了涂料对泡沫塑料附着能力的高低。若粘结 强度过低，则在搬运、填砂和震实过程中涂料层可能会从模样表面脱 落，起不到对模样的加固作用，因此，涂料和泡沫塑料模样之间应该 有较高的粘结强度。 参考粘结剂的性能测试方法【28 1 ，我们用自制简易夹具和x l 一5 0 a 型拉力试验机，来测定涂料对泡沫塑料模样表面的附着力，即粘结强 度。利用不同形状的泡沫塑料模样分别测试了抗拉强度和抗剪切强度 ( 如图2 4 和2 5 所示、。将直径为3 5m 的圆柱形泡沫塑料模样的工作面 涂上一层涂料，然后和一同样尺寸的泡沫塑料模样的工作面对接或 搭接，需要注意的是，为使涂层完全从同一面上脱落，我们将对接或 搭接的两个面的其中一个进行加工，使其较为粗糙，而保持另一个面 光滑( 为实际生产时的工作面) 。之后，将对接或搭接后的试样连同夹具 起置于烘箱中，在5 5 6 0 下烘干5 小时，取出并安装在拉力试验机 上，启动加载电机和拉力传感器，直到对接或搭接处断开为止，读出 所加载荷数值，根据公式计算粘结强度： 抗拉强度a l = f s 其中 f 一所加载荷值( n ) s 一受力面积，1 7 5 2 衄2 整理得a l = 1 0 4 0 f ( k p a ) 抗剪切强度o j = f s 其中 f 一所加载荷值( n ) s 一受力面积，2 5 x 2 5 m m 2 整理得o j = 1 6 0 0 x f ( k p a ) 垒坠王些盔堂堡圭堂垡笙皇 塑叁堕箜丝鎏型堕型型量查旦 卜光滑工作面 2 粗糙工作面 3 一涂料 图2 4 测涂料抗拉强度示意图 2 3 2 1 一光滑工作面 2 一粗糙工作面 3 涂料 图2 5 测涂料抗剪切强度示意图 1 4 合肥工业大学硕士学位论文 消失模铸造涂料的研制与应用 ( 2 ) 抗弯强度 抗弯强度是消失模铸造涂料的重要性能。消失模铸造涂料应该具 备较高的常温抗弯强度和高温抗弯强度，以提高泡沫塑料模样的强度 和刚度，防止搬运、填砂和造型时涂层损坏和负压造型时模样的变形： 在金属液充型时防止铸型坍塌。因此，消失模铸造涂料的抗弯强度对 f 获得合格铸件具有十分重要的意义。 消失模铸造涂料的抗弯强度分为常温抗弯强度和高温抗弯强度， 测试方法分述如下： a ) 常温抗弯强度 将涂片烘干后采用自制的抗弯强度测试装置测试涂片的抗弯强 度，两支点间距为4 l 衄。其原理如图2 6 所示。 涂片的抗弯强度g w = n b s = m g b 8 。 其中n 一载荷 m 一载荷质量( g ) b 一涂片宽度，2 0 m m 6 一涂片厚度( m m ) 整理得o w = o 4 9 x m 8 ( k p a ) b ) 高温抗弯强度 将涂片烘干后，置于高温炉中于9 0 0 下加热1 0 分钟，取出冷却 后，用抗弯强度测试装置进行测试。不难看出，此处实际上测试的是 涂片经高温后的残留抗弯强度，只在一定程度上反映涂料高温强度的 变化趋势。 ( 3 ) 透气性 透气性是消失模铸造涂料的一项非常重要的性能指标。在消失模 铸造中，型腔被涂料严密包围的模样占据，充型是高温金属液熔化、 气化并置换泡沫塑料模样的过程，这一过程复杂并受多种因素的影响。 液流前端的流动受到模样分解产物的阻碍，只有模样在高温下不断转 变，且分解产物顺利通过涂层排出，充型才能继续。涂料层透气性过 低，气体逸出慢，压力高，阻碍金属液的充填，造成铸件产生冷隔、 缺肉、气孔和积碳等缺陷。而涂料层透气性过高，又会造成机械粘砂。 因此，涂料合适的透气性是消失模铸造的关键性指标，是充型顺利进 行的条件，是获得无缺陷铸件的保证。 2 消失模铸造涂料的透气性分为常温透气性和高温透气性，测试方 法分述如下： a ) 常温透气性：采用s t z 型透气性测定仪测定涂料的常温透气率。 先在测型沙透气性用的标准试样筒端面涂摸一薄层凡士林，将涂片贴 在涂有凡士林的端面上，然后将试样筒套在透气性测定仪的试样座上， 最后在涂片上压上通孔压盖( 如图2 7 所示) 后即可测试。先读出水柱高 度，再从水柱压力和透气率的换算表上查得透气率1 2 9 。 b ) 高温透气性：鉴于高温透气率的测试一方面比较困难，另一方 面各种测试方法各有利弊【2 ”，互相之间可比性较差，故采取如下方法： 先将烘干后的涂片试样置于高温炉中于9 0 0 下加热1 0 分钟，取出冷 却后再利用常温透气率的测试方法来测试其透气率，以此来衡量涂料 的相对高温透气性大小。此方法简单易行，有较好的稳定性和数据重 现性，彼此之间也有较好的可比性，在一些具体条件下能够反映涂料 高温透气性的变化趋势。 ( 4 1 抗裂性 通过肉眼观察烘干后涂片的开裂情况来评价涂料抗裂性能。 ( 5 ) 发气性 消失模铸造涂料的发气性是指涂料受热时能析出各种气体的能 力。用单位质量涂料析出气体的体积即发气量来表示。 测试方法：用s f q 型记录式发气性测定仪测定。首先制备试样， 将待测涂料1 0 9 左右放在烘箱中，升温至15 0 5 ，保温2 小时，冷 挣肥工业大学硕士学位论文 消失模铸造涂料的研制与应用 却至室温，研成粉末，放入干燥器备用。测试时，将试样o 5 9 均匀置 f 预先经10 0 0 灼烧过的瓷舟内，然后将瓷舟送入已升温至1 0 0 0 5 的发气性测定仪的石英管红热部位，立即封闭管口，记录仪开始记 录试样的发气量，保持至试样无气体在析出为止。从记录纸上的发气 曲线，可得到涂料试样的发气量和发气速度。 5 1 一 试样座 2 一 试样简 3 一压盖 4 一凡士林密封层 5 一 涂片 图2 7 涂料透气率测试装置 3 全竖! 、业查兰堡主兰垡堡苎 塑叁竖壁堕堡型堕塑羔! ! ! ! 塑 第三章耐火粉料对消失模铸造涂料性能的影响 耐火粉料是消失模涂料的主要组成部分，大约占5 0 v 以上2 ”，它 直接影响着涂料的工艺性能和工作性能，它的物理化学性质在很大程 度上决定了涂料的使用效果，因此研究耐火粉料进而恰当地选取使用 耐火粉料是保证铸件质量的关键。本章分别从耐火粉料的两个方面( 粒 形和粒度级配) 来研究耐火粉料对消失模铸造涂料性能的影响规律。 3 1 粒形对涂料性能影响规律的研究 3 1 1 试验材料及试验方法 试验分两组分别进行： ( 1 ) 消失模铸造涂料的耐火粉料选择莫来石一硅灰石组合，其中硅 灰石占耐火粉料的比例为o - 3 0 ( 质量分数) 。 ( 2 ) 消失模铸造涂料的耐火粉料选择铝矾土一云母组合，其中云母 d ，耐火粉料的比例为o - 3 0 ( 质量分数) 。 硅灰石及云母的性能参数如表3 1 所示。 表3 1硅灰石及云母的性能参数 名称化学式粒度i m外观 密度l g l e m 3 形态耐火度 硅灰石c a s i 0 ，0 0 4 5 - 0 0 7 4银白色2 8 - 2 9纤维状 15 4 0 白色 云母h2 k a i 3 ( s i 0 4 ) 3 0 0 7 4 0 14 92 6 2 8 6片状l4 0 0 有闪光 3 1 2 试验结果及分析 ( 1 ) 工艺性能 a ) 悬浮性 试验涂料的悬浮率如表3 2 和3 3 所示。 表3 2硅灰石含量对涂料悬浮性的影响 i硅灰石含量 o51 015 2 02 53 0 i 涂料悬浮率( ，2 4 h ) 8 59 19 29 4 9 69 89 9 垒壁三些奎堂堕圭堂垡笙壅 一盟生竖壁堡鎏整堕婴型! ! 壁旦 表3 3云母含量对涂料悬浮性的影响 l云母含量 o 51 0152 0 2 53 0 i 涂料悬浮率( ，2 4 h ) 8 9 9 39 59 69 7 9 89 9 从表3 2 可以看出，随硅灰石含量的增加，涂料悬浮率提高，悬浮 性变好，从而在贮存过程中具有良好的防沉降能力。硅灰石特有的纤 维状形态使它在涂料悬浮液中易于形成网状结构，这种结构使得粉料 颗粒不易下沉。 从表3 3 可以看出，片状云母对涂料悬浮性的影响规律与硅灰石类 似。 ( b ) 触变性 试验涂料的触变指数如表3 4 和3 5 所示。 表3 4 硅灰石含量对涂料触变性的影响 i 硅灰石含量 o51 015 2 02 53 0 i 触变指数 3 1 25 78 41 1 8l5 8182 0 6 表3 5云母含量对涂料触变性的影响 i 云母含量， o5 l o 152 02 53 0 l触变指数 4