（材料加工工程专业论文）铸钢用水基高铬刚玉消失模涂料的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 消失模铸造是铸造行业的新兴铸造工艺方法，由于比起传统的铸造方法有着 无可比拟的优势，越来越多的厂家采用了这一铸造方式。而消失模涂料的成功与 否直接关系到铸件产品的表面质量甚至内部质量，因此，可以说消失模涂料是消 失模生产的关键，研究出可以成功应用的消失模涂可以带来良好的社会经济效应。 本文对水基高铬刚玉消失模涂料原料选择、配比方案，浇注效果等进行了研 究。主要以高铬刚玉作涂料耐火骨料，对单一主要助剂种类及加入量对涂料工艺 性能的影响做了试验与分析。重点研究了钠基膨润土、羧甲基纤维素钠( c m c ) 、 聚醋酸乙烯乳液( 白乳胶) 对涂料悬浮率、粘度、密度、透气性、涂挂性、触变 性、涂层裂纹等方面的影响。确定了在高铬刚玉涂料中加入4 钠基膨润土、0 4 c l i c 、1 白乳胶，使涂料有较好的悬浮率、触变性、涂挂性、适当的涂层强度， 裂纹倾向性小。在涂料中加入有机纤维，能有效地改善其透气性，4 的加入量可 使透气值达到4 0 0 。同时对s n 悬浮剂做了探索性研究，发现这种悬浮剂降低涂层 强度。 在铸造厂进行了水基高铬刚玉消失模涂料生产现场浇注实验。实验结果表明： 这种消失模涂料应用于厚大铸钢件、高铬铸铁件，其防粘砂效果较好，但涂层剥 离性不佳，存在粘粉现象。在高铬刚玉骨料中复合部分石英粉，涂层的剥离性得 到显著改善。用电子探针对浇注后的涂层残片，做了微观结构形貌和成分分析， 并对其剥离机理进行了探讨，提出了涂料的改进意见。 关键词：消失模铸造，涂料，高铬刚玉，有机纤维 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er a wm a t e r i a lc h o i c e 、p r e p a r a t i o na n dc a s t i n gq u a l i t yo f c o a t i n gf o re v a p o r a t i v e p a t t e r nc a s t i n g ( e p c ) a g er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ，a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t so f d i f f e r e n tk i n d so fm a i na u x i l i a r ya g e n t se f f e c to nt h ec o a t i n g , o fw h i c ht h er e f r a c t o r y i sh i g hc h r o m ec o r u n d u mw a sa n a l y z e d t h ei n f l u e n c e so fn a - b e n t o n i t e ，s o d i u a g c a r b o x y m e t h y c e l l u l o s e v ( c m c ) ，v i n y l a c e t a t e ( p o l y ) o ut h et e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e so f t h ec o a t i n g , s u c ha ss u s p e n s i o n , v i s c o s i t y ，d e n s i t y ，p e r m e a b i l i t y ，r h e o l o g i c a l p r o p e r t y ，c r a c k , a r es t u d i e de m p h a t i c a l l y i ti ss h o w e dt h a tt h i st e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e s o ft h ec o a t i n gi sf i tf o rc a s t i n gb ya d d i n g4 o fn a b e n t o n i t e 、0 4 o fc m ca n d1 o f p o l yb yt h es t u d y t h ep e r m e a b i l i t yv a l u eo ft h ec o a t i n g i sr a i s e dt o4 0 0 b ya d d i n g 4 o f o r g a n i cf i b r e i ti sp r o v e dt h a tt h es t r e n g t ho f t h ec o a t i n gi sh a r m e dw h e ni ti n c h i d c s n - s u s p e n s i o n i ti ss h o w e di nt h ec a s t i n ge x p e r i m e n to ft h ef o u n d r yp l a n tt h a tt h ec o a t i n gc a n p r e v e n ts a n d p c n e t 蒯w h e nu t os t e e lc a s t i n ga n dh i g hc h r o m ei r o nc a s t i n g ，b u t t h ea b i l i t yo fc o a t i n gw h i c hc a na u t op e e l e do f ff r o mt h es u r f a c eo fc a s t i n g sn e e dt ob e i m p r o v e d t h es u r f a c eo ft h ec a s t i n g si sa d h e r e d w i t hc o a t i n gp o w d e rc 卸s et h i sp o o r p e e l i n g - a b i l i t y t h ea b i l i t yi si m p r o v e dr e m a r k a b l yb ya d d i n gr e f i r a c t o r yo fq u a r t z p o w d e r ，a n dt h ec a s t i n gw i t hg o o ds u r f a c eq u a l i t yi sa c h i e v e d m i c r o s t r u c t u r ea n d c h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h ec o a t i n gw h i c hh a sb e e nh e a t e db ym e l t i n gs t e e lw h e n c a s t i n ga r ea n a l y z e dw i t he l e c t r o n i cp r o b e a n ds o l 皿ei m p r o v e dp o i n t sw e r ep r o p o s e d a c c o r d i n gt ow h o l ee x p e r i m e n t , w h i c ha l s oi n c l u d et h ea n a l y s e so ft h ep e e l i n g m e c h a n i s m so ft h ec o a t i n g k e y w o r d s ：e v a p o r a t i v ep a t t e r nc a s t i n g ，c o a t i n g , h i 曲c h r o m ec o r u n d u m , o r g a n i cf i b r e 诹1 l 童工繁火秀 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：器厥趔 日期：彻7 年占月孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：乌琶展翅 同期：铆年月易日 指导教师签名： 鸷旁 门期：歹柙巾夕年占月，多日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题来源 本课题受武汉钢铁集团机制公司委托，目前该厂使用的涂料存在透气性差、 以粘砂等缺陷。本课题根据该厂的实际生产情况，研究出适用的水基消失模铸造 涂料。 1 2 消失模铸造技术应用现状 消失模铸造工艺是8 0 年代发展起来的一种利用抽真空使无粘结剂干砂紧实的 铸造方法。作为一种新兴的铸造技术，有着广阔的发展前景，与传统的砂型铸造 技术相比，消失模铸造技术具有无与伦比的优势，因此被国内外铸造界誉为“二 十一世纪的铸造技术”和“铸造工业的绿色革命”，随着该技术推广应用，可 获得显著的社会经济效益。 消失模铸造比起传统的砂型铸造有明显的优势，包括铸件尺寸精高，铸件的表 面光洁度高；不合箱、不干燥、不取模，简化了造型工艺；铸件无飞边毛刺，减少 清理打磨工作量：型砂可重复使用，降低生产成本；废品率降低，提高了经济效益； 负压浇注，更有利于液体金属的充型和补缩；适用于几何形状复杂的铸件，有利于 提高铸件产品质量。特别是高锰钢铸件的水刃处理和耐热铸钢件的固溶处理，效果 非常理想，能够节约大量能源，缩短了加工周期。在生产中减少了烟尘和噪音污染， 改善铸造工人的劳动环境，降低职工劳动强度。 近年来，消失模铸造技术在国内外已经成为改造传统铸造产业应用最广的高 新技术。2 0 世纪9 0 年代初，用于生产的厂点只有2 - 3 家，而且规模小，产量仅数百 吨。而今采用e p c 法生产的工厂已发展到近百家之多；其产量更是大幅度地增加。 从表i 一1 中得知2 0 0 3 年e p c 铸件的产量是1 9 9 1 年的3 4 6 倍，可见其发展的速度是十 分惊人的。 表1 11 9 9 1 - - 2 0 0 3 年中国e p c 铸件产量情况 湖北工业大学硕士学位论文 按我国消失模铸造厂点的生产条件，可划分为以下四类： ( 1 ) 国产型e p c 生产线：采用机械、液压、气动和电控方式，自行设计的国产型 生产线，其砂箱数在2 0 1 0 0 箱不等；均设有砂冷却系统设备；生产规模在年产 2 0 0 0 1 3 0 0 0 吨，投资在6 0 余万1 0 0 0 余万不等。这类生产厂点约有1 5 2 0 家( 条) 。 ( 2 ) 单机或简易型生产线：通常在铸造工部设置1 2 台( 造型用) 振动台，几个到 1 0 0 多个专用砂箱，砂箱吊运或设有辊( 轨) 道的砂箱简易输送线，干砂一般是自然 冷却或设有简易型砂冷却装置，另加一套抽真空系统。投资灵活，少则1 0 余万， 多则几十万到数百万，生产规模一般在5 0 0 3 0 0 0 吨。这种生产模式是比较符合我 国国情，花钱少，上马快，深受我国广大中小企业欢迎，发展十分迅速。这类工 厂占我国e p c 厂点的7 0 以上。 ( 3 ) 国外引进型消失模铸造：我国现有一汽有色铸造厂等，主要设备和e p c 生产 线：其中有3 家( 赤峰富龙铸业公司、安徽全椒柴油机厂和长沙发动机总) 是整套引 进e p c 生产线。这七家工厂中，投资少则为约1 0 0 0 余万元，多则( 累计) 约8 0 0 0 万元， 其余一般在4 0 0 0 至5 0 0 0 万元。 ( 4 ) 大件的消失模铸造：在实型铸造行业中，通常f m 法用于生产单个大件，e p c 法用于生产大批量的中小件。然而，近几年我国的实铸工作者在生产应用中有了 新的突破和发展，是采用e p c 法生产大型汽车覆盖模具等铸件取得了较好的业绩； 显示了这种新方法在提高铸件质量和生产效率以及降低成本方面的优点。这种生 产方式在以下2 类工厂中采纳：( 1 ) 原采用f m 法生产的工厂如：白城通业集团实型 铸造厂，在原f m 法车间仍采用树脂砂生产5 吨以上的大型铸件；而在新建的e p c 车 间生产5 吨以下的汽车覆盖模具等铸件。( 2 ) 新建的e p c i 厂，如烟台众达模具铸造 有限公司、抚顺市铸造中心等3 家工厂采用消失模铸造生产单个大件。 从事实型( 消失模) 铸造技术的研究单位：在中实委成立之时，我国从事实型 ( 消失模) 铸造研究和开发的研究院所和高等院校只有2 3 家，而今已有1 0 余家之 多；主要有：清华大学、华中科技大学、昆明理工大学、河北科技大学、内蒙古 工学院、华南理工大学、中科院长春光机研究所和第四设计院等。由于这些单位 的介入，弥补了我国在e p c 这一领域基础理论研究方面的不足，历年来曾发表了几 十篇各种研究论文，根本上改变了我国以前历届年会上多以总结交流经验之谈为 主的低学术水平的局面，充实和提高了我国在消失模铸造这门新学科领域的学术 地位和技术水平，大大推动我国实铸事业的发展；近些年，我国e p c 产量逐年快速 发展的事实，便是有力的证明。 消失模铸造技术自九十年代开始在我国进入工业化应用，经过十几年的发展， 我国的消失模铸造工业具有了一定规模，成为铸造工业的重要组成部分。消失模 2 湖北工业大学硕士学位论文 铸造技术也被国家重点推广而成为改造传统铸造业应用最广泛的高新技术。 1 3 涂料在消失模铸造中的重要作用 消失模铸造能成功地用于生产，关键之一就是在泡沫塑料模型的外面挂上了 一层耐火涂料。消失模涂料在消失模铸造中起着重要的作用，是消失模铸造获得 表面光洁的优质铸件必不可少的辅助材料，故有“涂料即是铸型”之说“。因为泡 沫塑料模型埋型后，型料虽密实地包覆在模型的四周，但由于型料是近似圆粒状 的。粒状型粒与模型表面实际上是点接触，其界面上存在着许多细小空隙；加上 浇注时金属液在真空抽力的作用下，其穿透力比砂型铸造强得多，因此，金属液 极容易钻入这些空隙。于是，得到的铸件表面到处是针状凸起或严重粘砂，这样 的铸件没有使用价值。所以，浇注前，不管泡沫塑料模型表面多么光滑，都必须 涂挂一层耐火涂料。为此，在消失模铸造中，涂料是必不可少的材料，它直接影 响铸件的质量，是获得高质量铸件的重要一环。 涂料在消失模铸造中的作用在于：一是在常温下提高塑料模型的强度和刚度， 防止在运输和填砂振动时模型变形或被干砂损伤，以保证型腔的稳定。二是浇注 金属液时，将金属液与型砂分开，防止金属液渗入型砂与其发生化学反应，防止 铸件粘砂及砂眼等缺陷，防止铸型塌箱。三是涂层应能吸附或透过泡沫塑料模样 的分解物，让成型过程中泡沫塑料分解产物顺利逸出，防止铸件产生气孔、碳缺 陷等。四是在生产铸铝件时，涂料应有绝热性，防止合金液散热过快引起浇不足、 冷隔缺陷。 1 3 1 涂层对金属液充型过程中的传热特性的影响 在e p c 充型过程中，消失模铸型空腔铸型中热能传输是以传导、对流、辐射以 及传质的方式，模样在液态金属的热作用下分解时，压力促使热的分解产物通过 涂层进入附近的型砂中，使得消失模铸型附近的型砂升温速度比空腔铸型快。研 究表明”1 ，紧贴涂层的型砂在充型前沿经过后温度很快升高n 7 5 8 0 ，然后温 度升高平缓，最后温度又升高较快，直到铸件从铸型中取出。这表明，金属一模 样之间的气态和液态分解产物通过涂层进入型砂会产生热交换，引起型砂温度的 快速升高，随后涂层被液态聚苯乙烯堵塞，此时的液态聚苯乙烯就像一层绝热层 阻隔了来自金属液的热流，从而导致温度升高变缓。但是，随着金属液持续地给 湖北工业大学硕士学位论文 液态聚苯乙烯和涂层提供热量，热传输又随着液态聚苯乙烯通过涂层这一传质情 形的增强以及液态聚苯乙烯这一绝热层厚度变薄而加强。 涂层厚度和浇注温度对热交换系数都有明显影响，涂层越厚或浇注温度越高， 热交换系数的值越小。t s e n g 等”1 通过差热分析法( d t a ) 研究了泡沫模型、涂层及 型砂中的传热现象并指出消失模铸造充型阶段中模样气化分解以及分解产物通过 涂层从型腔中排出进入周围型砂的过程完全依赖于所浇注的金属种类、模样、涂 层和型砂的热物性以及铸件的几何尺寸大小。 1 3 2 涂层对金属充型过程中传质特性的影响 e p c 铸铁铸钢液充型时，热解产物主要为气态，涂层对分解产物的排出过程分 为润湿和渗透两个阶段，涂层已被金属加热，当涂层的温度足够高时，润湿现象 就会发生，模样的液态热解产物润湿表面几乎是在瞬时完成的，而渗透则是涂层 和液态热解产物达到某一临界温度时，在毛细作用和金属压头的共同驱动下进行 的。当金属液从内浇口底部进入型腔慢慢上升时，液态聚苯乙烯被限制在涂层 金属界面之间。渗透所需的时间依赖于涂层的热传导性以及其它的一些物理性质， 同时也和浇注温度有关。例如涂层温度为5 1 0 时，润湿能够发生。此时，当涂层 厚度为0 2 o 4 m 时，对于高渗透性的氧化铝涂层，液态产物完全渗透的时间是 1 4 s ，而低渗透性的石英涂层或云母涂层，完全渗透的时间是4 1 5 s 。具有良好 的润湿性和渗透性的涂料可将浇注中产生的热解熔液通过它排到周围砂子中，有 利于改善铸件表面质量。 涂层在分解产物传质中起重要的作用，涂层的性质与性能决定了消失模浇注 时分解产物能否顺利排出型腔，能否避免铸件的气孔、夹砂、浇不足等缺陷。充 分了解涂层、金属液、模样之间的界面反应以及热解产物在涂层和干砂中的传输 行为，对涂料的研制、提高铸件质量都具有重要的意义”9 1 。 1 3 3 涂料对铸钢件表面增碳的影响 在充型过中，钢液作用下的e p s 模样的液态和气态分解产物的生成依赖于金属 液的充填，即依赖于钢液的引入方式和浇注温度等因素。分解产物的排出则依赖 于涂层和型砂二者的特性，同时与铸型负压度密切相关。使分解产物成功地通过 涂层连到周围砂子中，而后排出铸型外，是减少e p s 分解产物与钢液作用、达到抑 4 湖北工业大学硕士学位论文 制铸件表面增碳的有效措施。铸件的表面增碳缺陷，在很大程度上是由于涂料透 气性差，导致e p s 分解产物聚集在金属液与涂料层界面间无法排出所致。可见，涂 料的性质，尤其是它在浇注条件下的高温透气性，对铸件的形成和表面质量至关 重要n 0 1 。 ( 1 ) 涂料种类的影响 涂料种类的差别，即涂料组成上原材料的差别，主要表现为对高温下涂层的 影响。首先是耐火骨料，粒度分散涂层变得致密，其涂层透气性低。其次是粘结 剂，生产中要考虑以受热可分解消失地有机物做粘结剂配制涂料，以增大涂料的 透气性，利于模样分解产物地排出，减少模样分解产物与钢液地作用，有效地控 制和减轻铸件的表面增碳。 ( 2 ) 涂层厚度的影响 消失模铸造钢液温度高，泡沫模样分解速度快，再加上负压的作用，大量的 气体和液态分解产物产生很大的型内压力而冲击涂层；为保证钢液的顺利充型， 适当厚度和强度的涂层是十分必要的。但是，涂层厚度增加，降低了涂层的孔隙 率，使透气性降低，抑制了泡沫模样气化产物的排出，液态产物更是被涂层所阻 隔，最终导致大量泡沫模样分解物与钢液作用，增强了碳向钢液扩散的动力学条 件，从而使铸件表面增碳程度增大。因此，实际生产中在保证铸件不粘砂和浇注 时所需要高温强度的前提下，适当减薄涂层厚度，有助于提高涂层透气性，减轻 铸件增碳。 ( 3 ) 附加物的影响 在高温钢液的充型过程中，泡沫模样的深度分解的主要产物为o h , 、c o 、c 、 h ：等物质，从而在铸型中形成了还原气氛，促进了碳向熔融钢液或正在凝固过程 中的钢液中渗入与扩散。当涂料中加入氧化性物质后，使c h , 、c o 、c 、h ：等发生 氧化反应并逸出铸型，显著地改变浇注过程中的还原性气氛，降低钢液与泡沫塑 料分解产物相互作用的动力学条件，抑制碳向钢液中的扩散，从而达到减轻铸件 增碳的效果，由此可得出，生产中，改变铸件浇注成形的还原性气氛，如在涂料 中加入氧化性物质是减轻铸件增碳可行的有效措施“。 1 4 消失模技术及涂料国内外发展概况 在国外，研制的涂料都是专利产品，英国f h f o s e c o m o r n a l 公司研制的性能优 湖北工业大学硕士学位论文 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 及耐火性。由f o s e c o 国际公司提供的涂料中加入少量的冰晶石( n a a i f ) ，使其在高 温下形成活性高的n a f 、a i f ，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，己开发出适用于铸铝、铸铁、铸 钢等不同类型铸件的系列涂料k 一1 2 4 、1 2 5 、1 2 7 、l ( _ 1 0 6 等。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。日本的消失模型用涂料， 一般铸件以s i o ：粉作基材，铸钢以锆英粉作基材，并添加粘结剂、防腐剂等材料 配制而成。美国r o b i n s o n 铸造公司，从硅砂、氧化铝和莫来石( 多铝红柱石) 的耐 火性开始试验了6 0 7 0 种涂料，寻找一种能适应各种尺寸和形状模型的涂料。 1 9 8 8 年，e h n i e m a n n “”等对消失模铸造中用的聚苯乙烯泡沫进行了研究， 包括其成型工艺、颗粒尺寸密度以及分解残留物等。 1 9 8 8 年，r b b a l l m a n 1 研究涉及了消失模铸造中对涂料的选择，与一些参 数的控制，盼口涂料在使用时要保持搅拌的状态，涂料的烘干温度不能超过6 6 c 等。 1 9 9 0 年，0 a l a r t i n e z “”对消失模涂料的成分、透气性控制、常温透气性 与高温透气性等作了介绍，还包括了涂料在制备、存储、使用时需要测定的一些 技术指标，如密度、p h 值等。 1 9 9 6 年，r v e n k a t a r a m a n i 等“”认为涂层的厚度以及浇注温度影响型腔中热 能传输的，并且做了相关的试验研究。j f u 等。1 对消失模铸造中，模样分解产物 的排出过程进行了研究，并认为其分解产物的排出速度受型砂、涂层、以及模样 的性能的影响。g h k o c a n “”对控制消失模涂层的透气性做了研究，通过调整现有 的铸造设备，就可以直接测量涂层的透气性，而不需要复杂地创造新的检测设备。 1 9 9 7 年，j l i u 等“”研究了不同的铸件使用不同的涂料出现的一些缺陷，作 者通过对比试验了铸铝件在使用高透气性涂料与低透气性涂料铸件的不同表面状 态；灰铸铁件在使用高透气性涂料与低透气性涂料的不同表面状态。认为高透气 性的涂料条件下浇注出的铸件其表面缺陷要相对少些。 1 9 9 8 年，j j g r e e n 等“”对消失模铸造中灰铸铁件的缺陷成因做了分析与研 究，认为要得到表面情况优良( 无渗碳、粘砂等) 的铸件，最好就是利用控制涂 料的透气性与厚度的方式，来减少浇注时型腔中的空气。 2 0 0 2 年，美国q z h a o “1 等人研究了消失模涂料的传质、传热特性。研究了涂 料骨料颗粒，包括了粒度分布、骨料种类、颗粒形状等对涂层的传质、传热的影 响，认为骨料的片状颗粒，如云母等，降低了涂料的透气性，影响了传热与传质 速度。 6 湖北工业大学硕士学位论文 目前国内消失模的商品涂料除清华大学的t h 系列涂料和另外还有3 4 家提 供的商品涂料外，国内大多数生产厂家采用的都是自行研制的涂料。除此之外， 美国的a s h l a n d 和德国的h a 涂料在我国也有一定的市场。有研究者啪1 对美国阿什 兰德化学公司消失模涂料x 射线衍射分析，认为该涂料主要由高岭石、铝矾土和 云母组成。国内的专业生产消失模涂料的厂家为数还不到十家，从事该涂料的研 究工作的研究者与发表的相关文献数量有限，以下为国内铸钢件用消失模涂料的 研究者的部分成果与现状。 1 9 9 5 年孙万柏等o ”使用以普通工业石英砂( 8 2 8 6 ) ，高铝矾土( 7 1 3 ) ，单纯2 0 0 目石英粉( 2 7 ) 为骨料、以c m c 与钠基膨润土为复合悬浮 剂、p y a 为粘结剂配制涂料，并认为这样的骨料配比的涂料在各种温度下均具有较 好的透气性。 1 9 9 8 年徐庆柏等嘲使用石英粉、高铝粉、地开石为涂料耐火骨料，以锂基膨 润土和c 眦为悬浮剂、g m 一1 树脂、硅溶胶和聚醋酸乙烯乳液为粘结剂，其中所研 制的7 号涂料的性质与从美国进口的阿什兰德的涂料比较接近。 1 9 9 9 年，李国栋3 以高铬刚玉为骨料，以膨润土为悬浮剂的水基涂料，氧化 淀粉溶液( 低温粘结剂) 和某一磷酸盐溶液( 高温粘结剂) 组成的复合粘结剂，可以 成功地应用于高锰钢件的生产，在涂料中还加入了熔剂氧化铁粉，获得表面光洁 铸件，但用于大型件，强度不足。 2 0 0 1 年，高洪涛等”使用莫来石硅灰石的组合作为耐火骨料，硅灰石占耐 火骨料的比例为0 3 0 ，认为纤维状硅灰石能改善消失模涂料的悬浮性、触变性 和涂挂性能，提高涂料的烘干抗裂性、常温与高温抗弯强度和透气性性能。同年， 刘风雷等汹1 以铝矾土为骨料，膨润土与c m c 为悬浮剂，b y 粘结剂、白乳胶为粘结剂 配制消失模涂料。 2 0 0 2 年，李焕臣等哺1 以高铬刚玉为耐火骨料，悬浮剂钠基膨润土，氧化淀粉 和硫酸铝为粘结剂，浇注后铸件表面情况良好，涂层呈片状脱落；同时他也以钛 渣粉为耐火骨料、聚乙烯醇和酸性磷酸盐为粘结剂配制涂料。宿成君等。”研究中 认为其中小件普通碳素钢可用石英粉、铝钒土粉或刚玉粉、锆英粉，中文件普通 铸钢和合金钢则用刚玉粉，高锰钢则用镁橄榄石粉；同时使用碱性酚醛树脂与白 乳胶为粘结剂，以锂基活化膨润土与c m c 为复合粘结剂。 2 0 0 3 年，朱征啪1 研究采用1 2 5 0 目的超细锆英粉作为耐火骨料，以膨润土、c m c 为悬浮剂，白乳胶、硅溶胶为粘结剂配制涂料。吴来发等”1 以铝矾土、云母为耐 火骨料，以膨润土为悬浮剂，加入有机无机复合粘结剂配制涂料。浇注后涂料层 大多呈剥离状脱落，铸件经机加工后无明显积碳缺陷、气孔等，废品率在3 以内， 7 湖北工业大学硕士学位论文 达到了国外涂料的水平。 有试验者分别试验过水玻璃、低浆废液、白乳胶、1 0 7 胶、尿醛树脂、水溶性 酚醛树脂、聚乙烯醇等，对铸造界常用的粘结力较高的材料均作过尝试，但效果 不理想，主要问题是涂层干燥后呈脆性难以达到使用要求。而国外涂料所用粘 结材料的特点是与泡沫模粘附性良好，干燥后涂层具有柔韧性，因此不易在其后 的处理过程中如运输、填砂、震实等环节出现涂层脱落的现象，故粘结剂的选择 至关重要。有机粘结剂涂料的高温透气性高于无机粘结剂，但前者的高温强度不 如后者，因此，为了保证高温强度和高温透气性。消失模涂料一般采用有机、无 机复合粘结剂。”。 王忠柯等“”中研究得出，采用棕刚玉硅溶胶涂料时铸件表面增碳程度要大于 棕刚玉白乳胶涂料时的增碳程度，从增碳层和过渡层组织中的珠光体和铁素体含 量上看，采用硅溶胶涂料时珠光体量明显的多。加入氧化性物质前后，铸件表层 组织中珠光体和铁素体量的明显变化。涂料中加入适当的氧化物质后，铸件的表 面增碳量由0 1 6 降为0 0 4 ：增碳层深度由0 5 8 r a m 降为0 3 m m 。 目前国内对消失模铸造涂料的组成和性能作系统研究的还不多，用于消失模 铸造生产的水基涂料，基本上以纸浆或糖浆作为粘结剂、以膨润土为悬浮剂制备 的水溶性涂料，适用于生产中小型铸件。对大型铸铁和铸钢件，也有以聚乙烯醇 缩丁醛( p v p ) 为粘结剂的醇基涂料。水基涂料存在的问题是涂料强度偏低，难以 满足生产需要。消失模纸浆废液水基涂料应用较多，该涂料若耐火骨料为石英粉， 可用于中小铸铁件及铝合金件；若耐火骨料为锆英粉，则可用于铸钢件。但在使 用中存在的主要问题是涂挂性能欠佳，涂料的抗流淌性不好，浸挂涂料后需撒石 英粉，以防止涂料往下塌落，故涂挂场地粉尘较大，只适用于涂一层涂料的铸件。 若涂挂两层以上涂料时，需采用快速烘干措施，否则会使干燥了的第一层涂层壳 潮解脱落。干燥过后的涂料在空气中放置过久会吸潮，耐火涂层的强度较低。而 使用醇基涂料成本又偏高，且悬浮性等涂料性能又不尽人意。水性涂料与溶剂型 涂料相比有很多优点，但是它的致命缺点是附着性、耐久性较差，这是阻碍它快 速发展的原因”。 湖北工业大学硕士学位论文 1 5 涂料的主要成分、性能要求与生产工艺设备 了解和掌握涂料的组成、特性及对铸件的作用，是研制和应用推广消失模铸 造涂料的必要条件。 1 5 1 涂料的主要成分 消失模铸造中需要的耐火涂料主要由耐火骨料、悬浮剂、粘结剂、分散介质 及改善涂料某些性能的添加剂组成。 ( 1 ) 耐火骨料 耐火骨料是消失模铸造涂料的主体，具有隔离、绝热、抗粘砂和降低铸件表 面粗糙度等作用。在消失模涂料中其质量份数通常大于5 0 ，主要是锆英粉、铝矾 土、棕刚玉粉、石英粉、滑石粉、莫来石粉、云母粉等耐火材料。一般根据铸件 的材质选用耐火矿物材料。铸造用消失模涂料必须有足够的透气性。消失模铸铁 件铸钢件易出现邹皮渗碳等缺陷，其主要成因是模样不完全分解的液化产物未能 全部透过涂层或被涂层吸收，而积聚在铸件表面。为此应采用粒度较粗( 1 8 0 2 4 0 目) 的浅色耐火骨料，而不宜使用石墨骨料。 涂料骨料选择要考虑以下几方面：粒度级配兼顾防止粘砂和高透气性；粒形 有利于透气性的提高，通常选择一定数量的球状颗粒；有利于模样气化后气体的 逸出或模样不完全分解的液化产物透过。 ( 2 ) 载体( 溶剂) 铸造涂料的载体一般可采用水和乙醇。对消失模铸造涂料而言，考虑施涂、 烘干、发气量、价格等方面多采用水作为载体，即为水基涂料。同时，水基涂料 悬浮性、触变性均好，易于调节。 目前醇基涂料用于消失模存在一些问题，主要是这种涂料在塑料模上不能点火 燃烧，需烘干或风干，涂层的干强度难以提高，醇基涂料不易实现浸涂或淋涂； 成本较高，不如水基涂料安全。因此，大多数研究者选用水作载液。模样刷涂料 后风干4 h 1 2 h 或在烘干室烘干，烘干温度5 0 5 c 。 ( 3 ) 悬浮剂 悬浮剂用来防止耐火骨料的沉淀及载体对型、芯砂的过分渗透。悬浮剂还可 9 湖北工业大学硕士学位论文 以使涂料具有所要求的流变学性能。涂料中使用的耐火骨料一般都比载液( 水或 者酒精) 的密度大得多，故涂料中必须使用悬浮剂才能使耐火骨料悬浮在载液中 并保持均匀的弥散状态。悬浮剂的选择要根据液体种类和耐火骨料的不同而不同。 水基涂料的悬浮剂主要是钠基膨润土和活化膨润土，其次还有高分子化合物如羧 甲基纤维素钠( c m c ) 、聚乙烯醇等，高分子化合物可以与膨润土同时使用。醇基涂 料的悬浮剂主要有聚乙烯醇缩丁醛( p ，有机改性膨润土和锂基膨润土等。 ( 4 ) 粘结剂 消失模铸造涂料中粘结剂对涂层的强度和提高其与模样的附着力至关重要。 不仅赋予涂料强度和涂挂性，提高悬浮性，还使涂层有好的附着性，不与模样发 生反应。早期消失模铸造涂料的粘结剂主要有粘土、水玻璃、糖浆、纸浆废液、 白乳胶、硅溶胶等。现在以不同的方式可分为低温粘结剂和高温粘结剂、有机粘 结剂和无机粘结剂。加入低温粘绪剂，如羧甲基纤维素、白乳胶及b y 粘结剂等， 以保证涂挂性及常温下的强度；加入高温粘结剂，如硅溶胶、磷酸盐等，以支撑 砂型和抵抗金属液的冲刷等作用。根据所铸金属浇注温度的高低来选择不同的粘 结剂或高低温混合粘结剂，常温下有机粘结剂和无机粘结剂共同支承强度，在高 温浇注时，有机粘结剂被烧化，增加透气性，此时的强度要依靠无机粘结剂。因 此调节有机粘结剂和无机粘结剂的比例，可以达到适当的强度和透气性。对粘结 剂的选择应考虑以下几个方面：减少高温发气性；提高涂料模样的附着力；提高 涂层的强度和刚度，不侵蚀模样。为此，常采用有机高分子共聚物与无机复合粘 结剂。 ( 5 3 添加剂 消失模铸造使用的模样多为发泡聚苯乙烯塑料( e p s ) ，发泡聚甲基丙烯酸甲酯 ( e p w a ) ，其表面都是憎水的。为改变这一现象，必须添加表面活性剂，使涂料与 模样润湿，以提高模样与涂层间的结合强度。涂料中加入微量的表面活性剂，可 增大涂料对模样的润湿能力，从而提高涂料的粘附强度；为防止涂料变质，常加 入五氯苯酚、苯甲酸钠、工业甲醛溶液等作防腐剂；为避免涂料在混制过程中产 生过多的气泡，在涂料中正丁醇、正戊醇、正辛醇作消泡剂，从而改善润湿性， 增加涂料的渗透深度。 ( 6 ) 其他添加物 消失模涂料中常常加入一些其他物质，诸如减水剂、颜料等，以改善其性能， 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 保证涂料的正常使用：为减少铸造过程的铸造缺陷，涂料中加入高锰酸钾等氧化 物质既可防止因金属液与涂料发生化学反应而引起的化学粘砂缺陷，又可减少铸 铁件的皱皮、铸钢件的增碳缺陷，保证铸件较高的外观质量；涂料中加入少量的 冰晶石，使其在高温下形成活性高的n a f 、a 1f 3 等，可对模样热解出的碳产生吸附 作用，使之不沉淀在铸件表面，从而消除碳黑、皱皮等缺陷一制。 1 5 2 涂料的主要性能要求 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。除传统砂铸中要求涂料有良 好的悬浮性，适宜的密度、粘度和流变特性外，对涂料的工艺性能和工作性能有 新的要求。 ( 1 ) 首先要有良好的涂覆性。泡沫塑料模表面系憎水性，对水基涂料的亲和 力和吸水性差，不像砂型那样容易上涂料，所以涂料须对模样润湿性好，覆盖能 力强，涂挂时能得到完整均匀和足够厚度的涂层，能精确地复制出复杂模样的表 面和尺寸。涂料在涂刷过程中不流淌，不出现滴痕，不在底部堆积。涂后能自动 消除刷痕，得到光滑均匀的涂层表面，涂层失水后不开裂、不脱落，能经受住金 属液冲刷等。 ( 2 ) 涂料有良好的快干性能。泡沫模系密封的蜂窝状结构材料，不透气，变形 温度也低，涂料的干燥不能像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。 ( 3 ) 涂料层要有足够的强度。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。对塑料模有加强作用，以保证在搬运、填砂造型紧实过程中无变 形和损坏。造型时能抵抗干砂子的磨刷力，使涂层不被损伤，浇注过程中要求涂 层有良好的高温抗裂性。涂层受到金属液的急热作用后不易开裂，能承受高温金 属液的冲击和隔离作用，保证铸件无机械或化学粘砂缺陷。不像传统铸造那样， 涂料通过渗透形成一层与砂层结为一体的防粘砂层。在金属液和泡沫之间的动态 脱开区，即所谓的间隙，涂层应具有支撑干砂不下塌所需的强度。 ( 3 ) 涂层的透气性，在很大程度上影响着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料层排出，避免铸件产生气孔、夹渣等缺陷。涂层透气 性过低，气体逸出慢，压力高，阻碍了金属液的充填，造成冷隔、缺肉、气孔、 集碳等缺陷。当然铸型系统的透气性除与涂层有关外，还取决于砂子、负压度、 1 1 湖北工业大学硕士学位论文 浇注工艺等因素。 ( 4 ) 浇注时涂料的保温性对金属液的充型也有较大影响，在消失模铸造中， 采用干砂造型其激冷能力只有湿砂型的l 3 1 2 ，但由于合金充型速度只有湿 砂型的1 4 ，合金充型时因涂层散热而损失的热量仍然很高。因此，其他条件一 定时，涂层的保温性好坏，是减少热量损失提高金属充型能力的一个关键因素。 可见，当涂料同时具有良好的透气性和较高的保温性时，才可大幅度提高合金液 的充型能力，这一点对铝合金尤为重要。 ( 5 ) 涂料其他部分性能要求：化学稳定性，高温下不易被金属氧化，不与泡沫 发生不良化学反应，不产生大量气体：剥离性，在铸件浇注冷却后涂料能否容易 从铸件表面剥离，关系到消失模的生产效率；储存性，在储存期内经受运输、温 度变化后，应能保持涂料的各项性能，不腐败变质，不产生使涂料容器鼓胀的气 体；其他方面要求还有，涂料应满足劳动卫生方面的要求，对人体无害等“1 。 1 5 3 生产工艺与设备 涂料的配制设备对涂料的性能和使用效果影响很大。因此在设计和确定涂料 的配比及性能的同时要考虑好与之相匹配的设备。涂料的配制方式通常有搅拌法 和研磨法。 ( 1 ) 搅拌法：是指不经过研磨工序，而直接用搅拌机来配制涂料的方法。其优 点是：设备简单、投资少、操作简便、周期短、生产率高。缺点是：涂料的性能 质量往往不易控制，涂料的性能受原材料的影响较大，因此对原材料的要求较高。 目前有一部分专业涂料厂与铸造厂使用这种方法。 ( 2 ) 研磨法；是将各种原辅材料加入到有研磨作用的设备中，通过较长时间 的研磨来配制涂料，较多的专业涂料厂和铸造厂用这种方法来配制涂料。其优点 是耐火骨料被进一步粉碎，从而形成大量新生的表面，使其活性增大，既易被载 体润湿，有利于在载体中充分分散，又能更好地吸附粘结剂、悬浮剂等材料，形 成立体内部结构，从而使涂料多方面的性能，特别是涂刷性、不流淌性和触变性 等得到进一步提高，即起到熟化作用。缺点是使用某些研磨设备时，配制周期较 长，生产效率较低，设备的磨耗较大，投资也相对多一些。常用的具有研磨作用 的设备有轮碾机、碾轮式混砂机、球磨机和胶体磨等。 1 ) 轮碾机：它是铸造厂最早用于配制涂料的碾压设备，效果较好，可生产膏 状涂料，但每次的装料量较少。为了保证研磨效果，使用时要使碾轮和底盘紧密 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 接触，不留间隙。 2 ) 碾轮式混砂机：有一些铸造厂和少数专业涂料厂用碾轮式混砂机配制涂料， 其效果与轮碾机大体相当，但每次的装料量较多，可生产膏状涂料。碾轮和底板 之间不应留有间隙。 3 ) 球磨机：该设备的研磨作用好，密闭性也好，载体不易挥发和流失，但不 宜配制很稠的膏状涂料，通常用来配制浆状涂料。少数专业涂料厂和铸造厂用球 磨机配制涂料。 4 ) 胶体磨：它是一种超细粉碎研磨机械，很适合生产浆状涂料。胶体磨体积 较小，生产周期短，效率较高，可根据需要反复循环研磨生产出性能较好的涂料。 1 6 课题目的与意义 本课题首先调研了委托单位的消失模铸造生产与涂料使用的实际情况，了解 该厂对涂料的特殊性能要求后，确立涂料的研究重点。同时对其它工厂消失模铸 造情况进行了解，希望在解决委托单位在使用涂料时的具体问题后，也能解决其 它工厂在使用涂料时出现比较普遍的问题。机制公司目前采用的消失模涂料为国 内某品牌的涂料，其主要存在问题为： 透气性差，目前使用的涂料在用于中小铸件时可以，但用于大、厚( 5 0 咖) 的铸件铸造时( 如某一衬板) ，都出现了不同程度的缺陷。在内浇口附近的部位通 常有气孔，即剩余的大量气体没有及时通过涂料排出，涂料的透气性问题没有彻底 解决。 耐火度低，在使用中如果浸涂一遍涂料，铸件浇注时会产生粘砂，该厂在 使用时需要涂挂三次才可避免粘砂。但是涂料的透气性也因为涂层过厚而变差。 涂挂性能欠佳，涂料的抗流淌性不好，在每次浸涂之后，大量的涂料挂不 住，产生了极大的浪费。 涂料烘干收缩，该涂料在用于大板件时，涂料在烘干之后模型都有不同程 度的变形。 ( 2 ) 通过对工厂中消失模铸造实地调研发现，较多的工厂是根据经验或者是 使用消失模设备厂提供的涂料配比方案自己配制涂料，没有全面系统地研究影响 涂料性能的因素，更没有注意涂料的配制应该根据铸件材料、体积等不同而调整。 对于厚大铸钢件，较普遍的问题就是粘砂、气孔等缺陷，如湖北某厂用消失模铸 造中厚大铸钢件时出现了较严重的粘砂、气孔等缺陷，如图1 1 与图卜2 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 图1 1 消失模铸件的表面粘砂缺陷图l 一2 消失模铸件加工后的气孔缺陷 本试验主要针对性解决以上涂料中出现的问题，研制出能用于该厂的一种新 型涂料，进而推广应用。消失模水基涂料技术是消失模铸造的关键技术之一，其性 能不同于一般铸造涂料。开发适用于消失模铸造的优质涂料，将社一步推动我国消 失模铸造的应用。没有一种规则能为任何特定铸件应用选择最好的涂料，本研究根 据实际生产情况，通过大量的试验与研究，以便最后能够配制出适用的涂料。 涂料在组成上有载液、耐火骨料、粘结剂、悬浮剂以及其他一些特殊附加物， 如表面活性剂、防腐剂等。虽然各个研究者所采用的耐火骨料可能不一样，但是 涂料的辅料对涂料性能的影响应该是有可比性的。涂料均需要有良好的工艺性能、 工作性能等，因此，希望本研究可以给其他研究者以参考。随着消失模铸造技术 的迅速发展，研发优质的消失模涂料显得日益重要，这不仅有潜在的经济效益，而 且还有良好的社会效益。 1 7 课题的研究内容与拟采取的技术路线 本课题中为解决涂料的耐火度问题，采用了高铬刚玉为涂料的耐火骨料。首 先是研究常用的涂料原料对高铬刚玉涂料性能的影响，包括了悬浮剂、粘结剂、 添加剂的种类与加入量等的初步选择；第二次浇注实验为根据第一次浇注实验结 果配制涂料，通过实验室的检测数据，控制涂料的悬浮性、透气性、裂纹、强度 等性能参数，然后再进入工厂进行现场浇注实验，确定涂料的原料配比方案与制 备工艺。通过电子探针显微分析等分析手段，分析涂层结构形貌和成分，改进涂 料的原料种类、配比等，从而优化涂料的工作性能，使消失模铸造能够生产出质 量优良的铸件。 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章实验原材料、检测方法与预期达到技术指标 通过查阅相关的文献与研究者经验，初步选择了以下试验中可能用到的涂料 原料。通过试验，我们还可以排除部分可能不合适的原料，或者改进某些原料的 性能，使之更符合涂料性能的要求。 2 1 本实验中所使用原材料 ( 1 ) 高铬刚玉： 高铬刚玉是铁合金厂生产铬铁的副产品铬铁渣，经破碎、研磨成粉状，其 a 1 如含量( 质量分数) 超过8 0 ，c r 。0 3 含量( 质量分数) 较高( 大于1 0 ) 。其熔点为 1 8 3 0 2 0 0 0 ，密度为3 6 8 9 c m 3 ，莫氏硬度为9 ，热膨胀系数约为石英