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消失模水基铸钢涂料剥落性能研究 摘要 消失模铸造技术被铸造界誉为绿色铸造，铸件成本大大降低，并很 好地改进了铸造业的高能耗，高污染问题。该种铸造方法适用范围广、 生产效率高、经济效益高。在消失模铸造发展进程中涂料的研究一直占 着相当的比重，所以研究开发消失模自剥落水基铸钢涂料有重要意义。 本文通过不同骨料的阶梯对比试验、在涂料骨料中添加f e 2 0 3 、对骨 料微观结构的分析，利用扫描电子显微镜( s e m ) 、电子探针显微分析、 x 射线衍射仪( x r d ) 、等分析手段较系统地研究了烧结程度、铸件质量 以及不同骨料对涂料剥落性能的影响，结果表明： 对于消失模铸钢涂料骨料的选择应该与浇注温度相匹配，略高于或 者与铸件的浇注温度相同，在浇注后形成大约为涂料层厚度约三分之一 的烧结层，对于铸件在落砂后涂料的剥落有较好的作用。 对于浇注铸件质量小于10 0 0 k g ，模型质量小于10 k g ，在9 6 石英涂 料中不加入f e 2 0 3 对涂料有较好效果；对于浇注铸件质量大于等于 10 0 0 k g ，模型质量大于10 k g 以上，需要在涂料加入5 的f e 2 0 3 对促进 涂料的剥落有较好的效果。 由于铝矾土颗粒相较于石英粉颗粒的多孔特性，使得铝矾土涂料在 浇注过程中有利于泡沫模型的裂解产物从型腔内排出，外界氧化性气氛 容易进入型腔，促使了涂料与钢液界面上金属氧化物的形成，促使涂料 在浇注后从铸件表面剥落。 在型腔内的气氛有助于“f e o 与耐火骨料中的a 1 2 0 3 形成了化学反 应，形成耐火度较高的铁铝尖晶石相，且钢水与界面生成物能够稳定存 在，在冷却过程中涂料壳外层与金属的线收缩率由较大差异，促进了涂 料从铸件表面自动剥落。 关键词：消失模；铸钢；水基涂料；剥落 硕士学位论文 a b s t r a c t e x p a n d a b l ep a t t e r nc a s t i n g ( e p c ) t e c h n o l o g yi s c o n s i d e r e dt ob et h e m o s tp o s s i b l eg r e e nc a s t i n gt e c h n o l o g yi n 2 1c e n t u r y t h et e c h n o l og y g r e a t l yr e d u c et h ec o s to fc a s t i n ga n di m p r o v e st h ef o u n d r yi n d u s t r y sh i g h e n e r g yc o n s u m p t i o n ，h i g hp o l l u t i o np r o b l e m s t h ec a s t i n gm e t h o dc a nb e u s e df o raw i d er a n g e s h i g hp r o d u c t i v i t ya n dh i g he c o n o m i ce f f i c i e n c yi s t h ec h a r a c t e r so ft h i sm e t h o d r e s e a r c ho fc o a t i n g sh a sa l w a y sb e e n c o n s i d e r e dt ob ev i t a li nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fe x p a n d a b l ep a t t e r n c a s t i n g i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o p ak i n do fw a t e r - b a s e dc a s ts t e e l c o a t i n gw h i c hc a np e e l f r o mc a s t i n ga u t o m a t i c a l l yi ne x p a n d a b l ep a t t e r n c a s t i n g i nt h i s p a p e r ，c o a t i n gp e e l i n g e f f e c t so ff a c t o r s ，f o re x a m p l e ，t h e d e g r e eo fs i n t e r i n g ，c a s t i n gw e i g h t s ，a sw e l l a sa g g r e g a t ep e r f o r m a n c ei s s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yt h r o u g hl a d d e rc o m p a r i s o nt e s t s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) ，e l e c t r o np r o b em i c r o a n a l y s i s ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n a l y s i sw e r eu s e di nt h ee x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss u g g e s t ： c a s ts t e e lc o a t i n ga g g r e g a t eo fc o a t i n gs h o u l dm a t c hw i t ht h ep o u r i n g t e m p e r a t u r e ，h i g h e rs l i g h t l yt h a no rt h es a m et ot h ep o u r i n gt e m p e r a t u r e a p p r o x i m a t e l ya b o u to n e t h i r do ft h et h i c k n e s so fs i n t e r e dl a y e rf o r m e di n t h ec o a t i n ga f t e rp o u r i n gh a sg o o de f f e c t sf o rp e e l i n gf r o mc a s t i n g s 9 6 q u a r t zc o a t i n gw i t h o u tf e 2 0 3h a sag o o de f f e c tf o rp o u r i n gt h e w e i g h to fc a s t i n gi s l e s st h a n1 0 0 0 k ga n dt h ew e i g h to ft h em o d e li sl e s s t h a n10 k g ，9 6q u a r t zc o a t i n gw i t h5 f e 2 0 3h a sag o o de f f e c to nt h e p r o m o t i o no ft h ec o a t i n gp e e l i n go f f c o m p a r e dt ot h eq u a r t zp a r t i c l e s ，b a u x i t ep a r t i c l e sh a v ep o r o u sn a t u r e ， p o r o u sn a t u r ei nt h eb a u x i t ec o a t i n gm a k et h ep y r o l y s i sa p p e a r i n gi nf o a m m o d e lp r o d u c t sd i s c h a r g e df r o mt h ec a v i t yi nt h ec a s t i n gp r o c e s s i n g ，t h e o x i d i z i n ga t m o s p h e r eo ft h eo u t s i d ec a nb ea c c e s st ot h ec a v i t yt op r o m o t e c o a t i n g a n dt h ef o r m a t i o no fm e t a lo x i d e si nt h e i n t e r f a c eb e t w e e n s t e e l 1 i q u i da n dc o a t i n g ，p r o m p t i n gt h ec o a t i n gp e e l i n g f r o mt h ec a s t i n g s u r f a c ea f t e rp o u r i n g n i 消失模水基铸钢涂料剥落性能研究 t h e c a v i t y o ft h ea t m o s p h e r e h e l p f e o a n da 1 2 0 3t o f o r mt h e h e r c y n i t ep h a s ew h i c hh a sh i g hr e f r a c t o r i n e s s t h ep h a s ec a nb es t a b l et o e x i s tb e t w e e ns t e e l - l i q u i da n dc o a t i n g b e c a u s et h ec o a t i n gi sd i f f e r e n tf r o mt h eo u t e rl a y e ro fm e t a la tt h e l i n e a rs h r i n k a g er a t e d u r i n gt h ec o o l i n gp r o c e s s ，t h e np r o m o t ec o a t i n g p e e l i n gf r o mt h es u r f a c eo fc a s t i n ga u t o m a t i c a l l y k e yw o r d s ：e p c ；s t e e lc a s t i n g ；w a t e r - b a s e dc o a t i n g ；p e e l i n go f f i v 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 消失模铸造技术简介 美国人h f s h r o y e r 在19 5 8 年发明了用可挥发性泡沫塑料模样制造金 属铸件的实型铸造技术。该技术是采用聚苯乙烯( e p s ) 板材加工铸件模 型，采用粘土砂造型，当时该技术主要是用来生产艺术品铸件。采用这 种方法，造型后泡沫塑料模样不必起出，而是在浇入液态金属后聚苯乙 烯在高温下分子裂解而让出空间充满金属液，凝固后形成铸件。 上世纪七十年代末由英国铸钢研究与工业协会( s c r a t a ) 将 h f s h r o y e r l9 5 8 年发明的实型铸造与19 71 年日本秋田株式会社和长野 县工业试验所发明的真空密封造型法( 即v 法) 结合起来，该种技术是采 用聚苯乙烯( e p s ) 板材加工铸件模型、无粘结剂干砂及真空密封造型的抽 真空技术进行造型1 。消失模铸造技术被铸造界誉为绿色铸造，铸件成 本可降低l0 、3 0 ，并很好地改进了铸造业的高能耗，高污染问题阳1 。 消失模铸造原理示意图如图1 1 所示： 砂箱 塑料泡沫模型 金属液前端气隙 涂料层 图1 1 消失模铸造原理示意图 该法的工艺过程是用聚苯乙烯泡沫塑料制成模样，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 消失模水基铸钢涂料剥落性能研究 的工艺过程如图1 所示。 图1 2 消失模铸造的工艺过程 1 1 1 消失模铸造特点 消失模铸造与一般铸造方法相比，它具有以下优点引3 ： a ) 适用范围广。既可以用于铸钢件、铸铝件，也可用于普通铸铁件， 还可以用于小件的大批量生产和复杂大件的制造。 b ) 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。 c ) 经济效益高。不需型芯，不需起模，型砂不用粘结剂，所以型砂 的回收利用率高。型砂无需配制，既节材又节能，一般来讲可以比传统 砂型铸造降低2 0 - 4 0 的成本。 d ) 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。 e ) 设计灵活。为铸件结构设计提供了充分的自由度。原先分为几个 零件装配而成的结构，可以通过由几个泡沫塑料模片粘合后铸造而成。 原先需加工形成的孔、洞可以不用砂型而直接铸造出来，大大节约了机 械加工和制芯成本，并且可以通过泡沫塑料模片组合铸造出高度复杂的 铸件，冒口设计方便，金属液利用率高。 f ) 便于机械化生产。模型设计的自由度增大，消失模铸造的设备简 单，可以根据空间的不同来改变造型线，造型线所需投资少、见效快， 由于使用干砂而使得传统铸造中庞大的砂处理设备得到大大简化。自动 化程度高，容易控制生产，减少劳动力，降低劳动强度。彻底改变了传 统铸造的“苦、脏、累 的形象。 g ) 绿色环保，减少环境污染。型砂中无化学粘结剂，低温下泡沫塑 料对环境完全无害，泡沫分解产物被真空系统抽走后加以处理；消失模 铸造采用干砂造型，大大减少铸件落砂、清理的工作量，大大减少车间 硕士学位论文 的噪声和粉尘。模样质量轻，工人劳动强度低，雨淋加砂时的粉尘可集 中收集、除尘、对工人的健康危害小。可以说消失模铸造技术是“铸造 业的绿色航母 。 1 2 消失模铸造技术国内外研究现状 1 2 1 国外消失模铸造技术发展概述 作为“明天的铸造技术 ，消失模铸造技术从一诞生就以其独具的优 越性受到世界各国科研人员及企业界的青睐。该项技术对工业发展的推 动作用，也引起了先进工业国企业界的高度重视。到8 0 年代消失模铸造 刚刚诞生时，北美和欧洲的工业大国就已经在这方面取得了辉煌的成果。 美国通用汽车公司于19 8 6 年投资110 0 万美元建成了一条年产3 7 0 万套 气缸盖的消失模铸造全自动生产线。19 9 0 年，通用汽车公司又在s a t u r n 建成年产铸件5 5 万吨( 2 4 万辆轿车) 1o 万平方米的新铸造厂，其中存 在三条全自动的e p c 生产线。到了19 8 9 年，美国s t r a t ec a s t s 公司用消 失模铸造方式生产铸件9 万吨( 其中铸铝件5 万吨、铸铁件4 万吨) 。从 这些数据上我们可以看出消失模铸造在工业发达国家发展是极为迅速 的。图1 3 为美国m e r c u r ym a r i n e 公司的消失模生产线。图1 4 为国外 企业采用消失模技术生产的各种材质的优质铸件。 图1 3 美国m e r c u r ym a r i n e 公司的消失模生产线 消失模水基铸钢涂料剥落性能研究 圈1 4 国外企业采用消失模技术生产的各种铸件 参考美国铸造学会2 0 0 2 年正式出版的消失模铸造企业及供需指南 3 ，下面列举出北美和欧洲采用消失模铸造生产铝合金铸件的前十大企 业( 见表1 ) 和黑色合金铸件的前十大企业( 见表2 ) 的主要产品和产量情 况。从表1 知，2 0 01 年美国6 家公司消失模铝合金铸件的总产量已超过8 万t ，其中铝合金铸件年产超过万吨的公司就有4 家。可以说在美国用消 失模铸造生产铝合金铸件的产量大有超过黑色合金铸件产量的趋势。在 近几年a f s 举办的每届铸件评优活动中，都有不少消失模铝合金铸件入 选。2 0 0 3 年上半年a s f 又评选出的10 件优秀铸件，其中就有两件消失模 铸件榜上有名：一件是g m p o w e r t r a i n 公司生产的铝合金4 缸缸体和缸 盖，另一件是加拿大v e h c o mc a s tm a n u f a c t u r i n g 提供的汽车压力气管。 4 硕十学位论文 表1 北美和欧洲铝合金消失模铸造十大企业 公司名称基本情况 美国g m s a t u r n 公司 美国g m - pp o w e r t r a i ns a g i n a w 厂 美国g m p o w e r t r a i nm a s s e n a 厂 德国b m w 公司 美国i n t e r n e tf o u n d r y 公司 意大利t e k s i da l u m i n u m 公司 意大利a l l u m i n i od o n g o 公司 美国m a c o 公司年产 美国m e r c u r ym a r i n e 公司 美国w i l l a r di n d u s t r i e s 公司 年产1 0 3 5 万t 铝合金缸体、缸盖和球铁 铸件 年产1 7 5 5 万t 铝合金( a 3 5 6 ) 缸体和缸盖 铸件 年产3 6 万t 铝合金( 319 ) 铸件( 汽车发动 机铸件) 生产轿车铝合金铸件( 6 缸缸体缸盖) 年产1 万t 铝合金( 319 3 5 4 2 4 2 ) 发动机 年产2 万t 铝合金汽车铸件 年产1 6 万t 铝合金汽车铸件 0 6 3 万t 铝合金泵体和传动箱体等 年产o 5 4 万t 铝合金( 3 5 6 ) 轿车和船舶铸 件 年产0 1 6 万t 铝合金铸件 表2北美和欧洲消失模铸造黑色合金铸造十大企业 公司名称基本情况 美国r o b i n s o nf o u n d r y 公司 美国c i t a t i o nf o a mc a s t 公司 美国a d v a n c ec a s tp r o d u c t s 公司 美国m e t f o a mc a s t i n g 公司 美国w a u k e s h af o u n d r y 公司 荷兰l o v i n k 公司 德国h a n d t m a n n 公司 墨西哥a r b o m e x 公司 英国l i n a m a r 公司 美国m u e l l e r 公司 年产1 2 万t 灰铁和球铁铸件( 汽车配件) 年产1 3 万t 灰铁和球铁铸件( 轿车、卡车配 件 及电机壳体) 年产1 2 万t 灰铁和球铁铸件( 汽车配件) 年产1 8 万t 灰铁和球铁铸件( 汽车和机车辆 配件) 生产铬基合金、铜合金以及碳钢铸件 年产1 2 万t 灰铁和球铁铸件 生产灰铁、球铁以及铝合金铸件 年产1 2 万t 灰铁和球铁铸件( 汽车配件) 生产汽车和铁路配件( 灰铁和铝合金) 生产泵体和阀体配件 经过3 0 年的发展，工业发达国家对消失模铸造的研究热点集中在模 型尺寸变化规律及精度的控制、消失模铸造涂料、铝合金消失模铸造过 5 消失模水基铸钢涂料剥落性能研究 程中各种缺陷的解决及铸造机理研究、消失模铸造c a e 和快速制造技术 和消失模质量评定等方面1 1 ”胡n 们“引。 1 2 2 国内消失模铸造技术发展概述 中国消失模的发展几乎与国外的发展同步，上海机械制造工艺研究 所从2 0 世纪6 0 年代中期就开始对消失模铸造进行了研究和生产试验的 尝试n 引。我国在七十年代后期已经对消失模铸造法大批量生产进行了尝 试。但是在8 0 年代后的时间里，由于我国的经济情况，致使在研究深度、 应用范围和生产规模方面，被国外先进的国家拉开了很大的差距，国外 的发展日新月异，消失模铸造的应用逐渐向自动化、专业化发展，应用 范围也在不断扩大n ”。由于和国外的消失模技术的巨大差距和国内消失 模铸造技术的需求，国内的消失模技术工作者在进入2 0 世纪9 0 年代后， 带着巨大的热情投入到中国消失模铸造研究和应用的热潮中，希望在技 术上赶上并超过国外发达国家的消失模铸造水平。在19 9 8 年中国科学院 黄述哲研究员主持完成的消失模铸造流水生产线工程被国家科技部列为 “九五国家科技成果重点推广项目 ，获得了中科院科技进步二等奖和国 家科技进步三等奖，这是我国消失模铸造工业界科技成果中获得的最高 奖项引，为我国消失模铸造做出了突出的贡献。 进入21 世纪以后，我国的消失模铸造得到了长足的发展，到2 0 0 3 年中国和美国相比，我国的消失模铸造起步虽晚，但是经过l0 多年的发 展，目前全国消失模铸造企业己经超过2 0 0 家，其中生产铸铁件的企业 约15 0 家，生产铸钢件的企业约5 0 家。其中一大批工厂使用国产的设备 和技术，建成年产几百吨至几千吨的简易生产线以及采用机械、液压和 电动方式的闭环生产线，如新兴铸管集团和大连机车车辆厂等分别建成 年产达3 0 0 0 50 0 0 t 的铸铁件生产线，华中科技大学为武钢烧结配件加 工厂等6 家工厂建造年产千吨铸铁件和铸钢件生产线n 引。2 0 0 6 年中国消 失模铸造发展迅速，主要体现在心们：( 1 ) 采用消失模批量生产缸盖和缸体 铸件获得突破；( 2 ) 消失模铸造批量生产球墨铸铁件的质量稳定；( 3 ) 消 失模铸造生产铸铁箱体优势凸现；( 4 ) 消失模铸造铝合金铸件成功生产。 从总体上看，目前我国的e p c 技术还处于较低的水平，在铸件的复 杂程度以及质量水平方面，在技术成套性、商品化以及机械化、自动化 程度等方面与先进工业国还有较大的差距，发展我国消失模技术亟待解 决以下问题心：( 1 ) 涂料性能检测仪器的开发和钢、铁、铝合金铸件用涂 料的标准化和商品化；( 2 ) 高效振动台的开发和干砂紧实特性的研究；( 3 ) 铝、铁、钢金属液充型凝固特性的研究( 包括物理测试仪器方法和计算机 数值模拟，软件的开发和商品化) ；( 4 ) 铝铸件疏松、渗漏、钢铸件增碳、 6 硕十学位论文 增氢、铸铁件的皱皮等缺陷形成机理及消除措施的研究；( 5 ) 模型尺寸变 化规律及精度的控制；( 6 ) 消失模与低压铸造等其它方法复合工艺的研 究；( 7 ) 工装模具的c a d c a m 及快速制造技术；( 8 ) e p c 车间废气净化 方法及装置的研究。 面对以上这些我国消失模行业所面临的问题，肖泽辉等认为中国消 失模铸造的发展方向有：( 1 ) 加强泡沫塑料模样原材料以及成型工艺的开 发；( 2 ) 加强模料的发泡成型控制；( 3 ) 针对中国涂料的研究及生产状况， 研制钢、铁以及铝合金铸件等专用涂料，实现涂料的商品化生产；( 4 ) 加 强对铝、铁、钢等合金液态充型与凝固特性的研究。 1 3 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，国外素有“涂料即是铸型 之说旺纠。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与之密切相关。 现在消失模涂料存在最大的问题是储藏时间短、透气性差、铸件表 面质量不理想、内部不致密、涂层不自动剥落，因此根据我国国内资源 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 较低、质量较好的涂料。 1 3 1 国内外对消失模铸钢涂料研究的概况 在消失模铸造发展进程中涂料的研究一直占着相当的比重。作为消 失模技术在实际生产中应用的成败的关键，涂料一直是研究者们孜孜不 倦的研究目标。现在，在国外的许多厂家己经研制出了各种用于消失模 铸造的专利涂料英国的f o s e c om o r n a l 公司研制的系列涂料被用于黑色及 有色金属的消失模铸造，具有不同的保温性、透气性及耐火性，经实践 证明是一种性能优良的涂料。在日本也已经开发出了用于铸铝、铸铁、 铸钢等不同类型的系列涂料。 现在国外消失模铸造用涂料己经成功的商品化、系列化，涂料也已 经可以满足铸造生产用。但是，依旧还有很多的问题需要解决，像气孔、 夹渣、碳缺陷、粘砂等问题都是可以通过涂料的高温性能，涂料与金属 液、泡沫塑料的热解产物之间的相互作用等等来解决的。有文献指出心引， 虽然在涂料研究上己经取得了很大的成就，但是对涂料性能方面的研究 缺乏定量性，缺乏较有效的反映涂料性能的测试方法与测试装置的研究。 国内对于涂料的研究进行的很晚，查阅资料可看出，在整个8 0 年代， 7 消失模水基铸钢涂料剥落性能研究 我国在消失模铸造涂料研究方面的文献很少。直至最近几年，随着消失 模铸造工艺的迅速发展与应用，愈加显示出涂料研究的紧迫性心4 1 。 进入9 0 年代，消失模铸造工艺的研究文献愈来愈多，对涂料技术的 研究不断有新的见解和突破。但研究的深度和广度与实际生产的要求还 相差较远，涂料的商品化、系列化程度很差。至l9 9 2 年，我国西安延兴 铸造涂料厂才开始生产消失模铸造涂料凹引。据分析可见，我国对消失模 铸造涂料的研究开发总的来说是缓慢的，落后于消失模铸造工艺其他技 术的研究，阻碍了消失模铸造工艺的应用与发展。消失模铸造涂料的研 究目前主要停留在对涂料配方的研制，对涂料的某些性能的研究，而且 许多秘方尚未公开，有关涂料对铸钢涂料浇注后的自剥离性能的研究很 少。 国内的消失模铸造用涂料主要以浆状涂料为主，多数情况下是由企 业自己配制自己使用，这样配制出来的涂料难免在实际生产中的使用性 能不稳定，使用效果也不是令人满意，难以达到生产要求。现在国内已 经出现了由专业厂家生产的专用的商品涂料，使得上述的这种情况得到 相当程度的改善。目前国内的消失模铸造用涂料以浆状、膏状和粉状为 主，生产专业涂料的厂家也不是很多，同样无法满足各种金属材料实际 生产的需要。 1 3 2 涂料在消失模铸造中的作用 与一般砂型铸造涂料不同，消失模铸造用涂料不是涂覆在铸型型腔 上，而是涂覆在泡沫塑料上，当泡沫塑料模型被液态金属置换时，涂层 实际上起到的是铸型作用。热分解产生的大量各种气体要通过型砂与涂 料间空隙方能排出铸型外。但是，液态金属在负压的作用下很容易渗入 干砂间的空隙而形成机械粘砂。为了避免产生机械粘砂，消失模模样表 面必须涂挂一层耐火涂料。在铸型浇注过程中，这一层耐火涂料是介于 金属液和型砂之间，对消失模模样的气化、金属液充填和铸件的形成等 起着十分重要的作用凹引。 ( 1 ) 防止铸件产生机械粘砂和热化学粘砂，机械粘砂的实质是金属液 对砂粒间空隙的充填渗入。在普通砂型铸造中，金属液在铸型某点上的 渗入压力即为金属液的压强。当渗入压力超过砂粒间空隙中的气体反压 力和由金属液表面张力引起的附加压力时，金属液才能渗入砂粒空隙中 形成机械粘砂。但是在消失模铸造中金属液的渗入压力比砂型铸造大很 多，由于有负压的存在，金属液更加容易渗入砂粒空隙中形成机械粘砂， 所以铸件表面就容易有较严重的针刺和粘砂现象。在泡沫塑料模的外表 面涂挂一层有一定厚度的致密涂料涂层，可以起到阻止金属液渗入的作 8 硕十学位论文 用，从而防止铸件产生针刺和机械粘砂。 消失模铸造目前广泛使用的型料是干的石英砂，由于耐火度均不高， 熔融温度较低。当浇入高温金属液后极容易被金属液所熔融，形成节瘤 等缺陷，产生热化学粘砂。因此，在金属液和型砂之间隔离一层耐火度 高的涂层，有助于防止热化学粘砂。 ( 2 ) 提高泡沫塑料模型的刚度和强度，防止造型时变形。 这是耐火涂料层在消失模铸造中的独特的作用。泡沫塑料模在造型 操作时，不可避免地要受到一定大小型砂对模型的冲击力作用，因而模 型可能产生压缩变形和弯曲变形，进而影响到铸件的最终尺寸精度。模 型表面涂上一层耐火涂料，干燥后会形成一层紧紧包覆在外表的具有一 定强度的硬壳层，使其强度比未挂涂料前有成倍地提高，同时模型的刚 度也相应增强，因此可以使各种变形量降低到最小。 ( 3 ) 有助于消失泡沫模样热分解气体的迅速排出，防止铸造缺陷的产 生。如果泡沫模型热分解产生的气体不能及时排出，可能产生浇注不完 全、气孔、夹渣和碳黑等缺陷。具有一定透气性的表面耐火涂层可以使 气体在负压的作用下及时排出铸型。 ( 4 ) 具有足够的耐火度、化学稳定性和热稳定性、附着强度高、发气 量低、优良的悬浮性、良好的涂刷性、涂挂性、流变性和高透气性外， 涂料还要具有良好的烧结剥离性和抗高温金属液侵蚀性n 。 1 3 3 消失模铸钢涂料的主要性能要求 与普通砂型铸造相比，消失模铸造用涂料的作用不仅仅是为了防止 各种粘砂，提高铸件表面粗糙度，更重要的是还要有以下几方面：消失模 铸造涂料涂覆在塑料泡沫模型的表面，但是聚苯乙烯塑料泡沫不透气， 热变形温度低( 约7 0 左右) ，对水的亲和力很差，吸水性弱，气化后的 发气量较大。以上这些特点决定了消失模涂料应该具备以下性能的要求 【2 8 】【2 9 】 o ( 1 ) 涂层应具有一定的高温透气性。涂料的透气性在很大程度上影响 金属的充型速度以及铸件的质量。浇注过程中产生的气体要通过涂层排 出以减少或避免铸件产生气孔、夹渣等缺陷。涂层透气性过低时，气体 逃逸慢，压力高，阻碍金属液的充填，容易造成冷隔、缺肉、气孔和增 碳等缺陷。铸型系统的透气性除了与涂层相关外还取决于干砂、负压度、 浇注工艺等因素。而提高涂料的透气性可以采取如下技术措施：a 将不 同种类和粒度的耐火骨料进行合理搭配。耐火骨料的种类和粒度对涂料 的透气性影响很大。一般来说，单独使用某一种骨料时涂料的透气性很 差，而将不同的耐火骨料搭配起来使用时透气性较好。如将铝矾土与适 9 消失模水基铸钢涂料剥落性能研究 量石英粉复合可获得良好的透气性。同时，骨料的颗粒形状对涂料的透 气性也有很大的影响。球形颗粒( 石英、刚玉) 形成外露的微孔，而片状 颗粒( 滑石、云母) 形成隐蔽的微孔。胞格状组织( 珍珠岩) 及纤维结构( 石 棉、蛭石) 的填料形成无序结构，构成松散的多孔结构，透气性较高。将 不同种类的骨料进行合理搭配可在一定范围内调节涂料的透气性。b 选 用有机粘结剂。有机粘结剂在高温下分解可形成一些空洞，从而增加了 涂料的高温透气性。而高温粘结剂，例如硅溶胶、水玻璃等所配成的涂 料透气性较差。c 加入适量的氧化剂。泡沫塑料模在高温下不完全分解 时会在涂料表面沉积一些碳，阻塞排气通道，从而降低了涂料的高温透 气性。加入一些氧化剂可以加速泡沫塑料模的分解，从而防止碳的沉积， 增加涂料的透气性。 ( 2 ) 良好的浸润性和涂覆性。泡沫塑料模样表面系憎水性，为非极性 材料，表面张力低，不易被水基涂料润湿、渗透，不像砂型那样容易上 涂料，因此，涂料中需加入少量表面活性剂并选择适当的粘结剂，所选 用的粘结剂要求与泡沫塑料模的粘附性好，这样涂挂后能在模型外表获 得一定厚度的耐火涂层，所以涂料必须对模样润湿性好，覆盖能力强， 涂料涂挂在泡沫塑料上烘干后能够得到完整均匀和足够厚度的涂层，能 精确地复制出复杂模样的表面尺寸，如涂料的粘附性差，则可造成涂层 厚度不够或不均，甚至涂层不连续，很难获得质量优良的铸件。 ( 3 ) 良好的快干性。泡沫塑料是密封的蜂窝状结构材料，不透气，变 形温度低( 一般要低于6 0 ) ，故涂料的干燥不能像砂型那样在高温下烘 干，只能在空气中自然干燥或经5 0 6 0 烘干，这就要求涂料在低温下的 干燥速度快，不开裂，并能形成坚固的耐火涂料壳层。如果干燥速度过 慢，不仅影响生产效率，而且由于涂层长期不能干燥、固化，很可能会 从泡沫模型表面脱落，所以要求涂料具有良好的快干性能。 ( 4 ) 良好的室温强度。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，以保证在转运、填砂和造型过 程中不变形和损坏，造型时能够抵抗干砂的磨刷力，使泡沫模样不被损 伤变形。 ( 5 ) 在浇注过程中要求涂料具有良好的高温抗裂性和高温强度。涂层 受到金属液的急剧的热冲击以及温度变化后不开裂，耐火涂层的耐火度 要高，热膨胀系数要低，能承受金属液的冲击并具有隔离金属液与型砂 作用，否则浇注过程中由于高温金属液的冲刷作用，很容易将粘附不牢 的。 ( 6 ) 良好的高温透气性。涂料的高温透气性在很大程度上影响着金属 1 0 硕+ 学位论文 液的充型和铸件的品质。浇注过程中泡沫塑料产生的热解产物要通过涂 层排出，涂层透气性过低，气隙内压力高，则会阻碍金属液的充型，造成冷 隔、气孔、缺肉、积碳等缺陷。透气性过高，易产生塌箱缺陷，影响铸 件的尺寸精度引。由此可见，涂料透气性在消失模铸造过程中起着的重 要作用。 ( 7 ) 浇注时涂料的保温性对金属液的充型速度也有较大的影响。在消 失模铸造中，采用的无粘结剂干砂造型，其激冷能力只有湿砂型的 l 3 1 2 。由于金属充型速度只有湿砂型的1 4 ，金属液充型时因为涂料层 散热而损失的热量仍然很高阳。因此，其他条件一定时，涂层的保温性 好坏，是减少热量损失而保证金属充型能力的一个关键因素。 ( 8 ) 良好的自剥离性能。在铸件浇注后，良好的剥离性能对清理铸件 的工作量大大减少，节省了人力物力，并且能降低环境污染。用肉眼观 察铸件经打箱后，在冷却过程中涂层从铸件表面剥离的情况判断其剥离 性好坏。经过大量现场浇注，本课题组提出涂料剥落判断标准，见表3 。 表3 涂层剥离性等级表 剥离 等级 剥离表现 i铸件表面涂料层能成片自动剥离，铸件表面几乎无铸造缺陷，表面发 蓝，质量好，几乎无后续清理工作。 i i铸件表面有较少涂料层粘附，但是经后续清理人工工作可清除，铸件 表面发灰。 ii i涂料层或者型砂粘附在铸件表面，不形成片状不能剥离，必须经后续 机械清理工作清除，严重的机械也无法清除，导致铸件报废。 1 3 4 消失模铸钢涂料的原材料 消失模铸造涂料是由多种性不同质的材料组成的分散系，其组成主 要包括：耐火骨料、粘结剂、载体、悬浮剂等组成，其需要有良好的工艺 性能、工作性能、质量稳定性和施涂重现性f 3 2 】 3 3 】。 ( 1 ) 耐火骨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 消失模水基铸钢涂料剥落性能研究 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、 梭甲基纤维素等；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。目前本课题主要使 用膨润土为悬浮剂。 膨润土( b e n t o n i t e ) 系18 9 8 年美国地质学家w c k n i g h t 在命名美国 怀俄明州落基山河附近f o r tb e n t o n 出露的页岩时提出来并开始采用的。 这种粘土为绿黄色、具有很粘柔吸水后高度膨胀的性能。此后人们对膨 润土进行不断的研究并广泛的应用。 膨润土是一种以蒙脱石类矿物为主要成分的细粒粘土岩。蒙脱石是 属单斜晶系，硬度低，密度为2 3 9 c m 3 ，熔点为13 3 0 14 3 0 ，晶体 颗粒为o 1 2 p m 。蒙脱石的晶体结构引阳5 1 是由两层硅一氧四面体片和一 层夹于其间的铝( 镁) 一氧( 羟基) 八面体片构成2 ：l 型层状硅酸盐矿 物硅一氧四面体片系由处于同一平面的s i o 四面体的三个顶点氧与相邻 s i o 四面体共用而连结成一系列近似六方环网格的硅一氧片：铝( 镁) 一 氧( 羟基) 八面体是以铝( 镁) 为中心原子，并以彼此顶点相对的四面 体片的四个项点氧处于同一平面的两个羟基构成六配位的a l ( m g ) o ( o h ) 八面体，这些八面体彼此借o 、( o h ) 与相邻八面体中心原子配位相连组 成铝( 镁) 一氧( 羟基) 八面体片。四面体片中的硅可被铝随机置换，但 取代量不超过15 ；八面体片中的铝( 镁) 可被同价或低价阳离子类质 同象置换。晶格中这些正电离子被较低价离子同晶取代，晶层表面带负 电荷，使蒙脱石具有吸附阳离子和极性水分子的能力。这也是膨润土遇 水膨胀以及具有吸附性、离子交换性的根本原因。基于以上对蒙脱石的 结构论述，得出蒙脱石的理想结构式为： ( s i s ) ( a 1 3 3 4 m g o 6 6 ) 0 2 0 ( h o ) 4 上 ( 1 2 c a ，n a ) o 5 6 式中( 1 2 c a ，n a ) 表示用来补偿异价离子置换引起的正电荷亏损的层间 可交换阳离子。按照上式计算其s i o 的重量百分值为5 9 5 8 ，分子数为9 9 3 ； a 1 2 0 3 的重量百分比为2 2 9 6 ，分子数为2 2 5 。s i 0 2 a 1 2 0 3 分子比值为4 4 1 。 1 2 硕士学位论文 粘土矿物的单元层间叫“层间域 或“层间 。一个结构单元层加一 个层间域组成一个。单位构造 ，其高度称为单位构造高度或层间高度。 蒙脱石的层间高度是可变的，自然界产出的蒙脱石由于层间吸附的水合 阳离子的种类、比例以及水分子的数量等的随机性，其层间高度是有差 异的。 ( 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 酷塑料( 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 模样问的结合强度，防止涂层在使用过程中开裂、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 1 - 0 2 5 。消泡剂由于涂料 在制备和涂刷过程中要进行高速搅拌，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，此时气泡难以上浮，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。 分散剂的作用是使已分散的粒子保持隔离而不会凝聚，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。 在实际生产过程中如果采用粉状骨料，粘结剂，悬浮剂的时候，在 需要的时候加入一定量的载液( 如：水) ，在满足生产需要的前提下，为 了降低成本，以上所述的表面活性剂，消泡剂，防腐剂助剂等可以不加。 1 4 本课题的研究意义 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 取决于 涂料，2 0 取决于其它工艺因素6 l 。毋庸置疑，涂料是获得优质铸件必不 可少的工艺环节。对于消失模铸造工艺，涂料可使其获得成功的潜力大 大增加。特别是消失模铸钢涂料的自剥落性能对于铸钢件的外在以及内 1 3 消失模水基铸钢涂料剥落性能研究 在质量有重要意义。 在涂料生产中，探索影响涂料性能的各种因素，从而获得高性能的 涂料。提高涂料悬浮性、流变性、透气性以及自剥落等性能对获得高质 量无缺陷铸件起着决定性的作用。国外对消失模铸造涂料的研究起步较 早，己经有一些商品性的涂料，但是价格偏贵，导致生产成本提高，在 一定程度上限制了消失模铸造工艺的发展口 。目前，中国已有多家高校 和研究单位开展针对消失模铸造涂料研究，但是商品化程度很差n 。因 此，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，从研究涂料的各组分种类和加入量对涂料性能的影响入手，探索涂 料自剥落性能的影响因素，指导研制适合我国国情的成本低、性能好的 消失模铸钢涂料，实现消失模铸造涂料的国产化是非常必要的。 1 5 本课题的研究内容 一种具有良好剥落性能的涂料遵循“一要烧结，二要剥离的原则。 根据该原则，本文针对目前消失模铸造中大量存在的铸钢件机械粘砂、 化学粘砂、涂料浇注后不剥落粘粉等的问题，通过阶梯对比试验研究考 察涂料烧结对剥落的影响，消失模铸钢涂料烧结程度、外加氧化剂以及不 同骨料对消失模铸造涂料浇注后剥落性能的影响规律，从而为今后研制满 足各种生产条件的优良消失模铸钢水基涂料提供一定的指导。 1 4 硕士学位论文 第二章涂层的烧结对涂料剥离性能的影响 2 1 试验方法 为了获得不同烧结程度的涂层，本实验分别采用粒度均为2 0 0 - 22 0 目石英粉( 纯度为9 9 ) ，石英粉( 纯度为9 6 ) ，高铝矾土( a 1 2 0 3 含量 大于8 5 ) ，石英粉( 纯度为9 9 ) + 5 碳酸钙，石英粉( 纯度为9 9 ) + 10 碳酸钙为耐火骨料，加入羧甲基纤维素( c m c ) ，植物胶粉，钠基膨润土 等辅料。 试验用纯度为9 9 石英粉具体粒度及技术要求见表4 和表5 。 表4 石英粉粒度组成 采用甘肃金昌广明膨润土厂产n a 基膨润土，具体技术要求及化学成 分见表6 和表7 。 表6n