消失模铸造涂料的研究

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【摘  要】涂料是消失模铸造中的一个关键环节，本文通过分析金属／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，对于涂料的成分设计、性能参数、以及性能和结构的关系作了概述。

【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(Shroyer，1958)，但其快速发展和应用还是在近二十年，广泛用于铸铝、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，砂不用粘接剂，清理容易，铸造环境好，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

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。关于消失模铸造浇注过程中金属填充的机理一直是一项研究热点。

当液态金属流入而接触到泡沫模型的一瞬问，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。在流动的金属和模型之问有一段间隙，充满了泡沫中原有的空气及泡沫融化和分解的产物(Bates et a1．，2001)。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(Kobzar and Ivanyuk，1975；Tseng and Askeland，1992；)，这些液体和气体必须以特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325℃到400℃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(Sun et al．，1992)。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(Sun et al．，1992)。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(Fu et al.．，1995)，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竞争，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(Liu et al．，1997)。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(Fu et al．，1996)

3．消失模涂料的作用和功能

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。

4．消失模涂料的成分设计

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(Martinez，1990)。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免粘砂、毛刺等缺陷、获得光滑表面。耐火材料一般是陶瓷粉末，种类选择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大小的陶瓷粉末混用。常用的有二氧化硅、氧化铝、锆英石、铬铁矿、硅酸铝等(Bates et al．，2001)。载体则是调整涂料的粘度并将耐火材料涂上泡沫模型且有一定的厚度所必须的，对于消失模铸造用涂料来说一般是水，极少用酒精，不能用其他可能与泡沫模型起化学反应的有机溶剂。粘结剂则将涂料内的各组分粘结在一起并在涂刷时保证涂料粘结在泡沫模型的表面，粘结剂多为一种或几种有机粘结剂。粘结剂除了在涂料被烘干前保证涂料粘结在泡沫模型的表面，还要在涂料被烘干后和浇注时为涂料提供一定的强度。悬浮剂的主要作用是与载体形成胶体从而将耐火陶瓷粉末悬浮起来，以保证涂料的流动性，防止固体颗粒的聚集和沉淀。防腐剂控制细菌和微生物在涂料中的生长，以防止涂料腐坏变质。表面活性剂主要使涂料生产过程中固体颗粒更易被润湿并使涂料在使用时更易润湿泡沫模型表面。去沫剂则用于使涂料生产和使用时不产生大量泡沫。为美观和管理方便，涂料中还可加入颜料。各种组分可以有多种选择，但需要注意的是有些组分之问会相互作用，有些组分会同时影响涂料的几方面的性能。涂料的成分设计多是基于经验和大量的试验，也有少量已发表的文献触及涂料的性能和组织结构的关系。

5．消失模涂料的性能参数

消失模铸造用涂料的使用性能主要是热性能和透气性，这两项决定了其在浇注过程中的作用。在实际操作中则需要测量和／或控制其粘度、固体含量、透气性、pH值等。只有确保涂料的性能稳定一致，才可保证消失模铸造产品的质量。

5．1  粘度
   
粘度描述的是流动对于剪切力的反应，是衡量涂料的流动性的一项重要指标，粘度虽然、主要取决于涂料的成分，但也受搅拌过程的影响。尤其是在涂料使用时涂料的粘度会根据需要调整到恰当的范围中，对于粘度的测量和监控尤为重要。粘度的变化会影响到涂料的其他相关性能如固体含量、厚度及透气性等，并进而影响铸件质量。消失模铸造用涂料一般是剪切稀释，在涂料制造过程中延长搅拌时间会导致粘度下降而透气性相对稳定，在使用时涂料的粘度会随着搅拌时间的延长而进一步下降，过度搅拌还可能引起透气性上升(Bambauer et al．，1996)。因此粘度的控制尤其重要。

5．2  透气性

透气性直接控制着泡沫融化和分解的产物逸出的速度，从而决定了液态金属的流动速度，进而决定了是否可以消除气孔、冷隔、浇不到、积碳等缺陷的产生。透气性的直接测量对于涂料质量控制尤为重要。由于涂料在高温下使用，直接测量其在使用状态下的透气性很困难，现有方法均为在常温下进行。

现阶段使用得比较广泛的有两种方法，一种是由是由美国阿拉巴马大学(UAB-Birmingham)发明的(Bates et al．，2001)，通过测量在不同压力下气体流过覆盖有涂料并烘干的屏筛的量从而计算出涂层的透气系数。另一种由GM的Kocan(1996)提出，直接使用原用于测量型砂透气性的DietertPerm-meter,只是将试样装夹台加以改装以承载覆盖有涂料并烘干的屏筛，测量气体在固定压力下通过涂层的速度。GM’法由于其方便更广泛地应有于消失模铸造生产厂家，虽然只是一个半定量的方法，但其重复性好，已成功到用于生产厂质量控制。但该方法未考虑涂层的厚度的影响，因此在实际生产中还需测量涂层的厚度并加以控制。实际研究表明，在涂料的可使用的粘度范围内，使用GM法测得的透气性值与涂层的厚度的乘积几乎不随粘度变化而改变，因此在北美已开始采用透气性值与涂层的厚度的乘积，也就是校正透气性值(Normalized Permeabilityl，来作为质量控制参数并已被实践证明可行。

一般在讨论透气性时是指涂层的透气性，在前面的讨论中可以看出，在消失模铸造过程中透气性其实应该被放在金属／泡沫模型／涂料／型砂这整个动态系统中来考虑，涂层的透气性只是这整个系统中的一部分(Martinez，1990)。砂子种类、形状和温度的改变、是否抽真空、泡沫模型性能的改变等都会引起这整个系统的透气性的改变，并从而改变金属流动行为。在实际操作中，有时铸造生产厂家希望通过改变涂层的透气性来补偿因其他工艺参数的变化而引起的这整个系统的透气性的改变，但是单纯改变涂层的透气性有时并不足以补偿整个系统的透气性的变化。

5．3  其他参数

其他性能参数还包括固体含量、干重和湿重、pH值、BAUME等。涂层固体含量主要取决于耐火填料所占的比例，并影响到涂料的粘度，涂料的固体含量的高低与其抗粘砂性紧密相关。干重和湿重易于操作，是对涂料的粘度和固体含量测量的一个补充。监控pH值的变化可以及时发现涂料中细菌和微生物的生长。Baume度的测量并不是一个很准确的质量控制参数，尤其是对消失模铸造用涂料而言。

涂料的导热性能对于获得高质量的消失模铸件至关重要，导热常数、比热、热膨胀系数等的测量多在涂料的研发阶段而不是在使用过程中进行。

6．消失模涂料的性能和结构的关系

对于消失模涂料的性能和组分问的关系已有很多的经验和知识积累，在前面已探讨过。对于涂料的性能和结构的关系的理解则很有限，建立涂料的性能和结构的关系有助于高性能新型涂料的开发和使用，并对消失模铸造工艺控制提供帮助。

早期的研究已触及该方面，Sun等人(1992)已揭示涂层的透气性取决于涂料中颗粒大小及分布、形状、以及气孔的特征，其研究已显示，一种主要由接近圆形的、尺寸较大、大小分布较均匀的氧化铝颗粒构成的涂料比另一种由不规则形状的、尺寸较小、大小分布不均匀的二氧化硅颗粒构成的涂料透气性更高。Chen和Penumadu(2005)的研究表明涂层中“有效气孔”的大小和结构与涂层的透气性紧密相关。Qi等人(2005)曾尝试建立一个关于消失模涂料的结构模型以解释其传热和传质的特征。鉴于其复杂性，对于消失模涂料的性能和结构的关系还有很多的研究工作要做。

7．结语

    消失模涂料是消失模铸造中金属／泡沫模型／涂料／型砂这个系统中的重要一环，涂料在铸造过程中起到传热、传质、控制金属流动性等作用，涂料的性能取决于其成分和结构，在实际应用中要根据实际工艺来有针对性地选用或开发合适的涂料。