消失模铸造涂料的基本知识

 铸造学堂     |      2020-08-25 15:33
涂料是消失模铸造中重要的一环,有人称涂料是消失模铸造工艺成败的要素之一。
消失模用涂料其性能要求不同于一般铸造涂料。因此,不能蒋一班铸造涂料直接用于消失模铸造上,必须使用消失模专用涂料。国外有很多公司提供这类消失模涂料,国内也研制了国产消失模涂料。
    本文从消失模涂料作用、性能;涂料的基本组成;涂料配置及现场控制;涂敷方法、涂层干燥等几方面进行叙述。
    (1)、消失模涂料作用及性能
    1、消失模铸造涂料的作用
在普通铸造中,涂料是涂在铸型型腔表面上的:但在消失模铸造中,涂料是涂在泡沫塑料模上的。消失模铸造涂料的主要作用是:
⑴提高泡沫塑料模样的强度和刚度,防止在运输、填砂震动时模样破坏和变形。图1是泡沫塑料模有、无涂料时受力与其变形的关系曲线,可见涂料可大大减小泡沫塑料模受力后的变形。
⑵浇注时,涂层将金属液和铸型分开,防止金属液渗入干砂中,以保证得到表面光洁的铸件,无粘砂。同时,防止干砂流入金属液与泡沫塑料膜的间隙中,造成铸型塌箱。
⑶涂料层能让泡沫塑料模热分解的产物(大量的气体或液体等)顺利的排逸到铸型去,防止铸件产生气孔、碳缺陷等。
浇注铝铸件时,其涂料还应具有良好的绝热性,防止因塑料膜燃烧吸热造成铝液温度下降过快,而产生浇不足等缺陷。
2、消失模涂料的性能
为达到以上的作用,消失模涂料应具有下列的性能: 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。
也可以把众多的性能归纳为两类性能:工作性能和工艺性能。
涂料强度、透气性、耐火度、绝热性、耐急冷急热性等均为工作性能。其中最主要的工作性能为强度和透气性。消失模涂料要求有高的强度,有要求有高的透气性,这是他与其它铸造涂料所不同的。
涂料的涂挂性、滴淌性和悬浮性等则属于工艺性能。消失模铸造常采用水基涂料,因而水基涂料与有机的泡沫塑料膜不润湿,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。另一个主要的工艺性能是涂料的滴淌性。模样在上涂料后,一般悬挂着干燥,希望涂料能流平并尽快的不滴不淌,以确保得到一定厚度的均匀涂层,充分利用涂料又不污染环境。
下面着重讨论涂料强度、透气性、涂挂性和滴淌性四个性能及其测试方法。
3、涂料强度
涂料强度包括室温强度、高温强度和残留强度三种强度。室温强度它保证泡沫塑料膜在运输、填砂震动时模样不变形、不破坏。高温强度则防止金属液浇注和成形过程中涂层破裂,造成塌箱、粘砂等缺陷,保证得到表面质量好的铸件。残留强度则是决定浇注后涂层清理性的好坏。
涂料强度最主要取决于涂料粘结剂种类及加入量。室温强度是由有机粘结剂和无机粘结剂共同组成的,影响最大的是有机粘结剂。高温强度则取决于无机粘结剂。此外,耐火材料种类、粒度分布对涂料强度也有影响。
涂料强度测定方法很多,这里仅介绍两种容易进行而简便的方法。
方法1  用一定配方的型砂100g,捣制标准砂型试样,注意在砂样上方空出1.5mm以涂制涂层见图2a。待涂层干后,小心去除砂样,然后测定涂层的强度见图2b。
涂料层的强度σ用下列式计算
式中:G——加载总重量,㎏;
      F——涂层面积,㎝²
方法2  用稠状(膏状)涂料做成长方形涂层试样见图3a,干后放在抗弯强度测定仪的支架上(图3b),从试样中部加载直至试样断裂为止。涂料的抗弯强度σ用下式计算:
式中:  G——加载总重量㎏;
       b——试样宽度,㎝;
       h——试样厚度,㎝。
а试样       Ь强度测试
图2   涂层强度测试示意图
                 1—压头 2—试样  3—支架
     а试样       b支架  
涂料室温强度测定如上。要测定涂料的高温强度需将测定装置放在高温炉中,以便测定一定温度下涂料的高温强度。残留强度可将试样放在高温下烧后,冷到室温再加以测定。
    4. 涂料透气性
    涂料透气性也分室温透气性和高温透气性两种。其中高温透气性对铸件质量影响更大。
    影响涂层透气性的因素也很多,如涂料中耐火材料粒度及分布、有机和无机物种类和含量、附加物的种类及含量、混制工艺、涂层厚度、涂料的密度或涂料中固体含量多少等。
涂料中耐火材料粒度越粗、粒度分布越集中则涂层的透气性就越高,如用相同配方和配制方法时,用图4a和图4b两种粒度分布不同的耐火材料所配涂料透气性相差近一倍,粗粒耐火材料粒度配制的涂料透气性高。

相同粘结剂,不同耐火材料配制的涂料、耐火材料粒度与涂层透气性的关系。可见,两种耐火材料配制的涂料,其透气性均随耐火材料粒度变大而增加。

我校以往的试验数据可知,涂料中无机粘结剂含量增加则透气性下降,而一些有机粘结剂在一定范围中增加时可使涂层常温透气性稍有上升,使高温透气性有较大的提高。有资料报道粘结剂种类对涂层透气性有不同影响见图6。图6是用二种粘结剂(A、B)和同种耐火材料(200目氧化铝)配制涂料的透气性。随着粘结剂A增加,因涂层产生微裂纹,反使涂层透气性增加(见图6a)。粘结剂B很易分散,能均匀包覆在耐火材料表面,因而随着粘结剂B增加,涂层中空气减少,透气性减小。
此外,涂料的密度、固体含量及涂挂次数均会影响涂料的透气性。一般来说,涂料中固体含量增加则其密度提高,而涂层厚度则随涂料密度后涂挂次数增加而增厚,所以涂层透气性随涂层厚度增加而降低,从图7和图8。从图7可见,当涂料密度在1.41~1.56g/㎝³之间时,上一次涂料的涂层厚度为0.10㎜~0.23㎜,上2次涂料时涂层厚增至0.25㎜~0.60㎜,上3次涂料所得涂层厚达0.33㎜~0.84㎜。图8表明,上相同次数涂料时,涂料透气性随涂层厚度增加而降低;但对于相同涂层厚度而言,透气性随涂挂次数增加而降低。
到目前为止,国内外尚没有标准的涂层透气性测定方法。不少单位和资料提出了很多涂料透气性测定方法,这些方法用的试样、仪器和原理也不相同。从测试原理上大致可分三大类。
⑴按透气性k=
H—试样高度、F—试样面积、P—气体通过试样前的压力、t—定气体通过试样的时间。
1.5 悬浮剂、触变剂
为使涂料中耐火粉料能与粘结剂充分混合,能处于悬浮状态,可加入悬浮剂。膨润土是粘结剂,也是很好的悬浮剂。另外,可用CMC等有机化合物作水基涂料的悬浮剂。CMC按其粘度分为高、中、低三种,其中中粘度的CMC配成2%的水溶液,其粘度在300到600厘泊范围内,使用方法,成本又较低。CMC因电荷效益或氢键结合等作用可吸附于粉料颗粒表面,起架桥作用,提高涂料悬浮性。由于CMC是一种高分子阴离子型电解质与粘土表面电荷相同,所以与粘土合用,尤其是和纳膨润土配合使用效果最为理想。
为提高消失模涂料的触变性,也可在涂料中加入稠化触变剂。膨瑞土、CMC都是稠化触变剂,此外,聚乙烯醇、海藻酸钠、凹凸棒土、田箐胶、SN(多种无机材料配制而成)、活性累脱石土等都是稠化触变剂。
1.6其他附加物
为了提高涂料某方面性能而加入的附加物。如为防止消失模涂料中有机物变质,可加入防腐剂福尔马林等。又如英国Foseco公司提出在涂料中加入少量的冰晶石(NaAIF6),使其在高温下形成活性高的NaF、AIF3等,来吸附泡沫塑料膜热分解出来的碳,使之不沉淀在铸件表面,已消除铸件上的邹皮、碳等缺陷。
1、消失模商品涂料
    为方便消失模铸造工厂,国内外都出现了消失模用商品涂料。
(1)国外消失模商品模料
国外这类的商品涂料很多,如英国Foseco MORNAI公司研制的StyromoI系列涂料可用于铁和非铁合金消失模铸件上,Foseco国际公司提供的涂料中加有少量冰晶石可消除碳缺陷。日本K-124、125、127、K-106系列涂料适用于铸铝、铸铁和铸钢。据报导日本一般铸件用消失模涂料以SiO2粉为基,铸钢以锆英粉为基,并添加粘结剂、防腐剂等材料配制而成,为减轻铸钢件增碳,涂料中还加入5%~8%的氧化性物质。美国AsIand公司提供各种消失模粉状涂料用于铸铝、铸铁件。此外表3还列出部分其它商品涂料。
为进一步了解国外典型消失模涂料性能,对德国HA铸铁用涂料和美国AsIand公司的铸铁及铸铝涂料进行了测试和分析,涂料性能见表4.HA涂料为膏状料,AsIand涂料为粉状料,两公司供货状态不同。
两种铸铁用消失模涂料均为国际上使用较广的优质涂料,但性能有差别,1号HA涂料常温强度稍低于2号AsIand涂料,但高温强度明显高于后者,透气性稍低于后者。这是由于两种涂料配方、供货状态不同而造成的。不同合金用消失模涂料性能也不同。铸铁的浇注温度远高于铸铝,所以铸铁用消失模涂料的强度和透气性均要高于铸铝用消失模涂料,这从表4的AsIand2号铸铁用涂料与表3号铸铝用涂料性能数据看得一很清楚。
(2)国内消失模商品涂料
  国内也出现一些商品涂料如清华大学的TH系列涂料、北京市场上的YO铸钢、YQ铸铁涂料等等。另外,很多厂家、研究单位都在自行研制涂料,并使用。涂料配方一般均保密,下面将杂志上收集到的部分配方列出,仅供参考。
甘肃工大提出铸铁件消失模涂料配方为:铝矾土90%、石英粉10%、酚醛树脂2%、白乳胶2%、钙基膨润土3%、洗衣粉0.1%、异丙醇0.1%,水适量。
陕西机械学院和长春光机所提出铸铁消失模涂料配方为:石英粉100%、钠基膨润土6~8%、CMC0.1%~0.5%、粘结剂6~7%,流变促进剂微量、表面活性剂微量、消泡剂微量、水适量。
合肥工业大学提出的铸铁消失模涂料配方为:石英粉与铝矾土比例2:3,(耐火材料100%)、GM-1树脂2%、硅溶胶3%、锂膨润土1%、CMC1.5%、平平加0.3%、减水剂0.5%、水适量。
东风汽车公司通用铸锻厂提出的铸铁消失模涂料配方:铝矾土60%、片状石墨40%、硅溶胶4%、粘结剂4%、膨润土1%、Fe2O33%/CMC3%、N助剂0.5%。
3、涂料的配制及现场控制
1涂料的配制
涂料的性能不仅与其组成有关,还与配制工艺有密切的关系。要获得优良性能的涂料对涂料配制工艺也必须加以重视。
1.1自行配制涂料
应先将膨瑞土制成膨瑞土浆:用1份膨瑞土加10份水,高速搅拌6小时,制成均匀的膨瑞土浆。同时可进行活化处理。CMC及各种固体的有机粘结剂等也应先配成液态再使用。最后将粘土浆、预先配好的液态粘结剂等与耐火粉料在不断搅拌下混制成涂料,为使成分均匀,应使用高速搅拌机搅拌2小时以上。
1.2配制商品粉状料
一些商品消失模涂料是粉状的,这类涂料运输和保存都很方便。考虑到其中含有各种有机、无机粘结剂和附加物,其中一些组分水溶性不是很好。因此在配制这些商品粉状料时应采用高速搅拌机搅拌,搅拌时间也不可太短,以得到性能稳定、均匀的水基涂料。
1.3配制商品膏状料
  有的商品消失模涂料,商家已将涂料配成膏状,使用前只需加水稀释到使用所需要的稀稠程度。但为了使涂料性能均匀而稳定,最好能短时间高速搅拌后,再慢速搅拌;如无高速搅拌可较长时间慢速搅拌后使用。
2、涂料现场控制
涂料控制的性能较多,见前所述。但在生产现场主要可控制涂料的密度,涂层重量和涂料pH值。
2.1涂料密度
涂料密度可用密度计(比重计)加以测定,也可以用容量法加以测定。
涂料密度反映其稀稠状态,在一定的涂敷方法下,它实际上也反映出涂料在泡沫塑料模上的厚薄,即涂料的涂层厚度,因而这是涂料的一个重要性能,应加以控制。
很多铸造涂料在现场常常测定其流杯粘度,用流杯粘度来控制其稀稠程度。但消失模水基涂料是具有高触变性的带屈服值的假塑性流体,其流杯粘度很难测定。因而,在生产现场用涂料密度来控制其稀稠。
2.2涂层重量
生产现场可测定白模(泡沫塑料模)重量G1,上完涂料,等涂料干燥后再测定白模和涂料的总重量G2,G2—G1则为涂层重量G。在生产某一产品时知道G,就可估计出涂料是密度。
涂层重量也可用本文前面介绍的方法加以测定。
2.3涂料pH值
消失模水基涂料均都使用了膨瑞土作无机粘结剂,同时加入各种有机粘结剂。涂料的pH值反映着涂料的稳定性和性能,应加以控制。
涂料的pH值可以用pH试纸或pH计加以测定。
4、涂料的涂覆
1)、涂覆方法
上涂料的方法一般有刷、浸、淋和喷四种,单件小批量生产的中大型模样采用刷涂法。对批量较大和形状较复杂的小型模样选用浸涂法和淋涂法。对薄壁、易变形或易损坏的模型不能浸入,必须采用喷涂法。实际生产中几种方法也可结合使用。
浸涂法生产效率高,涂层均匀,可采用卡具,将泡沫塑料模放在卡具中,在浸入涂料中。或特制专门的机械浸涂装置,把泡沫塑料模型先用卡具固定,然后让涂料从底部压入,由下而上的淹没整个模型后,撤压,使涂料自动下落。
浸淋结合可以解决模型浮力问题,但效率及涂覆的均匀性不如浸涂法。涂层应均匀,厚度由件大小决定,壁厚30mm重20㎏以下的件一般涂层不大于1.5mm,很大的件可以较厚一些。
3、浸涂时应注意点
    ⑴ 涂料应处于连续搅拌状态下,并应控制其温度。
    消失模铸造用水基涂料都是触变性涂料,即在搅拌过程中涂料粘度下降,搅拌停止后粘度则上升。图10为停止搅拌后触变性引起的涂料波的变化,为得到均匀的涂层厚度应使涂料在搅拌状态涂覆。这点也可以从图11看出,图11表示了相同模型试样(内径3英寸,外径3.5英寸,长4英寸管)在搅拌与不搅拌状态下涂覆涂料,烘干后涂层涂料重量,连续缓慢搅拌下涂料重量变化小,即涂层厚度均匀。无搅拌状态下涂覆的涂层重量变化很大,涂层不均匀。

⑵涂料搅拌应慢速,注意防止卷气
    国内使用的涂料搅拌机有两类:一类为桶转而L型搅拌器不转的(见图12);另一类为搅拌器转动的。不论哪一类都能使用。转速不易过慢,涂料会沉淀;但转速也不能过快,否则涂料易卷气。

⑶ 浸涂时,应合理选择模型浸入涂料的方向、部位,有利于防止模型变形。
⑷ 模型涂覆的涂料要全面、均匀,不得有未上涂料的模型暴露部位。
⑸ 模型从涂料中取出、运送。放置均要考虑防止模型变形问题。
3. 涂层厚度及涂覆次数
    涂层厚度应根据铸件合金种类、结构形状及尺寸大小来选定。涂层过簿,对模型的强化作用;过厚则使透气性下降,且涂层易开裂剥落,增加烘干时间。据国外资料介绍,涂层在0.25~1,52mm之间变化。所浇金属液温度较高、压头较大时应采用较厚的涂层。
涂挂次数最好1次,以提高生产效率。
4、模型涂层干燥
使用水基涂料时,模型上涂料后需烘干。
1 烘干规范及设备
    模型涂层烘干受EPS模型软化温度的限制,常采用低温或常温烘干。大量生产中,常在40~60℃下,干燥2~10小时。图13为在49℃炉中烘干时,水分去除的速度。

烘干过程中,除控制温度外,还应注意控制湿度,一般希望湿度不大于30%。因此,有良好通风的烘干设备,干燥效果最好。
烘干设备有鼓风干燥箱,干燥室及连续式烘干窑等,热源有点、暖气,热风等。
2、烘干注意
    ⑴ 烘干过程注意模型的合理放置和支撑,防止模型变形;
    ⑵ 必须烘干透;
    ⑶ 干燥后的模型应放置在湿度较小的地方,防止吸潮。


湖南消失模铸造厂:http://www.hnchtjx.com/