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1、 消失模铸造的涂料技术 袁 东 洲 1，2 （1 国际铸业咨询网（WWW.ZZ）西安 高新区710075 ；2全国铸造学会 消失模与V法铸造技术委员会，湖北 武汉430074） 摘 要：涂料是消失模铸造中的一个关键环节，文章通过分析金属、泡沫模型、涂料、型砂的界面反应来探讨涂料在铸造过程中传热、传质、控制金属流动性等作用和功能，使人们更加了解消失模铸造的“置换反应”。按照不同材质设计涂料的成分，对于性能参数、以及性能和结构的关系作了较为详细阐述。 关键词：消失模铸造；涂料；性能；结构 1简介消失模铸造（又称实型铸造）是一种近乎无余量、精确成形的铸造工艺。第一份关于该技术的专利于1958年发表(
2、美国人H.F.Shroyer，1958)，但其快速发展和应用开始二十年是用于铸铝，以后广泛用在铸铁及铸钢，尤其是在大批量生产诸如汽车和船用发动机缸体缸盖等零件时显示出其优越性。消失模铸造(LFC)是二十一世纪的绿色铸造工程，是铸造业实现可持续发展的新技术支撑之一，具有广阔的应用前景。消失模铸造是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型，涂刷专用耐火涂料并烘干后，埋在干砂中振动造型，然后浇注，高温液态金属使模型液化和气化，并占据原泡沫模型的位置，凝固冷却后形成铸件。由于其故有的特点，该方法获得的铸件表面光洁度远高于常用的传统的粘土砂铸造和砂型铸造，不需要制芯，不用分型，造型砂不用粘接剂，清理容易，铸造环境
3、好，可用于铸造诸如复杂的发动机缸体缸盖并给予产品设计更多的自由度。消失模铸造技术水准高，工艺过程控制复杂，对于原辅料要求严格，如耐火涂料的使用就是其中很关键的一环。本文将探讨耐火涂料在消失模铸造过程中的作用、要求、成分设计、性能及其与结构的关系等。 2金属/泡沫模型/涂料/型砂的界面反应当液态金属流入而接触到泡沫模型的一瞬间，泡沫的融化和分解就开始了，模型被融解而金属填充留下的空腔。所以，我说实际上是一种“置换反应”。在流动的金属和模型之间有一段间隙，充满了泡沫中原有的空气及泡沫融化和分解的产物。泡沫的融化和分解产生的碳氢化合物中既有液体也有气体，其成分随温度变化而不同，这些液体和气体必须以特
4、定的速度被涂层吸收并部分或全部进入外围的砂子中。在铸铝时，铝液融化eps，液态的分解产物被推至空腔壁也就是涂层附近，在达到一定的温度后液态的分解产物会润湿涂层，并在涂层温度升至 325c到400c之间时随即渗入涂层；如果涂料的透气性适当，当温度继续上升时eps可以被气化分解而透过涂层进入砂子中。由于铸铝时温度不是非常高，在金属浇注停止后液态的分解产物润湿并渗入涂层的过程仍会继续。涂料的透气性应该设计适当以便空气及泡沫分解产生的气体在液态的分解产物完全润湿并覆盖整个涂层之前被排放出去从而避免产生铸造缺陷。在铸铁时，温度更高，eps被融化产生的气体更多而液体更少，因此在金属/涂层界面的液态分解产物
5、会较少而需要通过涂层排出的气体增多。液态金属的流动性及充满型腔的过程在很大程度上取决与分解产物的排放，在铸铝的温度下，液态分解产物的排放是关键；在铸铁和钢的温度下，气体产物的逸出则更重要。由此可见涂层在消失模铸造过程中起作控制传质和传热的双重作用。透过涂层传质的过程中，液体和气体分解产物的传递共同存在且相互竟争，互相作用的结果是影响和决定了型腔充满的机制和速度。如果液体分解产物过快地润湿并完全覆盖整个涂层，空气和气体分解产物将会聚集在液态金属和涂层之间，由此而产生的压力会延缓金属的流动，甚至可导致冷隔的产生。相反，如果气体逸出涂层过快而液体分解产物润湿和渗透入涂层太慢，金属的流动会太快而将液体
6、分解产物卷入流动的金属液体中，最终将形成气孔和表面缺陷。在涂层的另一面是砂子，在砂子注入和震实时涂层机械支持泡沫模型保护其不被压缩变形或断裂。在浇铸过程中，涂层既承受来自砂子的压应力，同时还受到来自流动金属及泡沫模型分解产生的气体和液体的压应力，尽管两种压力方向相反可以互相抵消一部分应力，涂层仍应有足够的强度承受热冲击和应力并同时让部分分解物逸出。透过涂层传递而来的热量和物质部分进入其周围的砂子，砂子的温度上升并有部分分解产物残留在砂子中。 消失模铸造用耐火涂料是介于泡沫模型和砂之间的一道屏障，在浇注过程中，耐火涂料是液态金属/泡沫模型/涂料/型砂这整个系统中的一环，因此充分理解这整个系统的在
7、浇注过程所发生的一系列反应有助于理解涂料在消失模铸造工艺中的作用及性能要求。这就是消失模铸造浇注过程中金属填充的机理也曾经是一项研究热点。涂料技术是消失模铸造的关键技术之一，中国是世界上铸件产量最大、铸造涂料用量最多的国家.铸造涂料在铸造生产中的作用越来越受到国内各铸造企业的重视.对中国铸造涂料技术发展比较缓慢,远落后于国外发达国家的这个不争事实,有必要对中国当代铸造涂料技术史进行较为深入的研究,开发符合我们国情的涂料。3 消失模涂料的作用和功能 消失模铸造涂料是消失模铸造的一项关键技术之一，它在整个铸造过程中占有着十分重要的地位。 第一，消失模铸造涂料要具有高温透气性。在消失模铸造设备上，涂
8、料的高温透气性很大的程度上直接影响铸件的品质问题，高温是指涂层的耐火性一定好，热膨胀系数要低，涂料的透气作用是确保模型气化所生成的气体可以通过涂层，通过型料之间的间隙由阵痛泵抽走。 第二，消失模铸造涂料要具有很好的涂挂性。涂料的涂层比较厚，因此，对于涂料的要求一定要有塑性变形的能力，严格地控制涂料的流淌性，对热固性树脂为粘结剂的涂料，可以在其中加入少量的触变剂，用来提高涂料的涂挂性。 第三，消失模铸造涂料要具有很好的润湿性，在涂料中添加适量的表面活性剂与粘结剂，在涂挂后能够得到优良的铸件。 如上所述，消失模涂料的作用在于支撑和保护泡沫模型、防止液态金属渗入砂子和粘砂、吸收分解产物和让分解气体通
9、过涂层、保持泡沫模型挥发后形成的型腔的完整、并保持液态金属热量不会很快散发。因此消失模涂料的使用可以降低铸件表面粗糙度，确保铸件精度，减少或防止铸件粘砂、砂眼、气孔、金属渗透、冷隔、浇不到、积碳等缺陷。所以消失模涂料应具有足够的耐火度、一定的机械强度、恰当的保温和导热性能、合适的透气性和吸收液体分解产物的能力、光滑的表面、足够的涂刷性能、不与泡沫模型发生化学反应等。提高涂料的几个性能，对于涂料涂挂性、流淌性、透气性、耐火度、强度等参数进行提高，BY是一种很多人的简称，或是某些单位和研发人员为了涂料保密而随便起的一个名字。4. 消失模涂料的成分设计消失模涂料要具有哪些优良特性。1、耐火性能：涂料
10、在金属液浇注温度下有足够的忍受能力，能保持足够的物理特性。2、透气性能：在一定负压条件下EPS汽化物能从涂料层顺利排出。3、工艺性：易于制备，涂挂平流性能好。4、脱壳性能：（不粘砂）经高温后能形成壳且能在冷却过程中自行爆裂，易于清理。常见的涂料由多种原、辅材料配件而成，主要包括耐火骨料、粘结剂、悬浮剂、浸润剂、消泡剂、防腐剂及载体等七种基本组分。消失模铸造用涂料的基本成分包括耐火材料、载体、粘结剂、悬浮剂、防腐剂、表面活性剂、去沫剂等。加入洗衣服可以提高润湿性，提高涂挂力，并可以在涂料干燥后在图层里形成空洞浇注时提高透气性。但不可多加。 耐火材料是涂料的骨架，保证其耐热性、强度及透气性等从而避
11、免粘砂、毛刺等缺陷、获得光滑表面。耐火材料选择一般是取决于浇注金属种类、浇注温度、零件厚度、造型砂的性能等。为达到最佳效果，可以选择同一种耐火材料但不同颗粒大小的粉末混用、或几种不同种类不同颗粒形状和粉末混用。在消失模铸造中，如何选用涂料的耐火填料，主要考虑填料的如下性质：(1)耐火度；(2)密度；(3)热膨胀系数；(4)粒型与粒度分布；(5)与金属液的化学反应性；(6)发气量；(7)与涂料中其它成份的互融性；(8)对操作工人健康与环境是否影响。常用的有二氧化硅、氧化铝、锆英石、铬铁矿、硅酸铝等。 石英粉和熔融石英粉石英粉是传统使用的耐火填料之一，因价格便宜、资源丰富，仍为众多厂家所采用，但其
12、耐火度较低、线膨胀系数大，只限适用于铸造涂料及小件铸钢涂料，翔宇公司采用熔融石英粉和普通石英粉复合，在消失模铸钢及铸铁涂料中应用，有效发送了因石英粉相变膨胀而导致的涂料开裂、剥落等现象，效果很好。熔融石英粉的特点是：热膨胀率低、热稳定性好、高温抗蠕变能力强，尤其适用于消失模涂料。铝矾土粉铝矾土以其耐火度高、化学稳定性好，膨胀系数小且来源丰富、价格低等特点，近年来在普通铸造钢涂料及铸铁涂料中广泛应用。铝矾土化学成分Al2O3含量、烧结温度及Ti02、FeO3等杂质含量对涂料影响较大，因此选用Al2O3含量高的矿石经1450-1500锻烧后，精选熟料研磨，制成细粉后，酸洗处理仍是关键一步，不经酸洗
13、处理的铝矾土除Ti02、FeO3含量较高外，锻烧及研磨过程中混入的灰尘及机械铁增多，(目前铝矾土细粉的加工多以雷蒙磨为主，耐磨件大多是高猛钢铸件，混入的机械铁用磁选难以除去。)制备的涂料一是耐火度受影响，二是漂浮物及沉淀物增多，影响涂料的涂刷性、悬浮性及存放时间。铝矾土的粒度及粒度分布是影响涂层致密度和透气性的重要因素，特别是消失模涂料，泡沫塑料模样在烧结过程中的热解产物通过涂层能否顺利排出，消失模涂料的透气性是区别于其它砂型铸造涂料的一大特点。翔宇公司根据不同需要，将铝矾土的粒度级配成两种不同规格分别使用于砂型铸造涂料和消失模涂料中。 消失模涂料所用铝矾土的粒度分布为：-270目至-320目
14、 78%-200目至-270目；15%-100目至-200目；5%+100目不大于 2%。以上粒度分布同时适用于其它耐火填料的级配。 砂型铸造涂料所用铝矾土粉的粒度分布为：-270目至320目，集中率为96 %+270目不大于1%。锆英粉和N-3粉锆英粉由锆英砂加工而成，其线膨胀系数小、热震稳定性好，耐火度高且在高温时对大多数合金不起化学作用，是一种良好的耐火填料，多用于不锈钢、高合金钢铸件，进口锆英粉国外多采用气流磨研磨，Zr02含量大于65%，且杂质含量低，国内加工的锆英粉多为雷蒙磨研磨，杂质含量相对较高，近年来锆奂粉来源较为复杂，价格一路走高，很多涂料厂家都在寻找锆英粉的替代产品，来降低
15、铸钢涂料的成本，翔宇公司成功研制了一种人工合成新型耐火填料N-3粉，已广泛应用于铸钢涂料。N-3粉是由几种天然耐火材料按比例合成，电熔、粉碎、酸水洗而制得，耐火度、线膨胀系数、化学稳定性都接近锆英粉，且不与FeO3等碱性氧化物起反应，有利于涂料的防粘砂性，价格仅为锆英粉的三分之一。镁砂粉和镁橄榄石粉镁砂粉和镁橄榄石粉通常作为配制碱性铸钢件用涂料的首选耐火材料，镁大海粉主要成份为天然菱镁矿石(MgCO2)煅烧而得到的烧结块经破碎、研磨、磁选加工而成，值得特别注意的是以下几点：(1)烧结块必须是经1500-1600煅烧的所谓烧死块，颗料致密坚硬，MgO含量大于90%，否则高温浇注时涂层易产生龟裂。 (2)烧结块含铁及氧化铁成份等磁性物相当高，翔宇公司采用5000高磁双辊磁选机磁选两遍，选出磁性物高达25%左右。所以想获得优质镁砂粉，磁选是关键一步。(3)镁砂粉易吸水受潮板结，应特别注意粉中水份含量。镁橄榄石粉中应主要控制氧化铁含量，不得大于10%，蛇纹石(含水镁硅酸盐)含量愈小愈好，一般不大于20%，否则耐火度下降，灼减量和发气量增大。棕刚玉粉和白刚玉粉 棕刚玉是以铝矾土为原料，经2000-2400高温治炼制得，白刚玉是用氧化铝粉经电熔再结晶而制得，其基本矿物为a-Al2O3 ,前者大于94%，后者大于97%，刚玉硬度高、熔点高、热导
