消失模涂料對(duì)消失模樹脂砂工藝的影響

1．簡(jiǎn)介 

  消失模鑄造（又稱實(shí)型鑄造）是一種近乎無(wú)余量,、   成形的鑄造工藝。   份關(guān)于該技術(shù)的于1958年發(fā)表(Shroyer,，1958),，但其發(fā)展和應(yīng)用還是在近二十年，廣泛用于鑄鋁,、鑄鐵及鑄鋼,，尤其是在大批量生產(chǎn)諸如汽車和船用發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋等零件時(shí)顯示出其優(yōu)越性。 

    消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的泡沫模型,，涂刷耐火涂料并烘干后,，埋在干砂中振動(dòng)造型，然后澆注,，高溫液態(tài)金屬使模型液化和氣化,，并占據(jù)原泡沫模型的位置,，凝固冷卻后形成鑄件。由于其故有的特點(diǎn),，該方法獲得的鑄件表面光潔度遠(yuǎn)高于常用的傳統(tǒng)的粘土砂鑄造和砂型鑄造,，不需要制芯，不用分型,，砂不用粘接劑,，清理容易，鑄造環(huán)境好,，可用于鑄造諸如復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋并給予產(chǎn)品設(shè)計(jì)   多的自由度,。消失模鑄造技術(shù)，工藝過程控制復(fù)雜,，對(duì)于原輔料要求嚴(yán)格,，如耐火涂料的使用就是其中很關(guān)鍵的一環(huán)。本文將探討耐火涂料在消失模鑄造過程中的作用,、要求,、成分設(shè)計(jì)、性能及其與結(jié)構(gòu)的關(guān)系等,。 

2．金屬/泡沫模型/涂料/型砂的界面反應(yīng) 

    消失模鑄造用耐火涂料是介于泡沫模型和砂之間的一道屏障,，在澆注過程中，耐火涂料是液態(tài)金屬/泡沫模型/涂料/型砂這整個(gè)系統(tǒng)中的一環(huán),，因此充分理解這整個(gè)系統(tǒng)的在澆注過程所發(fā)生的一系列反應(yīng)有助于理解涂料在消失模鑄造工藝中的作用及性能要求,。關(guān)于消失模鑄造澆注過程中金屬填充的機(jī)理一直是一項(xiàng)熱點(diǎn)。 

    當(dāng)液態(tài)金屬流入而接觸到泡沫模型的一瞬間,，泡沫的融化和分解就開始了,，模型被融解而金屬填充留下的空腔。在流動(dòng)的金屬和模型之間有一段間隙,，充滿了泡沫中原有的空氣及泡沫融化和分解的產(chǎn)物(Bates et al., 2001),。泡沫的融化和分解產(chǎn)生的碳?xì)浠衔镏屑扔幸后w也有氣體，其成分隨溫度變化而不同(Kobzar and Ivanyuk, 1975; Tseng and Askeland,1992;),，這些液體和氣體   以特定的速度被涂層吸收并部分或全部進(jìn)入外圍的砂子中,。在鑄鋁時(shí)，鋁液融化EPS,，液態(tài)的分解產(chǎn)物被推至空腔壁也就是涂層附近,，在達(dá)到的溫度后液態(tài)的分解產(chǎn)物會(huì)潤(rùn)濕涂層，并在涂層溫度升至325°C到400°C之間時(shí)隨即滲入涂層,；如果涂料的透氣性適當(dāng),，當(dāng)溫度繼續(xù)上升時(shí)EPS可以被氣化分解而透過涂層進(jìn)入砂子中(Sun et al.,1992) 。由于鑄鋁時(shí)溫度不是非常高,，在金屬澆注停止后液態(tài)的分解產(chǎn)物潤(rùn)濕并滲入涂層的過程仍會(huì)繼續(xù),。涂料的透氣性應(yīng)該設(shè)計(jì)適當(dāng)以便空氣及泡沫分解產(chǎn)生的氣體在液態(tài)的分解產(chǎn)物潤(rùn)濕并覆蓋整個(gè)涂層之前被排放出去從而避免產(chǎn)生鑄造缺陷(Sun et al.,1992),。在鑄鐵時(shí)，溫度   高,，EPS被融化產(chǎn)生的氣體   多而液體   少,，因此在金屬/涂層界面的液態(tài)分解產(chǎn)物會(huì)較少而需要通過涂層排出的氣體增多。液態(tài)金屬的流動(dòng)性及充滿型腔的過程在很大程度上取決與分解產(chǎn)物的排放(Fu et al., 1995) ,，在鑄鋁的溫度下,，液態(tài)分解產(chǎn)物的排放是關(guān)鍵；在鑄鐵和鋼的溫度下,，氣體產(chǎn)物的逸出則   重要,。由此可見涂層在消失模鑄造過程中起作控制傳質(zhì)和傳熱的雙重作用。透過涂層傳質(zhì)的過程中,，液體和氣體分解產(chǎn)物的傳遞共同存在且相互竟?fàn)?，互相作用的結(jié)果是影響和決定了型腔充滿的機(jī)制和速度,。如果液體分解產(chǎn)物過快地潤(rùn)濕并覆蓋整個(gè)涂層,，空氣和氣體分解產(chǎn)物將會(huì)聚集在液態(tài)金屬和涂層之間，由此而產(chǎn)生的壓力會(huì)延緩金屬的流動(dòng),，甚至可導(dǎo)致冷隔 的產(chǎn)生,。相反，如果氣體逸出涂層過快而液體分解產(chǎn)物潤(rùn)濕和滲透入涂層太慢,，金屬的流動(dòng)會(huì)太快而將液體分解產(chǎn)物卷入流動(dòng)的金屬液體中,，   終將形成氣孔和表面缺陷(Liu et al., 1997)。在涂層的另一面是砂子,，在砂子注入和震實(shí)時(shí)涂層機(jī)械支持泡沫模型保護(hù)其不被壓縮變形或斷裂,。在澆鑄過程中，涂層既承受來(lái)自砂子的壓應(yīng)力,，同時(shí)還受到來(lái)自流動(dòng)金屬及泡沫模型分解產(chǎn)生的氣體和液體的壓應(yīng)力,，盡管兩種壓力方向相反可以互相抵消一部分應(yīng)力，涂層仍應(yīng)有足夠的強(qiáng)度承受熱沖擊和應(yīng)力并同時(shí)讓部分分解物逸出,。透過涂層傳遞而來(lái)的熱量和物質(zhì)部分進(jìn)入其周圍的砂子,，砂子的溫度上升并有部分分解產(chǎn)物殘留在砂子中(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撐和保護(hù)泡沫模型,、防止液態(tài)金屬滲入砂子和粘砂、吸收分解產(chǎn)物和讓分解氣體通過涂層,、保持泡沫模型揮發(fā)后形成的型腔的完整,、并保持液態(tài)金屬熱量不會(huì)很快散發(fā)。因此消失模涂料的使用可以降低鑄件表面粗糙度,，鑄件精度,，減少或防止鑄件粘砂,、砂眼、氣孔,、金屬滲透,、冷隔、澆不到,、積碳等缺陷,。所以消失模涂料應(yīng)具有足夠的耐火度、的機(jī)械強(qiáng)度,、恰當(dāng)?shù)谋睾蛯?dǎo)熱性能,、合適的透氣性和吸收液體分解產(chǎn)物的能力、光滑的表面,、足夠的涂刷性能,、不與泡沫模型發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等。 

4．消失模涂料的成分設(shè)計(jì) 

    消失模鑄造用涂料的基本成分包括耐火材料,、載體,、粘結(jié)劑、懸浮劑,、劑,、表面活性劑、去沫劑等(Martinez, 1990) ,。耐火材料是涂料的骨架,，其耐熱性、強(qiáng)度及透氣性等從而避免粘砂,、毛刺等缺陷,、獲得光滑表面。耐火材料一般是陶瓷粉末,，種類選擇取決于澆注金屬種類,、澆注溫度、零件厚度,、造型砂的性能等,。為達(dá)到   佳效果，可以選擇同一種耐火材料但不同顆粒大小的粉末混用,、或幾種不同種類不同顆粒形狀和大小的陶瓷粉末混用,。常用的有二氧化硅、氧化鋁,、鋯英石,、鉻鐵礦、硅酸鋁等(Bates et al., 2001)。 載體則是調(diào)整涂料的粘度并將耐火材料涂上泡沫模型且有的厚度所   的,，對(duì)于消失模鑄造用涂料來(lái)說(shuō)一般是水,，用酒精，不能用其他可能與泡沫模型起化學(xué)反應(yīng)的溶劑,。粘結(jié)劑則將涂料內(nèi)的各組分粘結(jié)在一起并在涂刷時(shí)涂料粘結(jié)在泡沫模型的表面,，粘結(jié)劑多為一種或幾種粘結(jié)劑。粘結(jié)劑除了在涂料被烘干前涂料粘結(jié)在泡沫模型的表面,，還要在涂料被烘干后和澆注時(shí)為涂料提供的強(qiáng)度,。懸浮劑的主要作用是與載體形成膠體從而將耐火陶瓷粉末懸浮起來(lái)，以涂料的流動(dòng)性,，防止固體顆粒的聚集和沉淀,。劑控制和微生物在涂料中的生長(zhǎng)，以防止涂料腐壞變質(zhì),。表面活性劑主要使涂料生產(chǎn)過程中固體顆粒   易被潤(rùn)濕并使涂料在使用時(shí)   易潤(rùn)濕泡沫模型表面,。去沫劑則用于使涂料生產(chǎn)和使用時(shí)不產(chǎn)生大量泡沫。為美觀和管理方便,，涂料中還可加入顏料,。各種組分可以有多種選擇，但需要注意的是有些組分之間會(huì)相互作用,，有些組分會(huì)同時(shí)影響涂料的幾方面的性能,。涂料的成分設(shè)計(jì)多是基于經(jīng)驗(yàn)和大量的試驗(yàn),，也有少量已發(fā)表的文獻(xiàn)觸及涂料的性能和組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系,。 

5．消失模涂料的性能參數(shù) 

    消失模鑄造用涂料的使用性能主要是熱性能和透氣性，這兩項(xiàng)決定了其在澆注過程中的作用,。在實(shí)際操作中則需要測(cè)量和/或控制其粘度,、固體含量、透氣性,、pH值等,。只有涂料的性能穩(wěn)定一致，才可消失模鑄造產(chǎn)品的質(zhì)量,。 

    粘度描述的是流動(dòng)對(duì)于剪切力的反應(yīng),，是衡量涂料的流動(dòng)性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，粘度雖然主要取決于涂料的成分,，但也受攪拌過程的影響,。尤其是在涂料使用時(shí)涂料的粘度會(huì)根據(jù)需要調(diào)整到恰當(dāng)?shù)姆秶校瑢?duì)于粘度的測(cè)量和監(jiān)控尤為重要,。粘度的變化會(huì)影響到涂料的其他相關(guān)性能如固體含量,、厚度及透氣性等，并進(jìn)而影響鑄件質(zhì)量。消失模鑄造用涂料一般是剪切稀釋,，在涂料制造過程中延長(zhǎng)攪拌時(shí)間會(huì)導(dǎo)致粘度下降而透氣性相對(duì)穩(wěn)定,，在使用時(shí)涂料的粘度會(huì)隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)而進(jìn)一步下降，過度攪拌還可能引起透氣性上升(Bambauer et al., 1996),。因此粘度的控制尤其重要,。 

透氣性直接控制著泡沫融化和分解的產(chǎn)物逸出的速度，從而決定了液態(tài)金屬的流動(dòng)速度,，進(jìn)而決定了是否可以氣孔,、冷隔、澆不到,、積碳等缺陷的產(chǎn)生,。透氣性的直接測(cè)量對(duì)于涂料質(zhì)量控制尤為重要。由于涂料在高溫下使用,，直接測(cè)量其在使用狀態(tài)下的透氣性很困難,，現(xiàn)有方法均為在常溫下進(jìn)行。 

    現(xiàn)階段使用得比較廣泛的有兩種方法,，一種是由是由阿拉巴馬大學(xué)(UAB-Birmingham)發(fā)明的(Bates et al., 2001),，通過測(cè)量在不同壓力下氣體流過覆蓋有涂料并烘干的屏篩的量從而計(jì)算出涂層的透氣系數(shù)。另一種由GM的Kocan(1996)提出,，直接使用原用于測(cè)量型砂透氣性的Dietert Perm-meter, 只是將試樣裝夾臺(tái)加以改裝以承載覆蓋有涂料并烘干的屏篩,，測(cè)量氣體在固定壓力下通過涂層的速度。GM法由于其方便   廣泛地應(yīng)有于消失模鑄造生產(chǎn)廠家,，雖然只是一個(gè)半定量的方法,，但其重復(fù)性好,，已成功到用于生產(chǎn)廠質(zhì)量控制,。但該方法未考慮涂層的厚度的影響，因此在實(shí)際生產(chǎn)中還需測(cè)量涂層的厚度并加以控制,。實(shí)際表明,，在涂料的可使用的粘度范圍內(nèi)，使用GM法測(cè)得的透氣性值與涂層的厚度的乘積幾乎不隨粘度變化而改變,，因此在北美已開始采用透氣性值與涂層的厚度的乘積,，也就是校正透氣性值(Normalized Permeability)，來(lái)作為質(zhì)量控制參數(shù)并已被實(shí)踐證明可行,。 

    一般在討論透氣性時(shí)是指涂層的透氣性,，在前面的討論中可以看出,，在消失模鑄造過程中透氣性其實(shí)應(yīng)該被放在金屬/泡沫模型/涂料/型砂這整個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中來(lái)考慮, 涂層的透氣性只是這整個(gè)系統(tǒng)中的一部分(Martinez, 1990)。砂子種類,、形狀和溫度的改變,、是否抽真空、泡沫模型性能的改變等都會(huì)引起這整個(gè)系統(tǒng)的透氣性的改變,，并從而改變金屬流動(dòng)行為,。在實(shí)際操作中，有時(shí)鑄造生產(chǎn)廠家希望通過改變涂層的透氣性來(lái)補(bǔ)償因其他工藝參數(shù)的變化而引起的這整個(gè)系統(tǒng)的透氣性的改變,，但是單純改變涂層的透氣性有時(shí)并不足以補(bǔ)償整個(gè)系統(tǒng)的透氣性的變化,。 

    其他性能參數(shù)還包括固體含量、干重和濕重,、pH值,、BAUME等。涂層固體含量主要取決于耐火填料所占的比例,，并影響到涂料的粘度,，涂料的固體含量的高低與其抗粘砂性緊密相關(guān)。干重和濕重易于操作,，是對(duì)涂料的粘度和固體含量測(cè)量的一個(gè)補(bǔ)充,。監(jiān)控pH值的變化可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)涂料中和微生物的生長(zhǎng)。Baume度的測(cè)量并不是一個(gè)很準(zhǔn)確的質(zhì)量控制參數(shù),，尤其是對(duì)消失模鑄造用涂料而言,。 

    涂料的導(dǎo)熱性能對(duì)于獲得   的消失模鑄件至關(guān)重要，導(dǎo)熱常數(shù),、比熱,、熱膨脹系數(shù)等的測(cè)量多在涂料的階段而不是在使用過程中進(jìn)行。 

6．消失模涂料的性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系 

    對(duì)于消失模涂料的性能和組分間的關(guān)系已有很多的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)積累,，在前面已探討過,。對(duì)于涂料的性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系的理解則很有限,，建立涂料的性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系有助于新型涂料的和使用,，并對(duì)消失模鑄造工藝控制提供幫助。 

    早期的已觸及該方面,，Sun 等人(1992)已揭示涂層的透氣性取決于涂料中顆粒大小及分布,、形狀、以及氣孔的特征,，其已顯示,，一種主要由接近圓形的、尺寸較大,、大小分布較均勻的氧化鋁顆粒構(gòu)成的涂料比另一種由不規(guī)則形狀的,、尺寸較小,、大小分布不均勻的二氧化硅顆粒構(gòu)成的涂料透氣性   高。Chen 和 Penumadu (2005) 的表明涂層中“氣孔”的大小和結(jié)構(gòu)與涂層的透氣性緊密相關(guān),。Qi 等人(2005) 曾嘗試建立一個(gè)關(guān)于消失模涂料的結(jié)構(gòu)模型以解釋其

傳熱和傳質(zhì)的特征,。鑒于其復(fù)雜性，對(duì)于消失模涂料的性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系還有很多的工作要做,。 

7．結(jié)語(yǔ) 

    消失模涂料是消失模鑄造中金屬/泡沫模型/涂料/型砂這個(gè)系統(tǒng)中的重要一環(huán),，涂料在鑄造過程中起到傳熱、傳質(zhì),、控制金屬流動(dòng)性等作用,，涂料的性能取決于其成分和結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù) 

實(shí)際工藝來(lái)有針對(duì)性地選用或合適的涂料,。