消失模铸造用醇基涂料的研制.docx
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消失模铸造用醇基涂料的研制
消失模铸造用醇基涂料的研制
张治伟
（陕西理工学院材料科学与工程学院材控084班，陕西汉中723003）
指导教师：
***
[摘要]:
针对国内传统以锆英粉为骨料的配方而制成消失模涂料的特点，介绍了一种使铸件的生产周期缩短，以及满足涂料的修补和浇注系统粘接过程涂料的涂刷，使涂料涂刷后就能尽快浇注的消失模铸钢用异丙醇醇基涂料及其制造方法，降低了铸件生产成本，提高了生产效率。
以锆铝石粉为耐火骨料，酚醛树脂、硅溶胶以及白乳胶做粘结剂，CMC和钠基膨润土混合使用做悬浮剂，异丙醇做分散剂的新的消失模铸造用醇基涂料。
选择合适的原材料配比进行试验，并对涂料的透气性、悬浮性、流淌性以及落砂打磨量做出了检测并分析，间接判断出涂料的强度和粘度是否符合浇注工艺需要，最终确定出一种适于铸造生产使用的涂料配比，并用该配比涂料进行了铝合金浇铸实验，验证该涂料的综合性能。
[关键词]:
涂料；消失模铸造；性能。
Lostfoamcastingwithalcohol-basedcoatings
ZhangZhiwei
（Shaanxiinstituteoftechnologyofmaterialsscienceandengineeringcollegematerialcontrol084class,Hanzhong,723003,Shaanxi）
Totur:
XuFeng
[Abstract]:
FordomestictraditionwithzirconiumEnglishpowderforaggregateformulaandthecharacteristicsofthecoatingmadedisappearingmodel,thispaperintroducesakindofmakecastingproductioncyclesshorter,andsatisfytherepairofcoatingandadhesivegatingsystemprocessthecoatingofpaint,tomakethepaintbesmeartopouringassoonaspossibleafterdisappearingmodelsteelcastingtheisopropylChunChunbasecoatinganditsmanufacturingmethods.Developedbyzirconiumforrefractoryaggregateapplicationpowder,phenolicresin,siliconsolandwhitelatexdobinder,CMCandsodiumbasebentonitemixedusedosc,isopropylalcoholdothedispersantnewepcusealcoholbasedcoating.Choosetherightproportionofrawmaterialstothetest,andthepermeabilityofcoating,suspendedsex,sexandLaShaburnishflowingmadetestingandanalysisof,indirectjudgethestrengthofthecoatingandviscosityisinaccordancewiththepouringneed,eventuallycertainoutasuitableforcastingproductionuseratioofcoating.Andtheformulaofaluminiumalloycoatingwaspouringexperimentsshowthecomprehensiveperformanceofthecoating.Reducesthecastingproductioncost,improvetheproductionefficiency.
[Keywords]:
Coating;Epc;Performance.
摘要
Abstract
1前言
在消失模铸造中，涂料是一项关键技术，消失模用于大批量生产成功与否，30﹪取决于涂料。
消失模涂料在消失模铸造工艺中起着非常重要的作用,是消失模铸造获得表面光洁优质铸件必不可少的辅助材料。
如果涂料的性能、配制和干燥出现问题，就会使铸件产生质量不稳定、废品率上升等现象，所以必须加强对消失模涂料的认识。
消失模铸钢涂料一般由耐火材料、悬浮剂、粘结剂、载液和添加剂等几种成分组成，各种组分被均匀地混合在一起制成粉状或膏状，在涂挂和浇注过程中发挥综合作用。
消失模铸钢涂料一般应具有以下基本功能：
（1）隔离作用。
浇注时将金属液和铸型隔离开，防止金属液渗入砂型中形成黏砂和干砂流入金属液与泡沫模样的间隙中，造成铸型“塌箱”。
（2）增强作用。
涂料层能提高泡沫塑料模样的强度和刚度，防止模样在运输过程中破坏或变形，并在浇注期起到支撑干砂的作用，而不造成砂型崩塌。
（3）排气作用。
涂料层能让泡沫塑料热分解的大量的气体在负压下顺利地排到砂箱外，减少或防止铸件产生气孔或表面增碳等缺陷[1，10]。
目前消失模铸钢涂料主要分为两大类：
水基涂料和醇基涂料，而铸钢醇基涂料泡沫塑料模样涂上涂料后无须烘干，在自然条件下可以实现涂料的快干，可以免去复杂的烘干过程，醇基涂料中一般不需要添加剂，涂层的厚度比水基涂层薄，其透气性较好，铸件的清理较水基涂料容易，而且大量实验已经表明消失模铸钢醇基涂料比水基涂料铸件的质量高[2]。
1.1选题的目的及研究意义
本课题旨在研制一种为了缩短铸件的生产周期，以及满足涂料的修补和浇注系统粘接过程涂料的涂刷，使涂料涂刷后就能尽快浇注的消失模铸钢用异丙醇基涂料及其制造方法。
该涂料采用锆铝石粉作为耐火材料，白乳胶、硅溶胶和酚醛树脂为粘结剂，钠基膨润土和CMC混合使用为悬浮剂，适量异丙醇为材料涂料载液。
目的在于对现有消失模铸钢涂料进行深入的研究和理论分析，提出采用锆铝石粉研制新型消失模铸钢涂料。
本课题研究意义：
1、消失模铸钢用异丙醇基涂料采用新型特种耐火材料锆铝石粉作为涂层骨料，改变了传统消失模铸钢涂料以锆英粉为骨料的配方，避免了锆英粉涂料中因SiO2与FeO之间发生化学反应而导致的化学粘砂缺陷；
2、锆铝石粉价格仅是锆英粉的1/5，其涂料成本仅仅就耐火材料一项就降低了1/5左右节约了成本；
3、采用异丙醇作为载液是涂料成为快干涂料，避免了水基涂料烘干的复杂过程，工艺过程大大简化；
4、异丙醇涂料克服了乙醇涂料燃烧偏快的弱点和甲醇毒性过大危害的缺点；
5、通过大量实验表明所发明的消失模铸钢用异丙醇基涂料性能优良，非常适合于碳钢、合金钢的生产中，铸件生产周期要求较短，以及涂料的修补和浇注系统粘接过程涂料的涂刷等用途的涂料。
1.2我国消失模铸造技术发展现状[3,11]
我国消失模铸造从十年前出现热潮以来，有了长足的进步。
但从总体上看还处于技术革新阶段。
铸件从比较简单的磨球、到中等难度的进排气管、箱体类零件。
铸钢件、球铁件由于受到碳缺陷和渣孔、气孔缺陷困扰，废品率居高不下。
汽车制造厂采用消失模工艺生产铸件的还比较少。
半数的引进设备和自己制造、规模较大的生产线远未发挥应有的效益。
管理上、体制上的原因固然存在，但技术上的不成熟，某些关键技术没有攻克，不能及时投入批量生产、获取应有效益。
消失模铸造技术符合新世纪铸造技术发展的总趋势，有着广阔的应用前景。
我国要从一个制造大国变成制造强国，必须大力发展提供更多近无余量、精确成型的产品；铸造技术必须符合环境保护、可持续发展的大动向，实现清洁生产；同时适应更加个性化的市场需要，产品的结构设计要有更大的自由度。
只要恰如其分的发挥消失模铸造的特点和优势，前景是非常广阔的。
在我国消失模铸造技术的发展中，必须注意解决以下主要问题：
1.产品必须对路，消失模铸造是一种先进的工艺，但也不是万能的，有一定的应用范围，一个铸件是否适合采用消失模铸造方法，要进行多种工艺、多方案认真比较，绝不要偏听偏信，先把生产线建起来，再做试验，慢慢摸索，这样往往容易造成大量投资得不到及时回报的后果。
2.消失模铸造技术要用于生产更复杂、更精确的中、高难度铸件，例如复杂的箱体件，汽缸盖和汽缸体，才能更充分显现出这种铸造工艺的优越性和经济效益。
为此，围绕着生产中、高难度铸件必须攻克的技术关键，例如模样和铸件的尺寸精度变化规律、性能更好的涂料、振动紧实工艺以及缺陷的对策等。
3.消失模铸造技术比传统的砂型铸造技术有更高的技术含量。
不管是生产泡沫模样的“白区”，还是造型、浇注、清理的“黑区”，都还有许多需要探索、研究的课题。
4.在我国消失模铸件总产量中，黑色金属铸件占绝大部分，而国外消失模铸造首先是从铝合金铸件取得突破，产量也与黑色金属相差不多，并已经可以大批量生产复杂的六缸缸体和缸盖铸件。
而我国铝合金消失模铸造恰恰比较薄弱，与铸件“轻量化”、“精确化”的趋势不适应。
所以必须注意大力加强铝合金消失模铸件生产技术的开发和应用。
预计在今后10年铝合金消失模铸造将会得到迅速发展。
1.3我国目前常用的消失模醇基涂料的配方[3,5,6]
表1.1单位：
质量%
序号
骨料
悬浮剂
粘结剂
乙醇
应用范围
1
石英粉80-90
铝矾土20-10
膨润土2-3
PVB3.0-3.5
适量
碳钢铸件
2
锆英粉80-90
铝矾土20-10
膨润土2-4
PVB3.0-3.5
适量
钢铸件
3
刚玉粉80-90
铝矾土20-10
膨润土2-4
PVB3.0-3.5
适量
厚大碳钢件
合金钢铸件
4
镁砂粉80-90
铝矾土20-10
膨润土2-4
PVB3.0-3.5
适量
高锰钢铸件
5
锆英粉100
膨润土1-2
酚醛树脂2
松香1
适量
大型铸钢件
合金钢铸件
6
锆英粉100
膨润土1-3
101树脂2.45
45-8胶10
适量
大型铸钢件
合金钢铸件
7
土状石墨80-90
片状石墨20-10
膨润土1-3
PVB3.0-3.5
适量
铸铁件
8
棕刚玉发55-40
铝矾土40-50
土状石墨5-10
膨润土1-3
PVB3.0-3.5
适量
铸铁件
9
铝矾土85-75
土状石墨5-10
片状石墨10-15
膨润土1-3
PVB3.0-3.5
适量
铸铁件
10
铝矾土50
土状石墨30
片状石墨20
膨润土1-3
PVB3.0
适量
铸铁件
11
土状石墨70
片状石墨30
膨润土1-3
101树脂5
45-8胶10
适量
铸铁件
2涂料用原材料的选择
消失模铸造涂料符合下列要求：
（1）有较高的耐火度和化学稳定性，在浇注时不被高温金属熔化或金属氧化物发生化学反应，形成化学粘砂。
（2）有较好的涂挂性和附着性，能均匀致密的涂挂在泡沫塑料模样表面。
（3）涂层有较好的强度和刚度，使模样在搬用和合箱过程中不会被损坏，在干燥后能保持模样不变形，在浇注时能承受由于模样气化而产生的型砂背压力。
（4）涂层有较好的高温透气性，能随着浇注金属液面的推进，将消失模气化产生的气体以及型腔内的空气，顺利地从涂层经砂型壁排到型外
消失模涂料一般由耐火材料、粘结剂、载体（溶剂）、表面活性剂、悬浮剂、触变剂以及其它附加物组成[3]。
2.1耐火材料
涂料的耐火材料对防止粘砂起决定性作用，铸钢常选用锆英粉、刚玉粉、铝矾土粉、莫来石粉、镁橄榄石粉和镁砂等。
但锆英粉价格昂贵，且在浇筑过程中锆英粉涂料中的SiO2易与FeO之间发生化学反应而导致的化学粘砂缺陷。
所以本次采用一种新的材料锆铝石粉作为耐火骨料。
锆铝石粉又称亚铝晶石粉，是一种中性、高惰性、能通用于常见所有不同材质铸件的一种浅白色耐火骨料。
这种耐火骨料有良好的热稳定性，与高温金属液不润湿也不发生化学反应，有很好的抗粘砂效果，涂层易剥离。
锆铝石是多种天然共晶石的混晶，这点与铬铁矿产类似，其分子结构可表示为：
mAl2O3·SiO2+Al2O3·ZrO2+SiO2·ZrO2，锆铝石以Al2O3为主要成分（Al2O3>60%），其次是SiO2。
锆铝石膨胀系数小，密度2.8-2.9g／㎝³，含ZrO23.5%-6.5%，耐火度>1800°。
锆铝石在天然矿产混晶石的基础上配加6%-10%MGCL型矿物调节粉，其性能将明显优化，成为一种能用于各种材质铸件的复合型优质耐火骨料，在很多铸件的涂料中能以之取代锆英粉或刚玉粉。
复合型锆铝石粉用于碳钢、合金钢及高级球铁件效果更理想、经济上更优惠。
根据锆铝石粉分子式，锆铝石粉的配方如表2.1：
表2.1锆铝石粉配方：
（质量%）
氧化铝粉末（AL2O3）
氧化锆粉末（ZrO2）
二氧化硅粉末（SiO2）
70
5
25
注1：
粉末粒度均为300目。
2.2分散剂
分散剂的作用是溶解悬浮剂和粘结剂，是涂料各组成均匀地分散并形成一定粘度和流变性的混合物。
分散剂的性质直接影响涂料的工艺性质[4]。
国内常用甲醇和工业乙醇作分散剂。
甲醇（木精）具有价格便宜、燃烧速度慢、火焰温度低、易点燃等优点，但因有剧毒不宜单独使用，仅可用少量甲醇来调整乙醇的燃烧性能。
而乙醇基消失模涂料由于一般乙醇浓度受到限制，使得乙醇中含水量超过3%，用于消失模涂料时残余水分较高而影响涂层的干强度和干燥时间，且乙醇涂料燃烧偏快。
在本实验中采用异丙醇作分散剂。
异丙醇具有良好的燃烧性，燃烧缓慢，产热量适中，发气量低，更为重要是异丙醇安全性高，毒性小，异丙醇涂料克服了乙醇涂料燃烧偏快的弱点和甲醇毒性过大的危害，价格也比较便宜。
异丙醇消失模涂料具有良好的热稳定性，悬浮性和涂挂性能好，强度和透气性能强，干燥速度快，涂料厚度薄，涂料防粘砂和针刺功能好，涂层易剥离，铸件清理方便。
甲醇、乙醇、异丙醇的性能如表2.2[8]：
表2.2甲醇、乙醇、异丙醇的性能
性能
名称
比重
（g∕cm³）
沸点
（℃）
闪点
（℃）
粘度
（厘泊,25℃）
蒸发速度
（5㏄，25℃）
火焰温度
（℃）
燃烧速度
（s∕10ml）
甲醇
0.796
64.5
20
0.55
17.2
520
180
乙醇
0.798
78.5
12
1.05
32
560
142
异丙醇
0.79
82.4
16
2.15
33
540
174
2.3粘结剂
粘结剂不仅应赋予涂料强度和涂挂性，提高悬浮性，还应使涂层有好的附着性，不与模样发生反应等。
不仅要加入低温粘结剂，如羧甲基纤维素，白乳胶及BY粘结剂等，以保证涂挂性和常温下的强度，还要加入高温粘结剂，如钠基膨润土，磷酸盐等，以支撑砂型和抵抗金属液的冲刷等作用。
本次试验的粘结剂有白乳胶、硅溶胶和酚醛树脂。
2.4悬浮剂
一般选用钠基膨润土和羧甲基纤维素（CMC）配合使用作为悬浮剂，效果最好。
这是因为细小分散的膨润土质点可以黏附在CMC的大分子链上，这种粘附可以阻止细粒膨润土质点的直线运动，从而使它们不易互相接触而长大；同时CMC高分子长链参与了网状结构的形成，使耐火材料质点更不易沉淀，从而提高了涂料的触变性、屈服极限和悬浮性。
本次实验采用钠基膨润土与CMC混合使用的悬浮剂。
2.5助剂
助剂主要包括表面活性剂、消泡剂和防腐剂，这是为减少铸造过程中的铸造缺陷而加入的。
它既可以防止金属液与涂料发生化学反应引起的化学粘砂缺陷，又可减少铸钢件的增碳缺陷，保证铸件质量。
一般使用的助剂有表面活性剂吐温-80，消泡剂正丁醇以及防止增碳缺陷的助剂高锰酸钾。
本次实验浇注时只加入微量的消泡剂正丁醇。
3实验内容及步骤
3.1实验内容
研制一种消失模铸钢用异丙醇基涂料，该涂料采用锆铝石粉作为耐火材料，白乳胶、硅溶胶和酚醛树脂为粘结剂，有机膨润土与CMC混合使用作为悬浮剂，适量异丙醇为分散剂的涂料载液，并对其性能进行测试，以满足铸造工艺的需要。
涂料的性能检测与控制是维持生产工艺和铸件质量稳定的必要条件。
涂料应具备下列性能：
强度、透气性、耐火度、绝热性、耐急热急冷性、低的吸湿性、好的清理性、涂挂性、悬浮性等性能。
1）工作性能涂层强度、透气性、绝热性等均为工作性能，其中主要的是强度和透气性。
2）工艺性能涂料的涂挂性、流淌性和悬浮性等均为工艺性能，一个主要工艺性能是涂料的滴淌性。
模样在上好涂料后，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，即充分利用涂层又不污染环境[12]。
涂料性能的测试方法：
（1）透气性：
本实验采用直接测试法，即在2×4mm的方格网上刷一层1.0-1.5mm厚的涂层，待其充分干燥后用砂型透气性测试仪测量透气性数值，每个样品测三次，最后取平均值即为涂料的透气性。
（2）悬浮性：
本实验采用比重法，用100mL量筒测定。
将涂料装入量筒，至刻度100cm为止，静止24h，读出沉淀物的体积（%），即为该涂料的悬浮性。
（3）强度：
用NDJ-5涂四杯粘度杯向涂有涂层的玻璃板上落纱（80到100目），直接擦破涂层露出玻璃杯为止，穿孔直径为1.0到1.5mm，称出落纱总质量，作为判断涂层表面强度的质量指标[5]。
本次实验采用涂层差量法间接比较涂料的强度性能，即在塑料泡沫上涂覆一层1.0-1.5mm的涂层，待其充分干燥后用粗糙度为1200的砂纸均匀的打磨涂层一分钟，测出涂层打磨前后的质量并计算出因打磨产生的差量值，用以判断涂料的强度。
每个样品测三次，最后取平均值。
（4）滴淌性：
在25mm×76mm的载玻片上距底部40mm处画一刻度,使刻度下10cm²面积的载玻片面浸入涂料中,然后垂直取出,任其滴淌,称取滴落涂料质量表示其流淌性。
因实验室设备器材的限制无法对该性能进行测试[5]。
（5）附着量和涂挂性：
将EPS泡沫塑料制成相同大小的长方体形状,在配好的涂料中浸渍两次后放置24h后测定其质量,与未涂涂料之前泡沫质量之差即为附着量。
观察泡沫表面塌落现象,可以得出涂挂性是否良好,涂挂性分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个等级,依次是优、良、差的级别[5]。
（6）其他：
密度用量筒法测量。
pH值用pH值精密试纸测定。
粘度测试采用NDJ-79型旋转粘度计。
本次实验只通过涂料的流淌性对粘度进行间接地判断，即用玻璃漏斗（漏斗长颈直径5mm）向量筒中滴涂料，每滴30ml为一阶段，并记录所用时间。
共进行3个阶段，最后计算出每分钟涂料流淌量的平均值，进行比较从而判断涂料的粘度。
（7）耐高温性：
将充分干燥且厚度在1.0-1.5mm的涂层用实验电炉烧结，烧结温度为790-810℃，烧结时间不超过十分钟，观察涂层加热前后的状态。
在对涂料性能的测试完成后选用一组较好的配方涂料或选用一种配方再次改进，并用改进后配成的涂料涂刷塑料泡沫进行浇铸，对该涂料的综合性能进行检验，对铸件进行分析。
3.2实验步骤
首先确定涂料的配方，选用两种不同的粘结剂，即酚醛树脂和硅溶胶，研究两种粘结剂不同的配方，测试其性能作比较。
两种实验配方分别如表3.1、表3.2所示：
表3.1涂料各组分的配比（单位：
g）
序号
锆铝石粉
CMC
钠基膨润土
白乳胶
酚醛树脂
异丙醇
助剂
1
100
1
5
3
1
40
微量
2
100
1
2
3
2
40
微量
3
100
1
3.5
3
1.5
40
微量
表3.2涂料各组分的配比（单位：
g）
序号
锆铝石粉
CMC
钠基膨润土
白乳胶
硅溶胶
异丙醇
助剂
4
100
2
5
3
6
40
微量
5
100
2
3.5
3
7
40
微量
6
100
2
2
3
8
40
微量
注2：
这两种涂料由于不浇铸模型，所以均未添加助剂。
制备涂料步骤：
第一种配方实验步骤
（1）混料前先将原材料钠基膨润土用水侵泡24h，其中m1：
m水=1:
10；CMC用水侵泡4h，其中mcmc：
m水=1:
30；
（2）然后将已侵泡好的钠基膨润土、锆铝石粉混合，充分搅拌均匀；
（3）将称量好的白乳胶混入已泡好的CMC中充分搅拌为胶状；
（4）将酚醛树脂溶于酒精，充分搅拌为胶状溶液；
（5）将白乳胶和CMC的混合物、异丙醇以及制成的酚醛树脂混入钠基膨润土与锆铝石粉的混合物中，用搅拌机搅拌12h，充分混合均匀。
（6）最后将混合好涂料一并以1450转/分的速度充分球磨搅拌45～70分钟，而配成异丙醇基消失模铸钢涂料。
第二种配方实验步骤
（1）混料前先将原材料钠基膨润土用水侵泡24h，其中m1：
m水=1:
10；CMC用水侵泡4h，其中mcmc：
m水=1:
30；
（2）然后将钠机基膨润土、锆铝石粉混合充分搅拌均匀；
（3）将称量好的白乳胶和硅溶胶混入已泡好的CMC中充分搅拌为胶状；
（4）将白乳胶、硅溶胶和CMC的混合物以及异丙醇混入钠基膨润土与锆铝石粉的混合物中，用搅拌机搅拌12h，充分混合均匀。
（5）最后将混合好的骨料、粘结剂溶液和异丙醇一并以1450转/分的速度充分球磨搅拌45～70分钟，而配成异丙醇基消失模铸钢涂料。
4实验结果及分析
所测性能如表4.1、表4.2所示：
表4.1第一种配方涂料性能
序号
透气性
悬浮性/%
（24h）
流淌性
（ml/min）
涂料打磨差量/（g/min）
PH值
强度
粘度
1
35.33
88
21.63
0.87
9
较好
一般
2
70.33
83
47.67
0.68
9
较好
差
3
42.00
91
18.00
0.49
8
较好
一般
注3：
涂料性能在1、2、3组间作相对比较，涂刷涂层厚度约为1.0-1.5mm。
涂料性能分析：
从表4.1中的性能数据可以看出第1组与第3组涂料的透气性小于60，所以透气性较差。
而流淌性数值大于15ml/min，所以流淌性好，粘度一般。
两组悬浮性均大于85%，悬浮性一般。
而第2组涂料的透气性为70.33，透气性好。
流淌性数值为47.67ml/min，,流淌性很好但粘度差。
悬浮性小于85%，悬浮性差。
根据表3.1的配方，1、2、3三组涂料的主要粘结剂为酚醛树脂和白乳胶，次要粘结剂有钠基膨润土和CMC。
由于涂料组分中与酚醛树脂相溶的只有酒精，在涂料静置一段时间后由于酒精的挥发使得酚醛树脂在已制成的涂料中重新析出成块状，失去了粘结效应，所以起粘结作用的只有白乳胶、钠基膨润土和CMC。
通过对比发现第2组涂料的钠基膨润土质量分数最小，即粘结物质少，故其粘度就差，相反的透气性好。
而钠基膨润土与CMC混合在一起又当悬浮剂使用，起提高涂料悬浮性的作用。
由于第2组钠基膨润土加入量少，所以相应的第2组涂料的悬浮性较差。
三组涂料打磨差量均小于1g/min，所以强度较好。
综合分析，这种配方涂料性
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