熔模铸造涂料工艺性能的控制概要

1熔模铸造涂料工艺性能的控制一、前言“制壳”是熔模铸造生产中最重要的工序之一。精铸件的废品与返修品中有60-80%是因型壳质量不良而造成。型壳质量除受原辅材料（粘结剂、硬化剂及耐火砂粉料）、制壳生产环境（温度、湿度等）和操作者技术水平影响外，其主要的决定性因素是“涂料工艺性能”的优劣。上述诸多因素直接与型壳强度、高温抗变形能力、透气性、热膨胀率、热化学稳定性等有关。实践证明，精铸件上许多表面缺陷（毛刺、麻点、结疤、披锋、流纹、气孔分层夹砂等）和型壳的质量事故（穿钢、漏壳、变形、开裂等）常因上述因素产生，其中最重要又薄弱的环节是制壳生产中对涂料工艺性能检测和控制的缺失。目前国内无论是已有近60年生产生产历史的水玻璃型壳或从国外引进已20年的硅溶胶型壳的企业，生产中绝大多数仍只限于用一个“流杯粘度计”来控制涂料质量。虽然早在1985年，我国精铸业已颁布了“熔模铸造涂料试验方法”（JB4007-85）行业标准，但至今未能全面贯彻和执行，无疑这正是我国精铸件质量不稳定，返修率、废品率高，一次合格率低，质量事故频繁的重要原因之一。国外精铸十分重视“涂料质量”的管理[1][2],日本、美国等早就对硅溶胶涂料工艺性能进行有效的管理和控制。我国精铸界同仁应认真学习，迎头赶上。我国目前主要有两种精铸制壳工艺，即水玻璃和硅溶胶涂料。其工艺性能指标虽然不同但控制和管理方法基本相同。涂料工艺性能的稳定是精铸件质量稳定的必要条件。二、涂料工艺性能的内容及定义1、流动性—涂料在蜡模（组）表面流动能力的大小及其流平性和流淌性的高低。2、覆盖性—涂料在蜡模（组）表面覆盖能力的大小（润湿性或涂挂性能的高低）及在一定流淌时间内，涂料层平均厚度值的大小。3、致密性—在一定覆盖性和流动性前提下，涂料内部致密程度的高低（粉料的体积浓度）。4、稳定性—涂料中的粘结剂“胶凝”（老化）程度的高低和速度的快慢（涂料的使用寿命长短）。5、均匀性—涂料层的均匀及洁净程度。26、悬浮性—涂料中粉料重力沉降倾向的大小或涂料在静置一定时间后上下层致密性的差别程度。三、涂料各工艺性能对型壳或铸件质量的影响1、流动性的影响：涂料流动性差将很难形成厚薄均匀的涂层，难以顺利流入蜡模的复杂型腔，涂料常会滞留、堆积造成干燥（或硬化）不透，使型壳在该处脱蜡或焙烧时产生裂纹，引起穿钢、披锋等缺陷，尤其对于中大件（W10-200kg）或复杂件，流动性更是涂料最基本的性能要求。2、覆盖性的影响：若表面层涂料对蜡模湿润能力差（涂挂性差），不能使涂层在蜡模上100%覆盖，则铸件表面会有“结疤”、“桔皮”等缺陷。涂层（表面层或背层）均应有一定厚度要求，过厚则难干燥（硬化）透，型壳易分层、开裂，造成铸件表面“夹砂”、气孔（透气性差）；涂层过薄则在撒砂较粗时会使型壳表面出现“蚁孔”，造成铸件表面“毛刺”，同时由于干燥或“硬化”过度会使型壳表面产生裂纹，导致铸件表面披锋，飞翅、流纹等缺陷出现。第一二层型壳的厚、薄决定了铸件表面质量，背层涂层则决定了型壳整体强度。3、致密性的影响：表面层涂料致密性高低，直接影响型壳及铸件表面质量。高致密度涂层能获得平整、光洁无蚁孔、美观的型壳内表面，铸件相应表面粗糙度细、缺陷少，可大大降低铸件返修率（少焊补、打磨）。背层致密度高则型壳强度高，不易开裂，当然，过高的致密性涂料会增加成本（粉料多），加速涂料“老化”（粘结剂薄膜过薄）。粘结剂过少时型壳强度低，表面易出现微裂纹，背层型壳易开裂、漏钢。4、稳定性的影响：涂料“老化”，即粘结剂在制壳前已有“凝胶”存在，会使型壳表面层缺陷增多：分层、结疤、开裂、落砂、夹砂、粗糙等。而且型壳整体强度下降（背层涂料也老化时），还会影响涂料其他工艺性能：流动性下降，覆盖性增大，致密性大大降低。5、均匀性的影响：表面层均匀性高低直接影响到铸件表面质量。由于涂挂性差会产生“结疤”。3均匀性差会引起局部表面“毛刺”；洁净度差（涂料中有蜡屑、粉粒、粗砂）会产生麻坑、毛刺。不均匀的的涂层型壳平面上易开裂（硬化或干燥后），铸件表面会产生披锋、“流纹”。背层均匀性差，型壳浇注、焙烧时易开裂。均匀性是涂料质量的基本要求之一。6、悬浮性影响：涂料（桶）上下工艺性能不一致，直接会导致型壳涂层厚薄及致密性不同。硅溶胶涂料悬浮性差，粉料沉降快，为保持涂料的悬浮性，必须24小时低速搅拌，水玻璃涂料也应在浸涂时充分搅拌。对于悬浮性差的涂料，边搅拌边涂挂是最理想、合理的涂制方法。四、涂料工艺性能的影响因素一涂料的流变特性：1、流体按流变特性分两种：牛顿流体和非牛顿流体。水玻璃与硅溶胶涂料均属于非牛顿流体，主要特点是其剪切应力τ与剪切速率v不成正比，因而它没有一个固定的绝对“粘度值”η，只有一个随剪切应力τ大小变化的“表现粘度”ηa，它是涂料“稠度”的大小度量[3]。在生产中用流杯（ηΦ6、ηΦ4或ηΦ5）按一定体积涂料流尽的时间来计算，这就是“条件粘度”如ηΦ6或ηΦ4等，它等同于“表现粘度”ηa。条件粘度ηΦ6或ηΦ4与表现粘度ηa无理论关系，但有相关关系，即ηΦ6或ηΦ4大，则ηa也大，反之也成立。2、水玻璃—石英粉涂料是具有较低屈服值τy的“胀塑性”流体，而水玻璃—铝硅系耐火粉料的涂料是属于有较高屈服值τy的“胀塑性”流体。其主要特点是随剪切速率v增大其表现粘度ηa也会增大，即它具有“剪切增稠”效应，涂料在搅拌或自然流动时（等于剪切）ηa会增大，而且只有剪切应力τ大于涂料屈服值（涂料内部结构阻力）τy时（ττy），涂料才会流动。3、硅溶胶—锆英粉（或铝硅系粉料）涂料是低屈服值的“假塑性”流体。其特点是随v增大ηa会减小，即“剪切稀释”效应，因而硅溶胶涂料在模组上流动或搅拌时其表现粘度ηa会降低，故它比水玻璃涂料流动性要高得多。4二涂料流动性影响因素：1、涂料流动性高低主要影响因素是涂料的屈服值τy，其次是表现粘度ηa（即条件粘度ηΦ6、ηΦ4）及流型的类别。单一用测定涂料的条件粘度ηΦ6不能全面真实地反映涂料的流动性高低。涂料流动性应该用JB/T4007-1999标准中“流动长度法”来测定，既直观又合理。涂料的流动长度L与粘度ηΦ6及涂层厚度三者关系可通过试验予以确定。表一是测定了不同产地的石英粉料与水玻璃配成的涂料L，ηΦ6及δ的数据。表一水玻璃—石英粉涂料工艺性能序号粒度（目）ηΦ6（s）L（mm）δ（mm）130021440.248227050840.1193270301380.1044300131300.116530026630.1506300281400.096注：①水玻璃ρ=1.254g/cm3M=3.54n=1.0t=15℃②δ=涂pSG×10（mm）见下节。由表一数据分析可得出下述几点结论：1）涂料的δ和ηΦ6相同（近）时其流动性L值也相同（近），如表一中的3#，6#（n相同时）；2）粉液比n相同时涂料流动L值与δ关系密切，δ越大，L越小，反之δ小则L值大，流动性好；（1#，5#，2#，4#，3#，6#依次δ减小，L依次增大）3）由表一测试结果可知，代表涂料屈服值τy大小的涂层厚度δ是影响涂料流动性的主要因素，其次才是ηΦ6。4）当涂料n和δ相同时涂料粘度ηΦ6越高，其流动性越差，即L值越小；反之ηΦ6越低，其流动性越好，即L值越大。（如表一中的2#，4#）5）由上结论可知：5①仅凭ηΦ6一个粘度参数不能正确反映涂料流动性高低。如1#与2#，虽然n相同，但由于δ不同，其粘度值ηΦ6高的2#涂料其流动性反比ηΦ6低的1#高一倍。1#涂料：η16Φ=21（s），L=44mm2#涂料：η26Φ=50（s），L=84mm②当涂料粉液比ｎ（严格说是涂料的致密性K值）与δ值相同时，则ηΦ6可以代表其流动性高低（ηΦ大流动性差，反之ηΦ小流动性好）。生产中ηΦ6比L更容易检测、操作方便，故在n（K），δ相同时可用ηΦ值来代表L值反映出涂料的流动性高低。当然如前分析，若δ相同，n（K）值不同的涂料，其相同流动性L对应的ηΦ6也略有不同(在一定范围内)。三涂料覆盖性的影响因素:1、影响涂挂性的因素，主要有（1）涂料对模料的润湿性：水基涂料如水玻璃、硅溶胶对蜡基模料润湿性很差（润湿角θ＞90°），而醇基涂料如硅酸乙脂则有良好涂挂性（θ＜90°）。生产中只要在涂料中加入0.1-0.3%的JFC（占粘结剂重量）即可减小θ，改善润湿性。(2)相同粘结剂,但低温蜡比中温蜡润湿性较好.这是因为低温蜡表面比中温蜡粗糙度粗,而且其中含有硬脂酸。其他蜡基、树脂基中温蜡不含硬脂酸，其涂料性不如低温蜡。（3）高粉液比即高致密度的涂料比粉液比n（K）低的涂料涂挂性好，覆盖性高。2、影响涂层厚度δ的因素：只有在涂挂性（润湿性）达到100%时涂层厚度δ才有实际意义。（1）涂料的屈服值τy是影响δ的主要因素，其次是涂料密度ρ涂。δ=τy/ρ涂·g·sinθ……①当θ=90°时（涂层垂直于水平线）6δ=τy/ρ涂·g……②公式①中：τy—涂料屈服值；ρ涂—涂料密度；g—重力加速度；θ—涂层与水平面夹角。由公式②可知：涂层平均厚度δ与涂料的屈服值τy成正比，与涂料密度ρ涂呈反比关系。（2）涂料的屈服值τy的大小主要由：粘结剂的密度ρ液及涂料的致密性K%（即涂料中粉料的体积浓度）和粉料中微粉（粒径0.2-10um）含量W0%有关。ρ液，K%，W%越大则τy也越高，其中主要因素是W0%。四涂料致密性的影响因素：涂料的致密性可用其中耐火粉料的体积浓度K（%）来代表。K=ρ粉ρ涂W·×100%……1W=液粉＋粉×100%……2n=液粉WW……3W=1＋nn×100%……4公式1中：ρ涂—涂料密度（g/cm³）；W—涂料中粉料的含量（质或重量%）；ρ粉—粉料的真密度（g/cm³）。公式2中：W粉—粉料质（重）量（g）；W液—粘结剂质（重）量（g）。公式3中：n—涂料中粉料质量与粘结剂质量的比例（粉液比）。7将公式4代入公式1则得：K=ρ粉＋ρ涂)1n(·n×100%……5公式5中ρ涂=ρ液ρ粉＋ρ液ρ粉nn)1(……6（详见下节）将6代入5则得公式7表明了涂料致密性K%与粉液比n的关系；由公式7还可知：（1）不同密度和类别的粘结剂及粉料组成的涂料其致密性可统一用涂料中粉料的体积密度K%来计算和表达，比用n更准确。粉液比n只在相同密度的粘结剂和相同密度的粉料组成涂料时，n与K才有对比价值，反之则无对应关系。如锆英粉—硅溶胶涂料n=3.4，而石英粉—硅溶胶涂料n为2.0，但两种粉料与硅溶胶配成的涂料其K值则相同（47.7%，由公式7计算出），由表二更可反映这一结果：不同粉料的硅溶胶涂料n虽不同则K基本一致（Kcp=47.5%）表二硅溶胶与常用粉料配制的面层涂料致密性K%项目粉料名称粉料真密度（g/cm3）涂料粉液比范围（n）涂料中粉料的体积浓度（K%）涂料平均致密性（Kcp%）锆英粉4.63.0-3.844.7-50.547.6白刚玉粉4.02.7-3.345.0-50.047.5石英粉2.651.9-2.146.5-49.047.8熔融石英粉2.101.5-1.646.4-48.047.2注：①硅溶胶ρ液=1.21±0.01（g/cm3）②涂料粘度ηΦ6=35-45（s）③锆英粉为澳大利亚进口原矿（砂）经我国加工的粉料,其余均为国产原料，自然加工的粉料。④涂料粉液比范围为实际配置涂料的粉液比n值(ηΦ6=35-45s)⑤平均涂料Kcp=47.5%（2）影响涂料致密性K的主要因素是:ρ液，ρ粉和n值。正常生产条件下，粉料种类的选择一般根据型壳的性能要求确定。表面层目……7K=ρ液ρ粉＋ρ液nn×100%8前主要是有表二所述的这几种耐火料，背层则大多数为铝硅系（Al2O3—SiO2）耐火材料（ρ粉=2.65-3.00g/cm3）。精铸涂料用粘结剂一般仅有硅溶胶及水玻璃两种，硅溶胶ρ液基本相同（ρ液=1.21±0.01g/cm3），而水玻璃ρ液一般也在1.28-1.320g/cm3之间（表面层），由上可知，影