消失模铸造用涂料及配方

——铬铁渣, 经破碎研磨成粉状（料度200 目）。因其A l 2 O 3 含量超过85% ,C r 2 03含量超过10% ,故称高铬刚玉。其熔点为1 830?2 000 C ,密度为3. 68g /cm 3 , 莫氏硬度为9, 热膨胀系数约为石英的一半, 热导率为石英的2 倍。高铬刚玉属中性材料, 不易与高锰钢液发生化学反应, 且耐火度较高, 能够抵御高温金属液体的冲刷, 其它性能皆有利于配制性能良好的涂料, 同时成本较低, 仅为刚玉粉、锆英粉价钱的1 /3 左右。1 . 2 其它组分a醇基涂料粘结剂采用酚醛树脂,其耐热性好,价格也适当。PVB 既是悬浮剂又是粘结剂。PVB 与酚醛树脂混合使用可以提高涂层强度[2 ] 。二者在使用前均溶于酒精中待用。悬浮剂选用锂基膨润土, 可在酒精溶剂中形成醇溶胶。先用少量水引发, 静置24 h 后, 变成膏状, 这时加适量乙醇再用高速搅拌机分散制成膏状悬浮剂。溶剂为工业乙醇, 助剂采用微量表面活性剂、消泡剂（正辛醇）等。为使涂料层在落砂时易剥离、防粘砂, 加入熔剂Fe 2 0 3 。2 涂料性能的测试方法悬浮性系用静置法, 在100m l 量筒中测涂料静置24 h 后的沉淀物所占体积百分比。透气性在STZ 直接式透气性测定仪上测定（用透气性标准度样）。涂料层干态透气性的具体操作及计算方法见文献[3 ] 。涂层强度测定[4 ] 是由粘度杯向涂有涂层的玻璃板上落砂, 直至擦破涂层露出玻璃板为止, 称出落砂总质量, 作为判断涂料层面强度的定量指标。高温抗裂性测定, 是将___< 50 mm 的水玻璃砂型试样浸入涂料形成2 mm 的涂层, 干燥后放入高温炉中, 在1 200 急热2m in 取出观察涂层开裂的情况。触变性是采用NDJ - 1 型旋转式粘度计测量涂料的表观粘度随时间的变化情况, 即触变性曲线。涂料其它性能测试参照文献[3 ] 进行。3 试验结果3 . 1 最佳涂料配方的确定悬浮性、透气性和涂层强度是消失模涂料的基本性能。为此采用正交试验方法考察涂料主要组成（酚醛树脂、PVB 、膨润土及氧化铁粉）对其性能的影响, 以确定出最佳涂料配方。正交试验采用4 因素3 水平（表1） , 试验结果如表2 。醇基涂料的配制工艺: 锂基膨润土+ 助剂+ PVB+ 酚醛树脂+ 耐火填料+ 熔剂+ 适量球磨球磨工业酒精30 ?60 m in + 酒精. 5 ?- 0 m in 出料。根据各因素对悬浮性、透气性和涂料强度的主次关系综合权衡, A 2 B 2 C 3 D 3 为最佳水平组合条件, 即为最佳涂料配

方。表1 L 9 ( 3 4 ) 因素水平表( 质量分数, %) 表2 正交试验结果3 . 2 最佳涂料性

能确定最佳配方后, 再以此配方配制涂料, 考察涂料的其它性能能否满足消失模铸造的要求。(1) 涂挂性对不同结构的消失模采用刷、浸、喷、淋等涂敷方法在消失模表面涂敷涂料, 都能在表面上形成一层均匀的涂层, 说明研制的涂料涂挂性较好。(2) 触变性要使消失模表面形成一层均匀且具有一定厚度的涂料层, 就要求涂料应具有良好的触变性, 使其同时具有一定的涂刷性和抗流淌性。图1 为研制涂料及文献涂料的触变性曲线, 可见两种涂料的表观粘度在恒定的剪切速率下随着剪切时间的延长而大幅度降低, 但最佳涂料触变性曲线斜率大于文献涂

料图1 涂料触变特性曲线触变性曲线的斜率, 表明该涂料涂敷时的涂刷性和涂平性优于文献涂料。触变性值计算时, 将10m in 的读数(S ')与30 s时的读数(S )代入下式计算[5 ]: 最佳涂料触变性S =( S - S '

S ) X 100 /(63-21) X 100 /63= 66. 6 文献涂料触变性=(S - S ' S ) X 100 /=

(65-25) X 100 /65= 61.5 可见两种涂料触变性值均远大于涂料触变性应大于20的要求

[6 ] 。但仍可看出最佳涂料触变性优于文献涂料的触变性值。(3) 物化性能将最佳涂料与文献[7 ] 推荐的醇基镁砂粉涂料性能比较见表3, 可见其悬浮性、透气性、涂层强度均优于推荐涂料, 证明新开发的涂料比较优良。表3 最佳涂料与文献推荐涂料性能对比3 . 3 生产验证在锦州发电厂铸造分厂进行批量生产验证。采用了刷涂、浸涂和淋涂方法, 用带有这种涂层的消失模浇注球磨机衬板, 破碎机颚板及挖掘机半齿等高锰钢铸件, 最大件270 kg, 最大壁厚达120mm 。落砂后铸件表面光洁, 平整, 棱角清晰, 无粘砂, 尺寸精度高。涂料烧结层呈片状脱落。4 结论(1) 研制的高锰钢件消失模醇基涂料性能优良, 成本低廉, 浇注的铸件表面质量好, 光洁无粘砂, 尺寸精度高。(2) 涂料不仅适合于生产高锰钢铸件, 也适合于生产碳钢件。. 6. 消失模铸造水基涂料的研制摘要: 涂料是消失模铸造最关键的辅助材料之一。为降低消失模铸造涂料的成本, 研制了水基消失模涂料。文中采用石英粉为耐火骨料, 石英粉共有3 种粒度分布。所有涂料用碾轮式混砂机制成膏状涂料, 在搅拌机中加入适量水搅拌成液体涂料, 然后测其性能。研制出的涂料, 配方为: 石英粉100 % , 膨润土4 % , 白乳胶2.

5 % , 羧甲基纤维素钠

(CMC)0. 5 % , 以及其它附加物, 其中石英粉要求粒度分布相对集中。该涂料成本低且具有优良的工艺性能, 特别适用于球墨铸铁件的消失模铸造生产。关键词: 消失模铸造; 涂料; 透

气性; 流变性自从1958 年消失模铸造诞生以来, 消失模铸造引起了铸造界的广泛注意, 在铸铁件、铸铝件的生产上有一些应用。进入80 年代, 随着干砂消失模铸造专利的失效, 消失模铸造得到了迅猛的发展, 国外开始建立了一大批生产线, 用于铸铝、铸铁件以及铸钢件的批量生产。泡沫塑料模样、涂料、真空度、振动等均为消失模铸造的关键技术, 这些技术对铸件的质量有重要的影响。其中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、粘度和流变特性外, 还要求涂料有适宜的透气性。现有消失模铸造涂料一般以棕刚玉、锆英粉、铝矾土等为耐火骨料, 成本较高。石英粉是最便宜的耐火填料之一, 具有较高的熔点(1 713 C )和烧结温度(1 500?1 700 C ) [ 1 ]。虽然高温下，SiO 2能与FeO发生反应，生成低熔点、低粘度化合物FeO ? SiO 2 ,易造成铸件化学粘砂，但对于热作用不强的中、小铸钢件和铸铁件, 石英粉耐火涂料在普通砂型铸造中仍有一定的应用。文中在寻找一种适用于球墨铸铁件且性能优良而价格低廉的涂料目的下, 研究了以石英粉为耐火骨料的消失模铸造水基涂料。1 试验材料及方法1. 1 试验材料共用3 种石英粉耐火骨料, 其粒形均为多角形, 粒度集中在0. 075 mm 左右, 粒度分布见表1 。膨润土为四川盐亭钠质膨润土, 其吸蓝量为39 , 使用前两天, 将其调制成膨润土浆, 并加入膨润土量3 % 的Na 2 CO 3 。聚乙烯醇(PVA) 使用前在沸水中熬煮成10 % 胶体水溶液。羧甲基纤维素钠(CMC) 使用前24 h 配制成5 % 的水溶液。载体为自来水。表1 石英粉的粒度分布% 1. 2 试验方法文中拟定了表2 中5 种涂料, 每种涂料均用S460 型碾轮式混砂机制成膏

状, 然后在自制搅拌机中加入适量水搅拌成液体涂料, 膏状涂料混制工艺如下: 表2 涂料配方% 用< 30 mm 的带磨口量筒( 刻度为0 ?100 mm) 测定涂料悬浮性, 静置时间为24 h 。涂料干强度测定为: 从1 000 mm 高处加铁丸冲击泡沫塑料上的约1 mm 厚的涂料壳层, 以冲出白点为终止条件, 涂料强度用铁丸

质量m 与涂料层的厚度d 之比表示, 其度量单位为g / mm 。用STZ 型直读式透气性测定仪测试涂料在常温以及400、700、1 000 C下的透气性[2 ]。流变性的测定采用NDJ-1 型旋转式粘度计, 该粘度计共有4 个转速, 分别为6 、12 、30 、60 r / min 。测定时使用3号转子,并且涂料的温度保持在（25 ± 1）C。涂料的静态剪

切应力的测定用U 型连通管[3 ] 。2 试验结果与分析2. 1 涂料的强度与悬浮率钠质

膨润土和CMC 作复合悬浮剂, 涂料有优良的悬浮性。涂料2 的悬浮率为98 % , 而其余均为100 % 。涂料2 的干强度明显低于其余4 种涂料, 只有其余4 种的60 % 左右（见表3）。涂料2 用水玻璃与白乳胶作粘结剂。白乳胶（聚醋酸乙烯乳液）其p H 值为4?6 ,呈弱酸性，而钠水玻璃有很强的碱性，其p H值为11?13 ,因此两者易发生化学反应。膏状涂料2 在搅拌机中搅拌时, 涂料液表面有黑色的油状物质生成。即白乳胶与水玻璃发生了化学反应, 生成新物质（有待进一步确认其组成）, 降低有效粘结剂含量, 涂料呈现出较低的干强度以及略低的悬浮率。涂料1 、3 、4 、5 均用无机粘结剂和有机粘结剂相结合, 有理想强度与悬浮率。表3 涂料的悬浮率和强度2.

2 涂料的流变性图1 是涂料的流变曲线,5 种涂料均为有屈服值的假塑性流体。所有涂料用钠质膨润土和CMC 作悬浮剂, 膨润土颗粒在高度分散状态下呈片状, 片状颗粒平面上一般带负电荷, 边棱部分带正电荷, 正负电荷相吸引, 使膨润土颗粒在溶液中形成立体网状结构；CMC的主链上带有许多强极性的亲水基团，基团之间可借助于氢键、静电引力和范德华力相结

合, 从而CMC 高分子链间形成立体网状结构。在低剪切应力下这种结构只稍变形而不被破坏, 这使得涂料具有一定的屈服值[ 1 ,4 ] 。图1 涂料的流变

曲线从图1中还可看出，剪切应力T的增长小于剪切速率丫的增长，涂料的表观粘度（n = T/ 丫）随剪切速率的增长而减少。即涂料受到的搅拌速度或涂刷速度增高, 则表观粘度降低, 涂料具有“ 剪切变稀” 特性。涂料1 、3 、5 比涂料2 、4 的膨润土含量高, 涂料内形成的立体网状结构更牢固, 剪切变稀作用更强, 涂挂涂料时, 涂料的粘度下降快, 涂刷手感好。涂挂结束后剪切速率趋于零, 由于剪切稀释作用表观粘度大幅度增加；同时涂料中的立体网状结构逐渐恢复也使表观粘度增加, 两方面同时作用, 使得涂料1 、3 、5 有更好的滴淌性。涂挂后, 泡沫塑料模样的垂直表面以及下表面的涂料可以不滴淌或只有少量滴淌, 可以保证模样的所有表面涂料层厚度均匀。2.

3涂料的透气性涂料的透气性K如图2所示。涂料5的透气性明显高于涂料1?4 , 其常温透气性达3. 76 cm 4 ? g -1 ? min -1 。涂料1?4的透气性基本上一致,

其常温透气性均在0. 4 ?0. 7 cm 4 ? -1 ? g min -1 之间。尽管涂料透气性相差较

大,但均先随温度t升高而降低,在400 C或700 C时达最低点,然后再随温度的升高而增加。图2 涂料的透气性涂料的透气性先随温度的升高而降低, 然后再随温度的升高而升高, 这主要由以下几方面的作用共同作用的结果。第一, 随温度的升高石英粉由于热膨胀和相变导致其体积增加。300?1 100 C时，石英粉的热膨胀系数为

3 X 10 -5。石英粉在573 C发生B -石英一a -石英相变，其线膨胀率为4. 5 X 10 -3。此

外，石B -磷石英、英粉还会发生丫-磷石英、a -磷石英以及B -方石英、a - 方石英之间的

相变, 这些相变都会导致石英粉的体积膨胀[5] 。耐火骨料体积膨胀后, 骨料排列更紧密, 骨料间的孔隙减少, 涂料的透气性下降。第二, 温度升高空气中气体分子的热运动加剧, 空

气的粘度增加, 通过涂料层的孔隙的阻力增大, 使得涂料的透气性下降。第三, 在高温下, 涂料中的有机物会发生分解, 产生的气体排出涂料层后,涂料的孔隙增加,透气性也随之升高。在中温阶段(400?700 C ),第一、第二两种因素起作主导作用, 涂料的透气性表现为随温度升高而下降; 在高温阶段(1 000 C ),第三种因素起主导作用，导致涂料的透气性随温度的升高而升高。涂料3

与涂料4 的差别在于含有的无机粘结剂不同, 涂料3 含有4 % 的膨润土用作无机粘结剂与悬浮剂, 而涂料4 只含有1. 5 % 的膨润土作悬浮剂, 无机粘结剂用水玻璃。由于膨润土粉充填于耐火骨料之间, 骨料间的孔隙通道截面积减少, 这样涂料3 的透气性比涂料4 低。涂料1 与涂料5 组成上唯一差别在于耐火骨料的粒度分布不同, 石英粉1 的粒度分布较分散, 而石英粉3 的粒度相对集中。粒度集中的石英粉3 组成的涂料5 的骨料之间的孔隙较大, 透气性也较高, 涂料1 由于石英粉的粒度分布分散, 耐火骨料排列致密,骨料间孔隙小，其常温至1 000 C的透气性均低于1.0 cm

4 ? -1 ? min -1。涂料2、3、4的耐火骨料石英粉2的分布也比较分散,尽管它们的粘结剂组成不同, 但透气性与涂料1 几乎一致, 这说明耐火骨料的粒度分布是决定涂料透气性高低的关键性因素。涂料透气性低于2.

5 cm 4 ? -1 ? g min -1 , 生产

出的铸件会存在冷隔、缺肉、气孔等常规铸造缺陷, 以及铸钢件表面增碳、铸铁件表面皱皮等消失模特有铸造缺陷。透气性很低的涂料在消失模铸造生产过程中, 泡沫塑料气化所产生的大量气体不能及时通过涂料层排出铸型, 易造成金属液从浇口处反喷, 这相当危险！透气性高于6. 0 cm 4 ? g -1 ? min -1 , 又会造成严重的机械粘砂,合适的涂

料透气性范围是2. 5 ?6. 0 cm 4 ? -1 ? g min -1 [6] 。所以只有涂料5的透气

性能满足消失模铸造生产要求。2. 4生产浇注试验涂料1?4的透气性太低，无法满足消失模铸

造技术要求, 涂料5 有优良的透气性、流变性等, 因此选用涂料5 对贝氏体球墨铸铁磨球和衬板进行浇注试验。磨球的规格为< 40 、< 60 、< 100 三种, 采用立式串铸工艺。衬板为< 1. 83 m 水泥磨机衬板。聚苯乙烯泡沫塑料模样(EPS) 密度为0. 019 6 g / cm 3 , 模

样上涂挂1 mm左右厚的涂料，在(55 ± 5) C 温度下烘2?