消失模铸造涂料的性能控制及应用
黄爱明
(上海欧区爱国际贸易有限公司，上海，201600)
摘要：消失模涂料在消失模工艺中起着极为重要的作用，一旦铸造工艺所需的涂料被选定，制定一套稳定一致的监控程序是获得优质铸件的必要条件。涂料强度、耐火度、悬浮性、固体含量及透气性等会对铸件质量产生巨大影响，只有使用恰当手段将这些指标控制在合适的范围内，性能优异的涂料才能发挥出其最佳的性能。同时，严格一致的涂料现场使用工艺也是极为重要的，这些程序包括涂料搅拌槽的清洁、涂料的预混、温度控制和涂料性能参数测试等。
关键字：消失模涂料 质量控制 应用
1、简介
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，并快速占据泡沫模型原来的位置，凝固冷却后形成铸件。由于其固有的特点，该方法获得的铸件表面光洁度高于常用的传统粘土砂铸造和砂型铸造，不需要制芯，不用分型，造型砂不用粘结剂，容易清理，对环境友好，可用于铸造发动机缸体缸盖等复杂铸件。
2、消失模铸造发展简史
1958年，美国的H.F.Shroyer发明了用可发性泡沫模样制造金属铸件的技术并取得了专利，最初所用的模样是采用聚苯乙烯板材加工制成的，采用粘土砂造型，用来生产艺术品铸件。采用这种方法，造型后泡沫模型不用取出，而是在浇入液态金属后燃烧、分解而“让出”空间充满金属液，凝固后形成铸件。1961年德国的Grunzweig和Harrtmann公司购买了这一专利加以开发，并于1962年在工业上得到应用。采用无粘结剂干砂生产铸件的技术由德国的H.Nellen和美国的T.R.Smith与1964年申请了专利。由于无粘结剂的干砂在浇注过程中经常发生坍塌等现象，所以1967年德国的A.Wittemoser采用了可以被磁化的铁丸来代替硅砂作为造型材料，用磁力场作为“粘结剂”，这就是所谓的“磁型铸造”。然而由于磁性铸造的造型机限制了产品的大小和复杂程度，而且工序复杂，难于实现大批量自动化生产。1971年日本的Nagano发明了真空铸造法，他采用无粘结剂的干砂作为造型材料，用抽真空的办法固定砂型来形成型腔浇注铸件。受此方法的启发，今天的消失模铸造在很多地方也采用了抽真空的办法来固定砂型。
3、消失模涂料在消失模工艺中的重要作用
涂料在消失模铸造工艺中的作用应该基于涂料在浇注过程中液态金属、泡沫模型、涂料和砂这整个系统中的一个关键部分来理解。在浇注过程中，在流动的金属接触到泡沫模型时，泡沫的融化和分解就开始了，在流动的金属和模型之间会冲满泡沫中原有的气体及泡沫融化和分解而产生的碳氢化合物，既有液体也有气体，这些产物必须被涂料层吸收并部分或全部透过涂层进入外面的型砂中，涂料的设计应使分解产物和热量以特定的速度透过涂层从而起到控制传质和传热的双重作用以消除铸件缺陷。
在铸铝时浇注温度较低，铝液融化聚苯乙烯，首先产生液态的分解产物会润湿涂层，涂料的透气性和吸收性应保证涂料层可以吸收液态的分解产物并让随后在更高温度时产生的气体分解产物依然可以通过涂层，同时，涂料的导热性能应设计合理，保证液态金属的冷却速度，尤其应该避免传热过快而产生冷隔等缺陷。相比之下，在铸铁和铸钢时，气体产物透过涂层的速度时关键，因此涂料的透气性和耐火度是关键。
如上所述，涂料在消失模铸造中主要起以下几种不同的作用：第一是当金属在浇注过程中取代泡沫模型时，涂料是型砂和液态金属之间的主要屏障，涂料在这个过程中起的作用是阻止液态金属渗入到型砂中而产生粘砂;涂料的第二个作用是在液态金属充型时保证泡沫模型分解产生的气体顺利排出;涂料的第三个作用是吸收泡沫模型分解时所产生的液态产物;涂料的第四个作用是调节导热速率，通过选择不同的耐火材料来调节涂料的热传导性能，特别是对有色金属，涂料可以控制液态金属的冷却速率，从而防止铸造缺陷。
4、消失模涂料的性能控制
考察消失模涂料的性能包括众多指标：涂料粘度、固体含量、涂层强度、耐火度、透气性、导热性、涂料触变性、悬浮性等，而消失模涂料的主要使用性能是热性能和透气性，这两项指标决定了其在浇注过程中的作用。在实际操作中则需要控制其粘度、固体含量、透气性和PH 值等，只有确保涂料的性能稳定一致，才能保证消失模铸造产品的质量。
4.1、粘度
粘度描述的是流体对于剪切力的反应，是衡量涂料流动性的一个重要指标，粘度虽然取决于涂料的成分，但也受搅拌过程的影响。在涂料使用时涂料的粘度会根据需要调整到合适的范围中，在此过程中对涂料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，如涂层厚度、透气性等，并进而影响铸件质量。
当测量粘度时，有几个要点需要注意。首先，样品最好来自涂料槽，并且最好在搅拌时取样以保证样品的均匀性;其次，在取得样品后应立即测量，这是因为一旦涂料不在搅拌后，粘度会开始增加，为确保样品与样品间数据一致性，取样和测量的时间间隔应尽量縮短。第三，取样数量和取样容器最好一致，样品数量和容器的变化，会导致粘度测试结果产生一定的波动。
4.2、固体含量
这个参数是用来测量涂料内固体物质的重量，涂层固体部分主要由耐火材料组成并直接影响到涂料粘度。一般来说，较高的固体含量涂料会有较高的粘度。涂料的固体成分在抗粘砂方面起来重要作用，不论对于黑色金属还是有色金属而言，高固体含量的涂料通常能提供较好的抗粘砂性能。同样，高固体含量的涂料一般会有较低的透气性，这是由于高固体含量涂料的颗粒相对紧密，在一定程度上会阻碍涂料的透气性。
涂料固体含量的测试方法有好多种，其中最简单、最经济的方法是手工操作。首先，称量盛样品的容器，并记录其重量，然后称取5g-10g涂料样品，样品在150度下烘烤30分钟左右，然后记录烘干后样品和容器的总重，将样品容器的重量扣除，得到样品的干重，固体含量的百分比就是干重除以湿重。建议最好使用精度较高的天平。
4.3、涂层强度
消失模铸造采用干砂造型，涂料成为隔离金属液和干砂的重要屏障，需要在高温时具有足够的强度;常温下，涂料也需要与模型紧密粘合，以提高模型的刚度和强度，防止搬运、填砂时涂层破坏和造型时模型变形。涂料的强度对获得合格铸件有十分重要的作用。
国外多采用涂料模样的负荷变形量来表征涂层强度，有使用铁砂冲刷涂料层，测量涂层冲蚀程度，间接的表示涂层强度。也有将涂料刷在Φ50mm×50mm圆柱试样上，烘干冷却后，用挂100g砝码的钢刷接触转动的试样1分钟，用测量涂料刷下来的量表征其表面强度。
4.4、涂料触变性
涂料在固定剪切速率作用下，其粘度随着剪切时间的延长而逐渐降低，停止剪切后期粘度又随时间的延长而逐渐恢复的性能，叫做涂料的触变性。这一过程能赋予涂层以流平和与模样表面结合的机会，同时又使涂料不过分流淌。因此，提高涂料的触变性可以改善其流平性能和与模样表面的粘附性，减少浸涂时的阻力和涂料流淌。
决定涂料触变性的主要因素是涂料成分和制备方法，涂料配方是满足涂料流变性要求的基本条件。
4.5、涂料透气性
干燥后的涂料在模型上形成的是一个连续多孔的固体复合材料薄膜。涂料透气性是指由模型分解所产生的气体通过涂层的难易程度，透气性高的涂层对气体流动产生的阻力较小，透气性低的涂层对气体流动产生的阻力则大的多，从而会对砂型产生较大反压。涂料透气性对浇注速度具有重要影响：低透气性涂料的浇注速度较慢，反之亦然。如果浇注速度过快，特别对于有色合金，金属液前端会较容易产生湍流，并且由于有色合金冷却较快，不利于模型分解产生的气液产物排出，造成铸件气孔及夹渣缺陷。对于铸铁而言，过快的浇注速度使得模型分解的气体和液相产物来不及从涂层排出，而是扩散进金属液前端，最终造成铸件的增碳缺陷。
4.6、其他操作注意事项
涂料的现场使用是获得优质铸件的另一个重要原因。对涂料浸涂槽的搅拌是必要的，由于电动搅拌能提供稳定速率，所以被大多数厂家使用。在涂料混合过程中，不能让涂料产生漩涡，形成湍流，否则会使涂料中夹带大量气泡，影响涂料性能。另外涂料的搅拌时间和速率也应受到严格控制，否则会影响涂料粘度，最终导致涂覆性能变差。
5、涂料应用实例介绍
消失模铸造技术的发展史同时也是消失模铸造涂料的发展史，可以说，没有成功的消失模涂料，就不可能有消失模铸造技术的快速发展。德国HA公司以提供高质量铸造辅材闻名于世，同时也是消失模铸造涂料技术发展的先驱之一，下面就几种典型案例来介绍涂料的使用情况。
5.1、有色合金消失模产品
变速箱壳体，有色合金铸件，单件重量约30公斤左右，使用HA 711C消失模涂料，该产品主要特点是涂挂性好，涂层厚度均匀，强度适中，铸件无粘砂、气孔和渣孔等缺陷，铸件废品率成功的控制在很低的范围内。
5.2、大型灰铁件
机床件，单件重量约2吨左右，灰铁铸件，该客户采用的是FMC法工艺，造型时用呋喃树脂砂、消失模下芯、浇注时无负压。此产品使用的是HA705产品，该产品主要特点是涂挂均匀，涂层强度高，浇注后涂层易于剥离。涂层干厚控制在1.2mm左右，浇注后铸件无粘砂和表面碳缺陷等问题。
5.3、中小型球铁件 工程机械配件，出口欧洲，球铁铸件，单件重量为150公斤左右，此产品使用了HA701产品，此产品主要特点是涂层吸附性好，涂层厚度均匀，强度适中。浇注后铸件表面光洁，无粘砂和碳缺陷等问题。
6、总结
在我们和客户长期合作过程中体会到，制造方和使用方都建立起稳定的质量控制体系对保证涂料的质量和使用性能尤为关键，尤其对消失模铸造这样的新型技术，建立一套有效的质量监控体系，可以实时的监控工艺参数变化，快速发现异常情况，从而避免不必要的损失。
消失模铸造技术在美洲和欧洲经历了近三十几年的发展，已走在快速、健康的发展道路上。与此同时，消失模铸造技术在国内也取得了可喜的进步，作为消失模铸造技术发展的先驱之一，欧区爱公司愿与国内众多厂家协同合作，共同推动消失模铸造技术在中国的发展。
参考文献：
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