转移涂料在消失模铸造表面处理中的应用

1、铸·1030·造Oct.2010Vol.59No.10FOUNDRY转移涂料在消失模铸造表面处理中的应用陈东风1，董选普1，樊自田1，丁洁2，王留伟2（1.华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北武汉430074；2.平高集团有限公司，河南平顶山467001）摘要：为了改善消失模铸件表面性能，研发了一种新的转移涂料，涂料主要由成膜剂、溶剂、稀释剂组成。研究表明该涂料的转移性良好，并且得到的铸件表面光洁度大大提高。此外按照不同比例加入金属铝粉（0.074mm）、低温玻璃0.019mm），配制特种转移涂料，并研究了不同加入量，涂料厚度对转移性能的影响。选用AZ91镁粉

2、PbO-ZnO-Na2O（合金作为基体材料，在780、真空度-0.06MPa条件下浇注。结果表明，与无转移涂料铸件表面相比，铸造粗糙度大大降低，在加入金属铝粉的转移涂料铸件表面有一层合金化层，表面合金化层的显微硬度达到基体的3倍左右。在加入低温玻璃粉的转移涂料铸件表面获得一层厚度为2030m的陶瓷层，可以为基体提供保护，提高镁合金的耐蚀性。关键词：消失模铸造；转移涂料；镁合金；表面性能中图分类号：TG221文献标识码：A文章编号：1001-4977（2010）10-1030-04ApplicationofTransferCoatingtotheSurfaceTreatmentforLostFo

3、amCastingCHENDong-feng1,DONGXuan-pu1,FANZi-tian1,DINGJie2,WANGLiu-wei2（1.StateKeyLaboratoryofMaterialProcessingandDie&MoldTechnology,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,Hubei,China;2.PinggaoGroupCo.,Ltd.,Pingdingshan467000,Henan,China）Abstract：Inordertoimprovethesurfacepropertie

4、soflostfoamcastings,anewtransfercoatinghasbeendeveloped,whichismainlycomposedoffilmformingagent,solventanddiluent.Theresearchshowsthatthecoatinghasanexcellenttransferringperformance,andthecastingsurfacefinishwasimprovedgreatly.Inaddition,metalaluminumpowder（0.074mm）andlowtemperatureglasspowderweread

5、dedtothecoatingtopreparedthespecialtransfercoating,alsotheeffectofaluminumpowder,lowtemperatureglasspowder（PbO-ZnO-Na2O）additionamountandthecoatingthicknessonthetransferringwasinvestigated.AZ61DMg-alloywaschosenasthesubstratematerial,themetalmeltwaspouredat780,andvacuumdegree-0.06MPa.Theresultsshowt

6、hatthecastingsurfaceroughnessdecreasedobviouslycomparedwiththeonewithoutthetransfercoating,thecastingsurfacelayerwasformedacertainthicknessalloyedlayerwhenthealuminumpowderwasaddedintothecoating,themicro-hardnessofalloyedlayerreachestothreetimesofthesubstrate.Thecastingsurfacewasalsofoundceramiclaye

7、rwithathicknessof2030mwhenglasspowderwasaddedintothecoating,theceramiclayercanprovideprotectionforthesubstrateandimprovethecorrosionresistanceofMg-alloy.Keywords：lostfoamcasting;transfercoating;Mg-alloy;surfaceproperty消失模发泡模具转移涂料是指将涂敷或喷涂在发泡模具型腔，等其固化后，充填发泡珠粒，在适当的工艺条件进行发泡，可以从模具型腔完整转移到泡沫模样表面的一种涂料。转移涂料可

8、以提高铸件表面光洁度、尺寸精度，并且可以根据实际情况在涂料中加入特种材料，这样在泡沫模样表面可以得到一层特种涂料层，在浇注时，金属熔体就会和转移涂料层发生反应，生成所需要的金属间化合物以改善铸件表面性能。国内外对消失模转移涂料的研究报道较少，主要是有关砂型的转移涂料，该技术最早出现在20世纪70年代，日本小松制作所提出的小松（Komatsu）山西（Yamanishi）法，简称K-Y法1-2。通过此方法，涂料从芯盒表面转移到壳型内表面，从而形成光洁的铸件表面。国内在树脂砂、水玻璃砂、粘土砂方面进行了大量的研究，袁寿民研究了加热硬化的转移涂料工艺3，并且浇注了铝合金芯盒，与以前的机加工相比，工时大

9、大降低，并且铸件表面粗糙度达到3.2m。文献4研究了粘土砂气冲造型转移涂料的脱模剂，指出用于基金项目：国家自然科学基金资助项目（50775085）。收稿日期：2010-06-07收到初稿，2010-08-12收到修订稿。作者简介：陈东风（1980-），男，在读博士，主要从事表面合金化和新型复合材料方面的研究。通讯作者：董选普，教授。E-mail：dongxp铸造陈东风等：转移涂料在消失模铸造表面处理中的应用·1031·热法转移涂料的复合型脱模剂效果比较好，它可有效地降低涂料与模样间的附着强度。水玻璃砂转移涂料的研究包括水玻璃覆膜砂转移涂料和自硬转移涂料。前者使用水玻璃覆膜砂

10、制芯，通过微波加热固化砂芯及涂料，同时实现了涂料的转移。哈尔滨工业大学对自硬转移涂料也进行了研究5，宋会宗研究了在常温下自硬的转移涂料工艺6。因此本文对消失模发泡模具转移涂料的研究，对于提高铸件表面光洁度和改善表面性能具有重要意义。与相关的砂型转移涂料研究相比7-10，本研究的转移涂料选用聚苯乙烯做成膜物质，丙酮、苯乙烯做溶剂，二氯乙烷为稀释剂，并且按比例分别加入金属铝粉和低温玻璃粉制备可以改善铸件表面性能的特种涂料，优化涂料成分组成，分析铸件表面组织形貌和性能。1试验材料及方法在前期研究的基础上11，考虑到向转移涂料加入金属铝粉和玻璃粉的量，对前期得到的转移涂料组成进行稍微的调整，其中聚苯乙

11、烯15%、苯乙烯15%、丙酮15%和二氯乙烷55%。首先是在苯乙烯和丙酮的混合溶液中加入聚苯乙烯，最后加入二氯乙烷进行稀释，搅拌15min左右即可。向转移涂料中可以按不同质量比加入金属铝粉、低温陶瓷粉制备成特种转移涂料，在发泡的过程中转移到泡沫模样表面，后续浇注时，在熔体潜热作用下在铸件表面生成合金化层、陶瓷层，提高铸件表面性能。试验的工艺流程按图1进行。图2a是在发泡模具型腔内壁均匀喷涂一层制备好的转移涂料，等转移涂料风干固化后充填珠粒；图2b是转移后的模样表面。根据前期对发泡试验以及涂料转移所需时间的测定，在可以得到完整模样的前提下，转移涂料从型腔直接转移到模样表面，并具有足够的粘接强度，

12、具体的工艺参数是蒸汽施加时间为3min，蒸汽压力为0.2MPa。转移时间是非常重要的参数，通入蒸汽，珠粒受热软化膨胀，膨胀的颗粒相互融合在一起，并充满整个型腔形成整体泡沫模样。转移涂料软化具有一定的粘度，和模样粘结在一起，经过冷却定型，成型的泡沫模样表面就会有一层转移涂料层。如果时间太长，虽然涂料经过固化、溶剂蒸发，但仍有部分残留的溶剂存在，在较高的温度下，随着时间的延长，溶剂会进一步的挥发，造成模样腐蚀。相反时间太短，一方面珠粒不能很好的相互融合，另一方面转移涂料没有完全软化，不能顺利转移到模样表面。转移涂料可以完全实现转移后，向其中加入不同质量比例的金属铝粉、低温玻璃粉，最终在泡沫模样的表

13、面有一层含有铝粉或玻璃粉的转移涂料层，用来改善铸件表面性能。试验结果与分析2.1转移涂料对铸件表面光洁度影响图3是有转移涂料的泡沫模样，用AZ91D镁合金在780、真空度-0.06MPa条件下浇注得到的铸件表面质量状况。其中图3a是无转移涂料铸件表面，可以明显看到泡沫珠粒的痕迹，这主要是因为在模样发泡成型过程中，由于珠粒没有充分膨胀，相互融合效果较差，因此珠粒之间就会存在缺陷，导致模样表面不光滑。如果直接涂刷消失模涂料，涂料会填充缺陷，由于涂料复制性比较好，浇注后的铸件表面就会出现相同的缺陷。如果在发泡模具型腔内表面喷涂一层转移涂料，得到的模样表面由于覆盖的涂料变得比较光滑，即使在发泡的过程中

14、存在一些缺陷，也不会影响铸件表面的质量。由于转移涂料覆盖在模样表面，涂料和模样总的尺寸并没有改变，因此对铸件的尺寸精度没有影响，反而提高了铸件表面光洁度，有转移涂料的表面比较平整，如图3b所示，光洁度大大提高。消失（a）无转移涂料表面（b）有转移涂料表面图3780浇注条件下AZ91D镁合铸件表面质量Fig.3AZ91Dcastingsurfacequalitywhenpouringat780Oct.2010·1032·FOUNDRYVol.59No.10模铸件粗糙度在正常情况下达到Ra3.212.5m，在使用转移涂料后，铸件的粗糙度可以达到Ra1.66.3m，很大程度上提高

15、了铸件的尺寸精度。铸造涂料的发展顺应近净型的趋势，转移涂料就是在这一背景下逐渐得到发展，并且向多功能化发展，如开发表面合金化涂料、控制凝固速度的涂料等。出现一些缺陷，这主要是因为铝粉在重力的作用下会填充到模具型腔透气孔，造成在气孔位置不能完整的转移。当铝粉的比例为30%时，转移的表面光滑，消除了在气孔处的缺陷，由于加入铝粉后，涂料变得粘稠，流动性下降，因此涂料很难填充到透气孔。继续增加铝粉的比例，一方面涂料的流动性降低，另一方面等体积的涂料，转移涂料的体积减少，整体成膜性降低，并且涂刷的厚度较难控制，较厚的涂料层在短时间内不能完全软化，此外涂料层厚度增加降低了透气性，挥发的溶剂不能顺利地通过透

16、气孔排除，势必会造成泡沫模样的腐蚀，如图4a所示。因此铝粉的加入比例为30%较佳。铝粉对涂料转移性与铸件表层组织影响图4是在转移涂料中加入不同比例的金属铝粉后涂料的转移情况，铝粉粒度大小为0.074mm。从图中可以看到，当铝粉的比例为20%时，在转移时间3min、蒸汽压0.2MPa条件下，可以实现很好的转移，但在表面会2.2（a）20%铝粉b）30%铝粉（图4添加铝粉的涂料转移情况Fig.4ThetransferringofcoatingwhenmixedAlpowder（c）40%铝粉图5是加入质量分数30%铝粉后的转移模样，在浇注温度780、真空度-0.06MPa条件下，得到的AZ91D镁

17、合金铸件表层组织形貌和表面至基体的显微硬度分布。表层第二相的体积分数明显增加，主要因为高温下镁合金熔体首先使泡沫模样汽化、裂解，然后与表面的转移涂料层接触，转移涂料在高温下也发生汽化、裂解，产物在负压作用下通过消失模涂料排出。剩下的金属铝粉受到金属潜热的影响，发生熔化并和镁合金基体发生反应生成第二相，因此表层的第二相增多，呈网状分布在基体上，逐渐向基体过渡，如图5a所示。图5b显示铸件的表面至基体显微硬度呈梯状分布，在表层达到HV160左右，几乎是基体显微硬度的3倍，这与组织分布相一致，可一定程度地提高基体的耐磨性。低温玻璃粉对涂料转移性与铸件表层组织影响图6是转移涂料加入不同比例低温玻璃粉后

18、的转移性变化和转移模样浇注的铸件表面陶瓷层形貌。从图6a-c可知，玻璃粉的加入比例为10%30%，当加入比例低于20%时，涂料都可以完整的转移到泡沫模样表面。继续增加玻璃粉的含量，会造成涂料的浓度明显增大，在涂刷一层的情况下，与浓度较低的相比，厚度明显增加，固化后的涂料层在短时间内不能完全软化，转移性能下降，得到的泡沫表面变得不光滑，因此考虑到转移性和涂料的厚度合适，选择加入玻璃粉的比例为20%。考虑到镁合金消失模铸造的浇注温度，选用低温玻璃粉PbO-ZnO-Na2O（380420）作为表面陶瓷化2.3材料。高温下浇注镁合金液，泡沫裂解后，表面的转移涂料层与金属液接触，其中有机的转移涂料部分在

19、高温下裂解，玻璃粉在高温下迅速熔化，随着金属液温度下降，玻璃粉从液态向玻璃态转化形成玻璃陶瓷层，在凝固之前，表面的陶瓷层与基体形成良好的结铸造陈东风等：转移涂料在消失模铸造表面处理中的应用·1033·合面，覆盖在铸件表面。图6d是加入20%的玻璃粉转移模样在780、-0.06MPa条件下浇注得到的铸件表层形貌，在基体表面形成一层2030m左右的陶瓷层。由于形成的是玻璃陶瓷层，所以可以为基体提供保护，提高镁合金的耐蚀性，目前镁合金在航天、航空、电子行业应用越来越来广泛，但较差的耐蚀性限制了其更广泛的应用，因此开发提高镁合金耐蚀性的方法势在必行。（a）10%玻璃粉（b）20%玻

20、璃粉（c）30%玻璃粉图6（d）20%玻璃粉铸件表面陶瓷层形貌添加玻璃粉后涂料的转移情况和铸件表面陶瓷层Fig.6Ceramiclayerofcastingssurfaceandcoatingtransferringeffectwhenmixedwithglasspowder3结论（1）针对消失模铸造镁合金铸件表面质量存在的参考文献：12Akio，YamanishiA.KYprocessmodifiedcroningprocessJ.82）：55-58.TransactionofAFS，1974（SaothK.Anewmethodofmicrowavecoremaking：theK-YprocessJ.TransactionofAFS，1982（90）：445-452.3袁寿民.转移涂料的研究J.铸造，1990（11）：20-24.4孟力凯.气冲造型转移涂料用铸型脱模剂的研究J.热加工工艺，2003（3）：