涂料和砂添加剂作为整体解决方案使铸件无缺陷及无残余物
Dr. Reinhard Stötzel* Dr. Christian Koch* 刘生银**
*ASK Chemicals，希尔登 ** 亚世科化学, 中国
摘要：通过新涂料和添加剂的研发，铸造厂能够以不那么复杂的方式生产无缺陷和残余物的铸件，同时负面影响更小，甚至可以生产没有涂层的铸件。
关键字： 造型和砂芯涂料, 浸涂, 铸造厂, 性能, 铸件缺陷。
1. 简介
由于市场对高品质优良铸件的需求量很大，因此产能和铸件质量成为企业的重中之重。通过优化铸造工艺，特别是利用砂芯和造型涂料或砂添加剂等方法，将可持续发展的解决方案与目标实现迅速匹配，是构建全新理念的当务之急。
铸造厂至关重要的是深层了解铸造工艺流程及其自身提升服务水平的能力(降低成本、提高生产效率、适应性和质量)。成功的铸造厂会利用杠杆原理的潜能：即利用小的变动，引发大的效应。正确甄选和使用砂添加剂及涂料便是这些杠杆之一。
制芯车间或造型线用的砂添加剂和涂料成本仅约占铸件总成本的1%。 但是甄选不当或利用不合适的涂料能导致产生大量铸件清理费用，这会增加高达 5-10% 的铸造成本。
2. 方法与结果
采用化学粘接剂的砂芯生产铸铁件时，脉纹(亦称飞边毛刺)是长期必然存在的问题。汽缸体和汽缸盖在油道和水套的狭窄通道中会产生脉纹，这些脉纹很难消除，并且可能会导致堵塞和引擎发动失败。 通风式制动刹车盘可能会在“通风口”产生脉纹，这也很难消除，并且可能会导致刹车盘在使用过程中受热不均和发生扭曲。 许多类型铸件(采用砂芯和不规则几何形状或不适宜的砂铁比)都可能会出现脉纹缺陷。脉纹一直被人们称作“膨胀性缺陷”，这与硅砂在浇注过程中通过液态金属受热产生非线性膨胀有关。
硅砂经过从α石英(低)到β乙型石英(高)这一晶体结构的变化，会迅速膨胀，然后紧缩，再进一步膨胀，随之石英转变成鳞石英，再转变成方石英。 这种不均衡膨胀及紧缩是相对其他膨胀更均匀且速率更低的铸造用砂来讲的(参见图 1)
解决脉纹问题的方法可谓多种多样。(3)可以用其他砂子完全或部分替代高纯度硅砂，如湖砂或河砂、锆砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、熔融石英或人造砂等。 这些材料的速率较低且更均衡的膨胀可以最大限度降低或消除脉纹。 但是，与硅砂相比，这些材料还是较为昂贵，并且可能会给造型或制芯带来其它问题。
图 1 这些是各种铸造砂的受热膨胀曲线
砂添加剂一直广泛用于脉纹控制。 这些砂添加剂归属于不同类别，具体取决于其化学特性和活跃性。 氧化铁过去是首选的砂添加剂(4).之一。 氧化铁会略微减少脉纹数量，因为反应过程中它们会丢失氧，并且还会对砂粒表面产生“淡化”或软化效果。 氧化铁红(即三氧化二铁，Fe2O3)的通常用量为 1-2%，效果非常好，但是会影响造型和制芯的强度。 氧化铁黑(即四氧化三铁，Fe3O4)效果可能就没那么明显，用量可以为 1 – 4%。 与其他砂添加剂(5).结合使用，氧化铁红也非常有效。 但是，由于某些粘合剂体系呈酸性，因而氧化铁与这些体系的兼容性有限。
还可以使用用量相对较低(0.5 – 2%)的有机材料，如糊精、淀粉和木粉。 温度升高时，这些有机材料会燃烧，提供减容和“缓冲”。 这些材料，如氧化铁可能会对造型/制芯强度产生不利影响，因为材料的粒度越小，需要的树脂越多，强度就越小。 已研发出工程用砂添加剂 (ESA) 来解决氧化铁和淀粉类物质带来的某些负面问题。 这些砂添加剂与砂的粒度大小更为相似，对造型/制芯强度影响相对较小。 但是，通常需较高用量才能对脉纹抑制起作用。
ESA 类型之一为空心球状(6)。 受压时，这些空心球状 ESA 会凹陷，提供减容和缓冲。 温度升高时，其他 ESA 的膨胀速率较低，据说可以充当助熔剂。
还使用了其他策略。 凭借其薄膨胀层面和隔离效果，造型或制芯表面的涂料或涂层可降低热量向周围砂粒传播的速度，也会起到一定抗脉纹作用。 可以使用更为粗糙的砂粒来减小砂芯密度，以便为膨胀留出空间。 也可在低于正常熔断压力的情况下熔断砂芯，以便特意生成低密度砂芯，从而为膨胀留出空间。
3. 脉纹评测
数年来一直致力于测试铸件的开发，以便评测不同砂和粘合剂体系(7).的脉纹特征。 通常使用的测试铸件有两种： 塔轮式或 2x2(50 毫米x50 毫米)渗透铸件式。 塔轮式砂芯和铸件如图 2 所示，2x2 式渗透造型、砂芯和铸件截面如图 2 所示。
图 2 上图所示分别是塔轮模芯(左)、铸件(中)及铸件截面
脉纹程度由外观决定，并予以 1 至 5 的数字评级，1 级表示外观上没有脉纹，5 级表示呈现出非常严重的脉纹。 虽然该评测方法带有一定程度的主观因素，但是通过识别严重程度和脉纹位置及使用加权公式来计算脉纹“分数”可以实现额外量化。
Giese 和 Thiel(8). 的研究表明“缺陷分析技术作为评估铸造材料以防止砂芯相关缺陷方面的评估工具被证明是可行的程序。”
2x2 式铸件测试具有以下优势：虽然通常测试的是砂芯的仿制品，但是也可以测试每个铸件的四个独立砂芯以提高精确度。 情况似乎还更严重，虽然相同成分的塔轮式砂芯没有缺陷，但是在 2x2式 中仍会出现脉纹。
图 3 上图 2x2 式砂芯和铸模(左)和铸件截面(右)显示了脉纹缺陷
· 在浇注不加涂料的砂芯的防脉纹和防渗透添加剂
近年来，铸造厂在取消涂层工艺上花费了不少心血。 在某些领域，已成功实现该目标，如要求不太严苛的蠕墨铸铁件。
ASK Chemicals 已经能够研发出新型砂添加剂，这些砂添加剂可使铸造厂大大减少铸件缺陷，采用更多不用涂料层的砂芯生产铸件。
Veino Ultra 便是研发的新型添加剂之一，该产品在抗脉纹方面拥有非凡的能力。
· 防脉纹涂料
铸件质量的特别要求是沿着芯盒的分型线没有脉纹。
对于砂芯的生产来说，浸涂料后干燥过程中砂芯不发生变形非常重要。涂料 MIRATEC BD 示例表明涂料消除了脉纹，并且借助改良的夹具，砂芯可以通过较少的循环进行浸涂(改进幅度达 100%)，而不会有涂料滴痕。
图 4. 有脉纹的刹车盘铸件
图 5 MIRATEC BD 防止分型线脉纹缺陷出现
· 高透气涂料防止砂眼出现
砂眼和气孔缺陷属于批量铸造中的严重缺陷之一，因为它们会导致废件。
ASK 通过自己的发展计划开发出独特的可透气涂料，可以大大抑制这些缺陷。
在砂芯被高热量的铁水包围而造型充填不足的特殊区域部位，铸件容易形成砂眼。 而基于 MIRATEC MB 501 的涂料则展现出良好的效果(尤其是在连续铸造中)，提高了透气性，从而可以避免脉纹和渗透。 此外，涂料具有了迅速排放性能以及较短的光泽时间，从而使得浸涂过程中循环时间缩短，
新型 MIRATEC AH 501 涂料完全能够达到该要求。通过采用该涂料，不仅可在液压铸件(外模采用冷芯 +芯子采用 壳芯砂)上消除砂眼缺陷，在曲轴箱(内外模全部采用冷芯)上同样如此。
此外，与原涂料相比，采用该涂料可使浸涂过程的循环时间减半。
· 借助 MITATEC TS 实现铸件表面无残余物铸件
OEM通常会要求铸造厂提供残留量最低的铸件。 对于缸体铸件，这些限制可能会低至每个铸件 300mg。 由于几乎无法清理到水套或回油道这些区域的原因，迫切需要涂料在提供无缺陷铸件的同时在铸件的表面也不能有任何残渣。
如今，已开发出能够良好地防止脉纹和渗透的特殊涂层，可将浇铸后的残留量降至最低。 通过研究 SEM 可以发现，在浇铸后，涂料具有自脱离属性。
图 6. 比较 MIRATEC TS(左)和
图 7. 使用 MIRATEC TS 的铸件表面
TS 传统涂料(右)
该研究表明，使用 MIRATEC TS 后涂料从铸件本体剥离，并且在剥离后表面十分洁净。 与传统涂料相比，残留物数量减少了三分之一到一半。
· 防止蠕铁和球铁中发生石墨衰退
我们开发出可防止将硫或氧混入熔融物中的涂料。 要保持目标属性，可以应用不同的原理。
一种是通过施加具有浸涂属性的涂料(例如 SILICO IM 801)减少进入与金属之间的接触面的硫或氧。另一种原理是在涂料中使用硫或氧的吸收成分(例如钙化合物)。
参考文献
[1] Stephan Rudolph, Gießerei-Praxis No. 6-1993，105 页
[2] Reinhard Stötzel, diagram from conference transcript, 3rd Duisburg moulding material day 2000
[3] Showman, R., Horvath, L., Clifford, S., Harmon, S., Lawson, E., “A Systematic Approach to Veining Control”, AFS Casting Congress Proceedings, 11-005.
[4] R.W. Monroe, “Use of Iron Oxide in Mold and Core Mixes for Ferrous Castings. AFS Transactions 1988.
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[8] S.R. Giese, J.Thiel, “Numeric Ranking of Step Cone Test Castings”, AFS Transactions 2007.
