（材料加工工程专业论文）消失模铸钢涂料耐火骨科烧结机理的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 涂料作为消失模铸造的关键技术之一，对消失模铸造工艺的成功与否起着至 关重要的作用。石英粉作为消失模铸钢涂料单一耐火骨料具有熔点高、来源广、 价格便宜等优势，但是涂料的烧结性差，易出现铸造粘粉缺陷，剥离性差，铸件 表面质量低，铸件后期清砂困难。通过加入烧结助剂或其他耐火骨料来改善石英 粉作为单一耐火骨料的烧结性，并研究其烧结机理，为消失模铸钢涂料的配制作 以理论指导。 本文采用加入铝矾土与石英粉形成复合耐火骨料、钙长石和除尘灰作为烧结 助剂来改善石英粉骨料的烧结性。 首先，按照试验所需的比例配制耐火骨料，在不同温度下进行烧结，研究铝 矾土、钙长石、除尘灰的添加量对石英粉骨料烧结性的影响，并最终确定最合理 的配比。 其次，将最合理配比的骨料在1 4 0 0 和1 5 0 0 下进行保温烧结，研究其烧结 机理，并对烧结试样的微观组织进行扫描电镜( s e m ) 分析，得出以下结论： 1 石英粉含量为4 0 、铝矾土含量为6 0 时，其复合耐火骨料烧结良好、满足 耐火度的要求，符合消失模铸钢涂料耐火骨料的要求； 2 钙长石作为烧结助剂，其含量为3 0 时，耐火骨料的烧结为最佳，满足消失 模铸钢涂料的要求； 3 除尘灰作为烧结助剂，其含量为4 时，耐火骨料烧结良好，满足消失模铸 钢涂料耐火骨料的要求； 4 其他耐火骨料和烧结助剂的加入，促进了石英粉的液相烧结，而对固相烧结 基本没有影响； 5 对于固相烧结，延长烧结时间不能达到烧结效果；对于液相烧结，延长烧结 时间可以进一步加深烧结； 6 烧结过程中，液相烧结对整个烧结过程的贡献远大于固相烧结。 最后，将试验研究得出的最合理配比骨料再加入其他悬浮剂、粘结剂、添加 剂等，在某铝厂进行了现场浇注试验，铸件表面涂层脱落良好，符合消失模铸钢 涂料的要求。 关键词：消失模；铸钢涂料；耐火骨料；烧结机理 硕士学位论文 a b s t r a c t c o a t i n ga so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ee v a p o r a t e dp a t t e r nc a s t i n g ( e p c ) ， p l a y sav i t a lr o l ei nt h es u c c e s so fe p c q u a r t zp o w d e ra st h es i n g l er e f r a c t o r y a g g r e g a t ef b re p cc o a t i n gi ns t e e lc a s t i n gh a sah i g hm e l t i n gp o i n t ，aw i d es o u r c ea n d c h e a pa d v a n t a g e ，b u tt h es i n t e r i n go ft h ec o a t i n gi sn o tg o o d ，c a s t i n gs t i c k yp o w d e r d e f e c t sa r eo f t e nh a p p e n e d ，p o o rs t r i p p i n g ，l o wq u a l i t yo ft h ec a s t i n gs u r f a c e ，s a n d r e m o v i n gi sd i f f i c u l t e ；yjo i n i n gt h es i n t e r i n ga d d i t i v e so ro t h e rr e f r a c t o r ya g g r e g a t et o i m p r o v et h es i n t e r i n go fq u a r t zp o w d e ra sas i n g l er e f r a c t o r ya g g r e g a t e ，a n dt os t u d y t h em e c h a n i s mo fs i n t e r i n gt0 it h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h ec o n f i g u r a t i o no ft h ee p c c a s ts t e e lc o a t i n g i nt h i sp a p e r ，t ojo i nt h eb a u x i t ea n dq u a r t zp o w d e rt of o r mac o m p o s i t er e f r a c t o r y a g g r e g a t e ，a n o r t h i t ea n dd u s ta ss i n t e r i n ga d d i t i v e st oi m p r o v et h es i n t e r i n go fq u a r t z p o w d e r f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h er a t i oo ft h et e s tr e q u i r e df b rt h ep r e p a r a t i o no ft h e r e f - r a c t o r ya g g r e g a t e ， s i n t e r e da td i f f 色r e n t t e m p e r a t u r e s ， r e s e a r c ht h ei n n u e n c eo f d i f f e r e n tc o n t e n to fb a u x i t e ，a n o r t h i t ea n dd u s tt o q u a n zp o w d e rs i n t e r i n g ， a n d u l t i m a t e l yd e t e r m i n et h em o s tr e a s o n a b l er a t i o s e c o n d l y ，t h em o s tr e a s o n a b i ep r o p o r t i o no ft h ea g g r e g a t ew a ss i n t e r e dc o n s t a n t l y a tt h e14 0 0 a n dl50 0 ，t os t u d yt h es i n t e r i n gm e c h a n i s m ，a n dt h es i n t e r e ds a m p l e s b yas c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n a l y s i s ，t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 q u a n zp o w d e rc o n t e n to f4 0 ，b a u x i t ec o n t e n to f6 0 ，t h es i n t e r i n go f c o m p o s i t er e f r a c t o r ya g g r e g a t ew a sw e l l ，m e e tt h er e q u i r e m e n to fr e f r a c t o r i n e s s ，m e e t t h er e q u i r e m e n t so ft h er e f - r a c t o r ya g g r e g a t eo ft h ec o a t i n go fe p ci nc a s ts t e e l ； 2 a n o n h i t ea ss i n t e r i n ga d d i t i v e s ，t h ec o n t e n to f3 0 ，t h es i n t e r i n go fr e f r a c t o r y a g g r e g a t ew a sb e s t ，m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h er e f r a c t o r y 。a g g r e g a t eo ft h ec o a t i n go f e p ci nc a s ts t e e l ： 3 d u s ta ss i n t e r i n ga d d i t i v e s ，t h ec o n t e n to f4 ，g o o ds i n t e r i n go fr e f r a c t o r y a g g r e g a t e ，m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h er e f r a c t o r ya g g r e g a t eo ft h ec o a t i n go fe p ci n c a s ts t e e l ； 4 o t h e rr e f r a c t o r ya g g r e g a t ea n ds i n t e r i n ga d d i t i v e sa d d e d ，t op r o m o t el i q u i d s i n t e r i n go fq u a r t zp o w d e r ，b u th a dn oe f f e c to nt h es o l i ds i n t e r i n g ； 5 f o rs 0 1i ds i n t e r i n g ，e x t e n d i n gt h es i n t e r i n gt i m ec a nn o ta c h i e v et h es i n t e r i n g e f f 色c t ；f o rl i q u i ds i n t e r i n g ，t h ee x t e n s i o no fs i n t e r i n gt i m ec a nb ef u r t h e rd e e p e n e dt h e i i s i n t e n n g ； 6 d u r i n gt h es i m e r i n gp r o c e s s ，l i q u i ds i n t e r i n gc o n t r i b u t e dt ot h ee n t i r es i m e r i n g p r o c e s sw a sm u c hl a r g e rt h a nt h es o l i ds i n t e r i n g l a s t l y ，t h em o s tr e a s o n a b l er a t i oo fa g g r e g a t ea n dt h e na d dt h eo t h e rs u s p e n d i n g a g e n t ，b i n d e ra n da d d i t i v e s ，a n dt h eo n - s i t ep o u r i n gt e s t w a sd o n el no n ea l u m l n u m f a c t o r y ，t h ec o a t i n ge a s i l ys t r i p p e df r o mt h ec a s t i n gs u r f a c e ，m e e tt h er e q u l r e m e n t so t t h er e f r a c t o r ya g g r e g a t eo ft h ec o a t i n go fe p ci nc a s ts t e e l k e yw o r d ：e p c ；c o a t i n gf o rs t e e lc a s t i n g ；r e f r a c t o r ya g g r e g a t e ；s i n t e r i n g m e c h a n i s m i l l 硕士学位论文 第l 章绪论 消失模铸造( l o s tf o a mc a s t i n g ，简称l f c ) 技术是用泡沫塑料制作成与零件 结构完全相同，尺寸相似的实型模样，浸涂耐火涂料，烘干后进行干砂造型，振动 紧实，然后在抽真空的状态下浇入金属液，使模样受热气化消失，从而得到与模样 形状一致的金属零件的铸造方法【l 】。消失模铸造是一种近无余量、精确成形的新技 术，它不需要合箱取模，使用无粘结剂的干砂造型，减少了污染，被认为是2 1 世 纪最可能实现绿色铸造的工艺技术【2 】。 1 1 消失模铸造的发展 社会的发展尤其是现代工业的高速发展，对传统的铸造技术提出了越来越多 的挑战。现代铸造生产过程机械化、自动化和专业化，追求工序简单、劳动强度 轻、生产效率高、铸件质量好、精度高、环保等的要求已成为现代铸造技术发展 的必然趋势。另外，科学技术的日新月异，各种新工艺、新技术和新材料不断涌 现，科学技术领域内的各门科学互相渗透、互相结合日趋密切，在这些基础上人 们对老的铸造工艺方法进行了改进和革新，并且研制出许多新的铸造技术。 由于化工和塑料工业的发展，特别是聚苯乙烯泡沫塑料的诞生和实型铸造工 艺的出现，打破了千百年来制模用木材、造型要取模的传统。这是铸造生产上的 一大革命，受到国内外铸造工作者的普遍重视，获得了快速发展。 消失模铸造工艺正是在这种背景下形成和发展起来的，消失模铸造所特有的 优点越来越多的被人们所公认，并越来越广泛地受到铸造界( 尤其是制模和造型工 人) 的欢迎。实践证明，这项新工艺是铸造行业中的一大革新，具有广阔的发展前 途和无限的生命力，是一条多快好省发展铸造生产的有效途径，有力地推动了铸 造生产不断向自i 发展。 1 1 1 消失模铸造在国外的发展瞳3 l9 5 6 年，美国人h f s h r o y e r 开始了将聚苯乙烯泡沫塑料用于铸造的试验，并 获得成功，引起了人们极大的兴趣，1 9 5 8 年以专利的形式公布于众，当时称之为 “无型腔铸造”。起初，该法只是用来制造金属雕像等艺术品铸件，以后经过许 多实践和探索。l9 6 2 年，西德从美国引进专利，消失模铸造法才开始被开发，并 在工业上得到应用。19 6 4 年，美国人t r s m i t h 发明了使用无粘结剂干砂造型生 产消失模铸件的专利( 美国专利号2 8 3 0 3 4 3 ) 。到了1 9 6 7 年，采用普通粘土砂和自 硬砂的消失模铸造法获得了成功，并在许多国家得到了应用，生产了成千上万吨 消失模铸钢涂料耐火骨料烧结机理的彤 歹z 铸件，但是无粘结剂干砂实型铸造却没有得到发展，仍处于探索阶段。在2 0 世纪 6 0 年代到8 0 年代，消失模铸造仅限于单件小批量生产，典型产品是汽车模具、机 器底座、艺术品等。1 9 6 8 年，德国人e k r y z m o w s k i 在砂箱内抽成负压进行浇注， 取得了专利，即现在的消失模铸造。 2 0 世纪8 0 年代以前，由于专利的制约，生产中使用无粘结剂干砂消失模铸造 受到限制，铸造界与其它产业部门协调不够。由于工艺不当、型砂和涂料不合适 以及模型质量不高所导致的实型铸件外观及内在质量不够好，造成了一部分人持 等待、观望甚至怀疑的态度，这使得消失模铸造技术发展相当缓慢。 1 9 8 1 年以后，由于由于相应专利技术失效，再加上经过几年努力，发泡聚苯 乙烯原料珠粒有了很大进步、模型组合粘结剂质量改善、高质量涂料被研制成功 等工艺技术的进步，消失模铸造技术得以迅速发展，并很快在生产上得到应用。 1 9 8 2 年，美国首先公开了世界上第一条生产复杂铝铸件的消失模铸造生产线。至 此，消失模铸造作为一种全新的铸造工艺方法被应用于生产。美、英、意、德、 法、日等工业发达国家的一条高度机械化、全自动化消失模铸造生产线陆续建成 并投产，充分体现了这一新工艺的优越性，使其在当今世界铸造业中占有相当重 要的地位，被国际铸造界誉为“2 1 世纪的铸造新技术”、“铸造的绿色工程”。北美和 欧洲消失模铸造钢铁铸造十大企业见表1 1 l j 划。 表1 1 北美和欧洲消失模铸造钢铁铸造十大企业 美国是消失模铸造的发源地，美国消失模铸造技术的主要特点是： 1 ) 福特、通用两家规模最大、技术力量最强的汽车公司率先开发消失模铸造 技术，使消失模铸造技术的工业应用从一开始就达到了比较大的规模和比较高的 水平； 2 ) 十分重视消失模铸造技术的基础研究。1 9 8 9 年，美国能源部投资，组织2 6 家企业、高等学校、学术研究机构、原材料和设备供应商，成立联合攻关组，分 硕士学位论文 工负责对消失模的热解特性、金属的充填凝固特性、干砂的充填紧实特性等领域 进行深入的基础研究，定期召开学术讨论会，经常组织交流磋商，取得了很好的 效果，为消失模铸造大规模工业应用奠定了扎实的技术基础； 3 ) 商品的成龙配套能力很强，发展很快，发泡材料由实力雄厚的化工公司 a s h l a n d 和a r c o 公司提供，涂料由世界著名的f o s e c o 公司提供，还有专门的工程总 设计和承包商v l k o n 等。与此同时，消失模铸造技术从一开始就跨出国门，得到世 界上最先进的技术支持，譬如，通用汽车公司建立s a t u r n 厂时就到欧洲选用了意大 利f a t a 铝公司的先进设备。2 0 0 1 年美国通用汽车公司所属的s a g i n a wm e t a lc a s t i n g o p e r a t i o n ( s m c o ) 消失模生产线正式投产，标志着美国消失模技术正在走向成熟。 s m c o 是目前世界上最先进、规模最大的消失模生产工厂，它有5 条制模线，日产 3 5 6 铝合金2 7 0 马力直列式运动跑车6 缸缸体和缸盖各1 5 0 0 件【2 4 】。 1 1 2 消失模铸造在国内的发展 在世界消失模铸造史上，中国是继美国、德国、英国和日本之后较早( 19 6 5 年) 研究和应用消失模铸造的国家，迄今已有4 3 年的历史。但真正引起我国铸造界关 注和获得较快发展的，是在1 9 8 8 年中国铸造协会实型铸造专业委员会成立后的2 0 年，尤其是近几年来取得了令人可喜的发展。2 0 0 7 年我国消失模铸件产量达6 4 8 k t ， 跃居世界第一，成了名副其实的消失模铸造生产大国。近18 年来我国消失模铸件 的年度产量，如表1 2 所示【5 1 。 表1 2 中国近1 8 年消失模铸件产量 从表1 2 中分析得知： 1 ) 在1 9 9 5 年以前，我国消失模铸件的产量很少，“微不足道”，在之后的1 0 年 发展较快，尤其是近5 年发展尤为迅速。 2 ) 在19 9 5 年以前虽然消失模铸件产量很少，但在中国的实铸行业中仍占居主 导地位。之后随着我国汽车工业的快速发展和对汽车覆盖模具的需求，消失模铸 件产量逐年增加，到2 0 0 5 年消失模铸件产量达到1 0 5 万吨，2 0 0 7 年又猛增到2 7 6 力 吨，是2 0 0 5 年的2 6 倍，是1 9 9 5 年的3 4 5 倍。 3 1 与其他国家的发展历程相似，我国的实铸行业中发展较快的也是消失模铸 造法。1 9 9 1 年以前采用消失模铸造法生产的厂家只有2 3 家，而且规模小，产量仅 数百吨。1 9 9 5 年起消失模铸件产量每年都在大幅度增长。2 0 0 7 年消失模铸件产量 达到3 7 2 万吨，是2 0 0 5 年的1 7 倍，是1 9 9 5 年产量的51 6 倍，也是自19 9 5 年以后，消 失模铸造法在我国实铸行业中开始逐渐占居主导地位。 我国的消失模铸造技术的发展具有以下的特点1 2 ，7 j ： 消失模铸钢涂料耐火骨科烧结机理的研究 1 ) 我国的消失模铸造技术首先由乡镇企业、中小型铸造配件厂带头开发的。 它们发现消失模铸造技术不仅投资少，见效快，而且不需要非常熟练的技术工人 就可以生产出近无余量的精密铸件，甚至可以满足出口的要求，于是，一大批 1 0 0 0 3 0 0 0 吨年的小型消失模铸造工厂如雨后春笋般的建成投产，初步显示了消失 模铸造技术的优越性。在他们的带动下，也有一些国有大型汽车、柴油机和叉车 制造厂引进较先进的消失模铸造设备和技术，建成了相当规模的生产线，如第一 汽车集团公司轻型发动机厂、合力叉车集团铸锻厂、赤峰富龙集团铸业有限公司 等。但是，到目前为止，我国还没有一家企业可以和北美、欧洲消失模铸造十大 企业相媲美。从总体上看，我国的消失模铸造厂规模小，产量低，经济效益尚未 显现出来，主机制造厂( 特别是汽车制造厂) 采用这一新技术的还不多。 2 ) 我国消失模铸造技术虽有长足进步，但在汽车关键铸件( 缸体缸盖等) 上还 作为不大，还没有把消失模铸造的优势发挥出来，可喜的是目前我国有几家民营 和私营企业，j 下在用消失模技术攻克缸盖和缸体关键铸件。 3 ) 在我国，消失模铸造生产复杂铝合金铸件方面条件还不成熟，排除市场原 因，还有许多关键技术没有攻克，我国的消失模铝合金铸造任重道远。 4 ) 有些规模较大的生产线，由于前期工艺论证不足，技术难关还没有攻破而 迟迟不能投产，使得巨额投资不能及时回报；一些规模较小的生产线，由于市场 波动，产品对象不稳定，经济效益时好时坏。 从总体( 总产量、技术、效益) 上看，我国消失模铸造技术还处于初级的发展阶 段，与美国水平有l o 1 5 年的差距，要达到世界先进水平还要做艰苦努力。 从发展上看，我国要成为铸造强国，必须提高技术含量高、难度大的近无余 量、精确成形产品的比例；符合环境保护和可持续发展的大方向，实现清洁生产： 同时，适应更加个性化的市场需求，产品的结构设计要有更大的自由度。消失模 铸造在以上各方面都符合铸造技术发展的总体趋势，是受到欢迎的新工艺，有着 巨大的发展潜力。 从新技术成长的规律看，我国的消失模铸造技术还处于技术革新期，还需要 一个艰苦的技术积累过程，需要付出艰辛劳动，针对一个一个具体产品对象攻克 难关，不可能坐享其成或者操之过急。 1 2 消失模铸造的原理 到现在为止，可以将造型技术分为三代：手工造型或是机器造型，这种依靠 机械力作用紧实型砂的方法为第一代造型法，也就是所谓的机械成型时代。第二 代是化学成型时代，它不依靠机械力的直接作用，而是靠造型材料本身的化学反 应硬化得到坚固的铸型。目前国内、外广泛使用的有冷固和热芯盒树脂砂、水玻 璃二氧化碳法、酯硬化水玻璃法、双快水泥砂等。尽管后者与前者相比，体力劳 4 坝士学位论文 动轻、劳动生产率高，但仍然存在着清砂费力、旧砂回用困难、环境污染严重等 问题。第三代造型法是物理成型法。它是利用诸如真空、重力、磁力和冷冻等物 理手段来制作铸型的方法，与传统的铸造工艺比较，第三代造型法是技术概念全 新的一种造型法【3 4 1 。 消失模铸造是将用泡沫塑料制作的模样浸涂耐火涂层后，直接放入可抽真空 的砂箱内，填入不含粘结剂和水分的砂子，将泡沫塑料模填埋振实，然后用塑料 薄膜覆盖砂箱抽真空，砂子紧固成铸型。金属液浇入铸型，泡沫塑料模与高温金 属液接触，迅速气化，所产生的气化物及时抽走，金属液完全取代泡沫塑料模， 冷却形成铸件。消失模铸造原理如图1 1 所示，其铸件及泡沫聚苯乙烯模样如图1 2 所示，其工艺流程如图1 3 所示。 图1 1 消失模铸造原理 图1 2 消失模铸件及泡沫聚苯乙烯模样 詈! 鬯鳖些坠丝鲨丝些鬯毫一 图1 3 消失模铸造工艺j j i e 程 消失模铸造造型与浇注工艺操作步骤如下： ( 1 ) 可抽真空的砂箱置于振动平台上，填入底砂( 大于1 0 0 m m ) ，振实、刮平， 如图1 4 a 所示； ( 2 ) 再将浸好涂料，并经烘干的泡沫塑料模放置箱内，边填砂子边振实，如图 1 4 b 所示； ( 3 ) 刮平砂箱口，用塑料薄膜覆盖，抽真空，放置浇口杯，等待浇注，如图1 4 c 所示； ( 4 ) 保持砂箱真空，浇注金属液，如图1 4 d 所示； ( 5 ) 待铸件凝固释放真空，冷却后从砂箱中取去，如图1 4 e 所示。 底砂一泡沫塑料模一 浇口杯 b ) d ) e ) 图1 4 造型与浇注工艺操作示意图 释放真空 与传统的湿型粘土砂铸造工艺比较，消失模铸造工艺过程简单得多，其优点 如下【7 - 8 1 ： 1 生产效率高 6 硕士学位论文 由于消失模铸造无需配砂混砂，缩短了制模周期，模型制作没有芯盒和外型 之分，简化了造型工序，省去了诸如分箱、起模、翻转铸型、修型、下芯和合箱 等操作，容易实现一箱浇注多件、一浇口浇注多件。因此，提高了生产率，特别 对单件、形状复杂的铸件，效果更明显。 2 铸件尺寸精度高 消失模铸造不产生由于分箱、起模、下芯、合箱和拔模斜度等操作所引起的 铸件尺寸误差；由于铸型紧实度高，也不存在型壁移动引起的铸件尺寸误差；只 要模型尺寸准确；埋型合理，就可以得到尺寸精度高的铸件。对试验件进行尺寸 检查的结果表明，此工艺生产的铸件加工划线时容易找正，加工量均匀，铸件各 相对尺寸误差小。 3 铸件质量好 由于使用的是单一型料，所以由型砂造成的铸件缺陷较少；实体埋型，铸件 无飞边毛刺；由于在真空状态下，可及时抽走泡沫塑料气化产物，因此，改善了 实型铸造和磁型铸造时产生的“实型缺陷 ，减少了铸件表面皱皮和铸钢件表面 增碳。 4 投资少，易实现机械化生产 消失模铸造简化了模型制作工艺，由于生产工序少，各道工序操作简便，使 工艺装备的品种和数量大为减少，造型过程中没有型砂粘结剂，造型材料可以完 全回收，生产管理方便，可实现机械化连续生产。 5 减轻了劳动强度，改善了作业环境 消失模铸造不用人工紧实、铸型修补和打箱，从而大大地减轻了劳动强度， 而且该法在浇注时产生的废气可通过密闭管道排放到车间外以进行净化处理，这 样也大大改善了生产现场环境。 6 适用性广泛 不需要下芯、分型，所以，消失模铸造对铸件材质、尺寸、结构和生产批量 具有广泛的适用性。 但是，消失模铸造也存在着如下的缺点： 1 选择适合生产的铸件是成功的关键，形状太简单、批量太小均不适宜； 2 模具从设计到投产时间长、成本高( 指复杂件) ，一旦模具制成后，更改费 时费工； 3 泡沫塑料模样容易受力变形，导致铸件变形常有发生。 1 3 消失模铸造涂料的作用 涂料作为消失模铸造的关键技术之一，对消失模铸造工艺的成功与否起着至 关重要的作用。消失模铸造涂料的作用可以归纳如下【9 。3 1 。 7 消失模铸钢涂料耐火骨料烧结机理的研究 1 ) 可以降低铸件表面粗糙度值。采用优质涂料后，铸件的表面粗糙度值可以 降低二三个等级，达到r 。= 3 2 6 3 “m ，从而提高铸件的表面质量和使用性能。 2 ) 有助于防止或减少铸件粘砂、砂眼等缺陷，因为涂层建立了一道耐火性、 热化学稳定性高的屏障，将金属液与干砂隔开来。 3 ) 有利于提高铸件落砂、清理效率。 4 ) 能使金属液流动前沿气隙中模样热解的气体和液体产物顺利地通过，排到 铸型中去，但又要防止金属液的渗入，这是防止铸件产生气孔、金属渗透和碳缺 陷十分重要的条件。 5 ) 能提高泡洙模样的强度和刚度，防止模样在运输、填砂振动时产生变形和 破坏，这对提高铸件尺寸精度和成品率至关重要。 6 ) 对于铝合金铸件，尤其是薄壁铝合金铸件，有良好的保温绝热作用，以防 止由于模样热解吸热使金属液流动前沿温度下降过快，避免冷隔和绕不到缺陷。 1 4 消失模铸造涂料的组成 涂料由多种原、辅材料配制而成，通常包括耐火填料、载体、悬浮剂、粘结 剂和添加剂等5 种基本组分【1 4 - 2 0 1 。 1 4 1 耐火填料 耐火填料是涂料最主要的组分，它决定涂料的耐火度、化学稳定性和绝热性， 对透气性也有重要影响。常用的耐火填料有刚玉粉、锆石粉、氧化镁粉、棕刚玉 粉、石英粉、高铝钒土熟料粉、高岭石熟料粉、硅藻土粉、滑石粉、珠光粉、云 母粉等。 1 4 2 载体 载体又称载液或溶剂，其主要作用是使耐火填料分散在其中，形成便于涂敷 的浆状或膏状涂料。常用的载体有水和有机溶剂。消失模铸造生产中使用得较多 的是以水为载体的水基涂料。 水作为载体易使涂料获得良好的悬浮性、涂刷性、不流淌性，而且价廉、易 得、无毒、无臭、安全。由于水中钙、镁盐类过多会破坏涂料的悬浮性和胶体的 稳定性，导致涂料相关性能的恶化，因此用来配制涂料的水，其硬度不能太高， p h 值最好等于7 。 1 4 3 悬浮剂 为了防止涂料中固体耐火填料从载体中沉淀下去而加入的物质叫悬浮剂。它 对调节涂料的流变性、改善涂料的工艺性能有重要的作用。水基涂料常用的悬浮 剂有膨润土、凹凸棒土、羧甲基纤维素钠( c m c ) 、聚丙烯酰胺( p a m ) 等。 8 坝十掌位论文 1 4 4 粘结剂 粘结剂的作用是将涂料中的耐火填料及其他组分粘结起来，并对模样也有一 定的粘附性，能使涂料能涂刷在模样上，从而使它具有足够的强度和耐磨性。上 述的悬浮剂一般也具有一定的粘结力，但由于加入量受限制，涂料中还要加入专 门的粘结剂，以保证足够粘结强度。 1 4 5 添加剂 ( 1 ) 润湿剂润湿剂主要用来改善涂料对模样的涂刷性，通常采用o p 1 0 、t 8 0 和j f c 等无泡和低泡的表面活性剂作润湿剂。o p 1 0 学名聚氧乙烯烷基醇醚，俗 名乳百灵，属于非离子型表面活性剂，加入量一般为涂料质量的o 2 o 3 。t - 8 0 学名琥珀酸辛酯磺酸钠盐，又名吐温8 0 ，属于阴离子型表面活性刑，它可与其他 表面活性剂混合使用，加入量为涂料质量的0 0 5 。j f c 学名脂肪醇聚氧乙烯醚， 加人量一般为涂料质量的o 2 o 3 。 润湿剂切忌过量，否则会造成涂料流淌，甚至出现大量气泡。 ( 2 ) 消泡剂消泡剂用来消除涂料在配制、储存和稀释过程中产生的气泡。常 用的消泡剂有j 下丁醇、正戊酵、正辛醇等，加入量一般为涂料质量的0 0 2 ，切 切不可多加，以免恶化涂料的其他性能。 ( 3 ) 防腐剂加入防腐剂的目的是防止水基涂料发酵变质，涂料中含有机物在 气温较高的季节，保存时间过长容易出现发酵变质现象。常用的防腐剂有福尔马 林( 甲醛水溶液) 、苯甲酸钠等，加入量一般为涂料质量的0 0 2 0 0 4 。 1 5 消失模铸造涂料的性能 涂料的性能是维持生产工艺和铸件质量稳定的必要条件。涂料应具备下列性 能：强度、透气性、耐火度、绝热性、耐急冷急热性、低的吸湿性、好的清理性、 涂挂性、滴淌性、悬浮性等性能【2 1 。2 5 1 。 ( 1 ) 工作性能涂层强度、透气性( 广义) 、绝热性、耐急冷急热性等均为 工作性能，其中主要的是强度。 ( 2 ) 工艺性能涂料的涂挂性、滴淌性和悬浮性等均为工艺性能，消失模铸 造常采用水基涂料，而水基涂料与泡沫塑料模样不润湿，需要改善涂料的涂挂性， 这是消失模涂料的一个主要的工艺性能。另外一个主要工艺性能是涂料的滴淌性。 模样在上好涂料后，希望涂料能流平并尽快不滴不淌，以确保得到一定厚度的均 匀涂层，即充分利用涂层又不污染环境。 1 6 消失模铸造涂料易剥离性乜6 。3 4 1 广泛接受的粘砂理论是：机械化学综合粘砂理论。该理论的主要论点是：金 9 消失模铸钢涂料耐火骨料烧结机理的研究 属在高温下浇注容易氧化，生成各种金属氧化物。含有这些低熔点氧化物的溶液 渗入砂隙，使砂层烧结，并能降低金属液对砂粒的润湿角，使金属液在静压下渗 入砂隙毛细管中。构成极难清理除掉的粘砂层。因此金属氧化物及其反应产物被 认为是造成粘砂缺陷的祸首。但是，金属氧化物的生成速度足够快，生成速度超 过消耗速度时，剩余的氧化物积累在金属与铸型之间，厚度达到o 1 m m ，在铸件冷 却时，烧结的型砂会自动剥落下来，反而获得光洁的铸件表面。 在还原气氛下，有机物受热分解，析出光亮碳沉积在金属与铸型之间，厚度 达到0 1 m m 以上时，在铸件冷却时，烧结的砂型也会自动剥落下来。 如果耐火音料被烧成珐琅态或玻璃态( 玻璃态含量在1 0 以上) ，铸件冷却时 因膨胀系数不同，在烧结层内产生很强的应力。应力超过1 8 m p a 时，烧结的型砂 层也会自动剥落下来。 因此，设计涂料配方时，要依循这样的原则：一要烧结，二要剥离。研制烧 结剥离型涂料的理论基础是易剥离粘砂层概念，即涂料在浇注温度下必须生成二 定数量的低熔物，低熔物促使耐火骨料烧结并粘着在铸件表面上，在此同时建立 起特定的浇注气氛，使烧结粘砂层在铸件冷却时会自动剥落下来，从而获得表面 光洁的铸件。 1 7 消失模铸造涂料层的烧结 根据涂料层在浇注后的形态，可分为三类【3 5 铘】： ( 1 ) 不烧结念( 颗粒态)在浇注低熔点有色金属时，原有的粘结体系基本 上未被破坏，涂层内耐火骨料未被烧结，仍保持颗粒状态。这种涂层的机械强度 和致密度都比较低，仅适用于中小型有色合金铸件。 ( 2 ) 低烧结念( 陶瓷态)耐火骨料被烧结成陶瓷态，玻璃相含量仅千分之 几到百分之一、二，它又分成自烧结( 因耐火骨料表面熔化而烧结) 和助烧结( 耐 火骨料本身仍维持颗粒状。依赖体系内产生的低熔物粘结成陶瓷态，具有高度低 烧结温度的特性) 。烧结温度较浇注温度低5 0 1 0 0 为直，烧结温度越低，则烧 结层厚度越大。 ( 3 ) 高烧结态( 珐琅态)相当多耐火骨料被熔化，玻璃相占l 0 15 ，是 一种低耐火体系。使用这种图了的先决条件是，铸型必须有足够高的耐火度，铸 件冷却时涂层内产生的应力大于粘砂层的粘着强度。 按烧结时是否出现液相，可将烧结分为两类：固相烧结和液相烧结【4 0 。：1 4 1 。 ( 1 ) 固相烧结没有液相参与的、完全是固相颗粒之间的高温烧结过程称为 固相烧结。固相烧结的主要传质方式有扩散传质、蒸发- 凝聚传质和塑性流变。 ( 2 ) 液相烧结有液相参与的烧结称为固相烧结。液相烧结的主要传质方式 是流动传质，传质速度快、致密化速率高。 l o 坝士学位论文 1 8 研究目的及主要内容 石英粉作为铸钢涂料的耐火骨料具有熔点高、来源广、价格便宜等优势，但 是涂料的烧结性差，易出现粘粉铸造缺陷。 为了改善石英粉作为单一耐火骨料的烧结性，一是引入合适的烧结助剂，利 用烧结助剂形成的液相，达到加快物质扩散以促进烧结。二是由熔点各异的耐火 骨料组成复合骨料，熔点往往降低且开始烧结的温度也随之降低，如果选择合适 的复合骨料和配比，可以在浇注温度下产生一定程度的烧结。 本课题以石英粉骨料为基础，采用加入烧结助剂和加入熔点不同的耐火骨料 来改善石英粉作为单一耐火骨料的烧结性，并研究其烧结机理。本课题主要作了 如下几个方面的研究工作： 1 、钙长石作为烧结助剂对石英粉烧结性的影响，选择合理的添加量，并研究 其烧结机理； 2 、除尘灰作为烧结助剂对石英粉烧结性的影响，选择合理的添加量，并研究 其烧结机理； 3 、由铝矾土和石英粉烧组成复合耐火骨料，研究铝矾土的加入对石英粉烧结 性的影响，选择合理的配比，并研究其烧结机理。 通过以上研究，寻找改善石英粉骨料烧结性的方法，为消失模铸钢涂料的配 制作以理论指导。 第2 章试验材料与试验方法 本试验所使用的试验材料主要有石英粉、钙长石、除尘灰、铝矾土。 2 1 试验材料 2 1 1 石英粉 试验所使用的石英粉为甘肃本地的9 9 石英粉，其化学成分见表2 1 ，粒度为 2 0 0 2 2 0 目。 2 1 2 铝矾土 试验选用的铝矾土为河南巩义产的g l 8 5 a ，化学成分见表2 2 ，粒度为2 0 0 2 2 0 目。 2 1 3 钙长石 试验所使用的钙长石为河北灵寿县的钙长石，其化学成分见表2 3 ，粒度为 2 0 0 2 2 0 目。 表2 3 钙长石的化学成分( 质量分数，) c a oa 1 2 0 3s i 0 2 2 0 1 3 6 74 3 2 2 1 4 除尘灰 。 试验采用的除尘灰为酒钢冶金生产过程中产生的除尘灰，化学成分见表2 4 ， 粒度为2 0 0 2 2 0 目。 表2 4 除尘灰的化学成分( 质量分数，) t f ef e os i 0 2n a 2 0k 2 0 c a om 9 0a 1 2 0 3 c spr兴1 i e 1 2 硕士学位论文 2 2 试验仪器 2 2 1 精密电动搅拌器 本试验所使用的涂料搅拌仪器为j j 1 精密电动搅拌器，如图2 1 所示。该搅 拌器调速范围为：起动3 0 0 0 转分；定时范围：5 1 2 0 分钟或常开。使用时将盛 有涂料的烧杯放置工作台正中，调整搅拌棒的高度，使搅拌头伸入涂料液的中部， 然后开启电源、确定搅拌时间、调节搅拌速度。 图2 1j j - l 精密电动揽拌器 2 2 2 陶瓷纤维马弗炉 本试验所使用的涂料烧结仪器为t m 系列陶瓷纤维马弗炉，如图2 2 所示。该 马弗炉达到的最高温度为：17 0 0 ，工作温度为：16 0 0 ，时间设定范围为： l 9 9 9 9 m i n 。采用b 型温度传感器和p i d 控制方式。使用时将制作好的试样放进 炉膛，设定好参数，开始运行。 图2 2t m 系列陶瓷纤维马弗炉 蟹 i；：；、 消失模碍钢涂料耐火骨料烧结机理的研冗 2 2 3 分析天平 本试验所使用的涂料称重仪器为t s j 分析天平，如图2 4 所示。量程为： 0 一1 0 0 9 ，精度为：0 0 0 0 l g 。 2 2 4 游标卡尺 本试验所使用的测量工具为游标卡尺，精度为o o l m m 。 2 2 5 抗折弯仪 本试验所使用的测试强度仪器为b s t 4 0 1 抗折弯仪，利用抗折弯仪对烧结试样 测试其破坏载荷，然后求其抗弯强度( 单位面积上的破坏载荷) 。 2 2 6 扫描电镜 本试验所使用的涂料烧结试样微观形貌分析仪器j s m 6 7 0 0 f 扫描电镜。该仪 器二次电子分辨率：1 0 n m ( 加速电压1 5 k v ) 2 2 n m ( 加速电压l k v ) ，放大倍数： 低倍：2 5 1 9 0 0 0 ，高倍：1 0 0 6 5 0 0 0 0 。 2 3 试验方法 按试验所需配比配制耐火骨料，放入涂料搅拌机，加适量水搅拌2 小时，然 后加入成型模具( 6 5 0m m 3 0m m 4m m ) 中，待干燥后将试样从模具中取出。 采用陶瓷纤维马弗炉对制备好的试样进行烧结试验。烧结温度分别为： 1 3 0 0 、1 3 5 0 、1 4 0 0 、1 4 5 0 、l5 0 0 、l5 5 0 、1 6 0 0 。当试样被加热到烧 结温度后，保温l o 分钟，待冷却至室温后，用b s t 4 0 l 抗折弯仪测试烧结后试样 的破坏载荷，用游标卡尺测量断口宽度和断口厚度。 抗弯强度计算公式： 艿= b 赤 心_ 式中，瓦为破坏载荷，n ；t 为跨距，m m ；6 为断口宽度，m m ；办为断口厚 度，m m 。 根据式( 2 1 ) 计算试样的抗弯强度，求其平均值。并对试验结果进行分析， 确定复合耐火骨料的最合理配比，然后再进行保温烧结试验，保温时间分别为： l o m i n 、2 0 m i n 、3 0 m i n 、4 0 m i n 、5 0 m i n 、6 0 m i n ，测试烧结试样的抗弯强度，分别 在1 4 0 0 、l5 0 0 下进行保温烧结，并对烧结试样进行扫描电镜分析，从微观角 度进一步分析其烧结机理。 1 4 硕十学位论文 第3 章烧结动力学与传质 耐火材料的烧结是一个非常复杂的过程，在此过程中配合料发生一系列的物 理化学变化。本章主要介绍烧结动力学及传质机理【5 4 1 。 3 1 烧结概论 宏观定义：粉体原料经过成型、加热到低于熔点的温度，发生固结、气孔率 下降、收缩加大、致密度提高、晶粒增大，变成坚硬的烧结体，这个现象称为烧 结。 微观定义：固态中分子( 或原子) 间存在相互吸引，通过加热使质点获得足 够的能量进行迁移，使粉末体产生颗粒粘结，产生强度并导致致密化和再结晶的 过程称为烧结。 衡量烧结程度的理化指标主要有灼减、密度、体积密度、气孔率、吸水率、 晶粒度、水化程度等。也可用烧结综合系数z 来描述烧结密度，其关系式如下： z = c l ( p i p 2 ) p i + c 2 ( f l - f 2 ) f i ( 3 - 1 ) 式中p i ，p 2 一一烧结前后的气孔率； f l ，f 2 一一烧结前后的强度； c l ，c 2 一一系数； 在烧结过程中，随着温度的不断升高，坯体的气孔不断下降，密度和强度不 断提高，当气孔下降到一定程度后，下降速度便会减慢。 3 2 烧结的驱动力与烧结过程的物质传递 烧结致密化过程是通过物质的传递和迁移实现的，其基本推动力为系统表面 自由能的降低。粉体原料的比表面积很高，具有较高的表面自由能，处于不稳定 状态。根据能量最低原理，体系能够自发地向低能状态变化，因此，烧结是一个 自发的不可逆过程，烧结后体系转变为热力学上更稳定的状态。但是，由于表面 自由能较小，这个烧结驱动力较小，无法使烧结在低温下进行，必须对体系进行 加温以补充能量，才能发生烧结反应。 除了推动力外，烧结过程还必须有物质的传递过程，这样才能使坯体中的气 孔得以填充，实现坯体的致密化。在烧结过程中，物质的传递过程颇为复杂，具 有多种途径，相应的机理也不相同，归纳起来有以下几种主要传质机理。 ( 1 ) 蒸发凝聚 颗粒表面具有正的曲率半径，而两个颗粒相接触的颈部具有负的曲率半径， 消失模铸钢涂料耐火骨料烧结机理的母f 冗 如图3 1 所示。在烧结的过程中，物质从蒸气压较高的凸曲面蒸发，通过气相传质， 在蒸气压较低的凹曲面( 颈部) 处凝聚，这样使颗粒间的接触面积增加，颗粒和气孔 的性质逐渐改变，致使坯体逐步致密化。二者之间的蒸气压差可用k e l v i n 关系式 表示： l n