消失模涂料

消失模涂料的作用
消失模鑄造所用的造型材料一般是普通干石英砂，泡沫塑料模型被液態金屬置換時，熱分解產生的大量氣體要通過干砂間空隙方能排出鑄型外。然而，液態金屬在負壓的作用下很容易滲入干砂間的空隙而形成機械粘砂。為了避免產生機械粘砂，消失模模樣表面須涂掛一層耐火涂料。在鑄型澆注過程中，這一層耐火涂料是介于金屬液和型砂之間，對消失模模樣的氣化、金屬液充填和鑄件的形成等起著十分重要的作用。
(1)防止鑄件產生機械粘砂和熱化學粘砂。
機械粘砂的實質是金屬液對砂粒間細孔的充填滲入。在普通砂型鑄造中，金屬液在鑄型某點上的滲入壓力即為金屬液的壓強。當滲入壓入超過砂粒間空隙中的氣體反壓力和由金屬液表面張力引起的附加壓力時，金屬液才能滲入砂?？障吨行纬蓹C械粘砂。
一般情況下，消失模鑄造中金屬液的滲入壓力要大于砂型鑄造，所以鑄件表面有較嚴重的針刺和粘砂現象。在泡沫塑料模的外表面涂掛一層一定厚度的致密涂層，可以起到阻止金屬液滲入的作用，從而防止鑄件產生針刺和機械粘砂。
消失模鑄造目前廣泛使用的型料諸如鐵丸、石英砂等，由于耐火度均不高，熔融溫度較低。當澆入高溫金屬液后容易被金屬液所熔融，形成節瘤等缺陷，產生熱化學粘砂。因此，在金屬液和型料之間隔離一層耐火度高的涂層，有助于防止熱化學粘砂。
(2)提高泡沫塑料模型的剛度，防止埋型時變形。
這是耐火涂料層在消失模鑄造中的獨特的作用。泡沫塑料模在埋型操作時，不可避免地要受到一定大小的沖擊力作用，因而模型可能產生壓縮變形和彎曲變形，進而影響到鑄件的尺寸精度。模型表面涂上一層耐火涂料，干燥后會形成一層緊緊包覆在外表的具有一定強度的硬殼層，使其強度比未掛涂料前有成倍地提高，同時模型的剛度也相應增強，因此可以使各種變形量降低到小。例如，2mm厚的涂層，在同等受力條件下，可使泡沫模型的受壓變形降低2/3，使彎曲變形降低9/10以上。
(3) 有助于消失模模樣熱分解氣體的迅速排出。如果泡沫模型熱分解產生的氣體不能及時排出，可能產生澆注不完全、氣孔、夾渣和碳黑等缺陷。具有一定透氣性的表面耐火涂層可以使氣體在負壓的作用下及時排出鑄型。
3.1.1.2 消失模鑄造對涂料的技術要求
消失模鑄造用的耐火涂料涂覆在泡沫塑料模型的表面。泡沫塑料種類不同以及鑄件材質不同，對涂料性能的要求也就不一樣。此外，泡沫塑料不透氣、熱變形溫度低（約700C左右）、對水的親和力小、氣化后的發氣量大，這些特點決定了涂覆在它表面的耐火涂料應具備如下技術要求：
(1)涂層具有一定的透氣性
從防止鑄件粘砂的角度來說，泡沫模型外表須要涂掛涂料，而且涂層要盡可能致密；但致密的涂層不利于氣化模氣化后生成的氣體往外逸散。因此，要求涂料具有一定的透氣性，使模型氣化生成的氣體容易通過涂層，通過型料之間的間隙由真空泵抽走。
為了使涂層獲得良好的透氣性，可以采取如下技術措施：
a：將不同種類和粒度的耐火骨料進行合理搭配。耐火骨料的種類和粒度對涂料的透氣性影響很大。一般來說，單獨使用某一種骨料時涂料的透氣性很差，而將不同的耐火骨料搭配起來使用時透氣性較好。如將鋁礬土與適量石英粉復合可獲得良好的透氣性。同時，骨料的顆粒形狀對涂料的透氣性也有很大的影響。球形顆粒（石英、剛玉）形成外露的微孔，而片狀顆粒（滑石、云母）形成隱蔽的微孔。胞格狀組織（珍珠巖）及纖維結構（石棉、蛭石）的填料形成無序結構，構成松散的多孔結構，透氣性較高。將不同種類的骨料進行合理搭配可在一定范圍內調節涂料的透氣性。
b：選用有機粘結劑。有機粘結劑在高溫下分解可形成一些空洞，從而增加了涂料的高溫透氣性。而高溫粘結劑如硅溶膠、水玻璃等所配成的涂料透氣性較差。
C：加入適量的氧化劑。泡沫塑料模在高溫下不完全分解時會在涂料表面沉積一些碳，阻塞排氣通道，從而降低了涂料的高溫透氣性。加入一些氧化劑可以加速泡沫塑料模的分解，從而防止碳的沉積，增加涂料的透氣性。
(2)具有良好的潤濕性和粘附性
聚苯乙烯泡沫塑料表面張力低，不易被水基涂料潤濕、滲透，因此，涂料中需加入少量表面活性劑并選擇適當的粘結劑。所選用的粘結劑要求與泡沫塑料模的粘附性好，這樣涂掛后能在模型外表獲得一定厚度的耐火涂層。如涂料的粘附性差，則可造成涂層厚度不夠或不均，甚至涂層不連續，很難獲得質量優良的鑄件。
(3)高溫強度好
耐火涂層的耐火度要高，熱膨脹系數要低，否則澆注過程中由于金屬液的沖刷作用，很容易將粘附不牢的涂層沖刷而卷入鑄件，使制品產生粘砂和夾渣等缺陷。
(4)干燥速度快
涂料在低溫（一般要低于60℃）下的干燥速度要快，不龜裂，并能形成堅固的耐火涂層。如果干燥速度過慢，不僅影響生產效率，而且由于涂層長期不能干燥、固化，可能會從氣化模表面脫落。
(5)發氣量要小
涂料層一經烘干后，在澆注過程中與高溫金屬液相接觸時，不得有其它的氣體產生。否則涂料層容易崩潰、脫落，所產生的氣體還會影響澆注過程的平穩性。
(6)良好的涂掛性
消失模涂料的涂層比較厚，要求涂料有較高的屈服值和塑性變形能力，應嚴格控制涂料的流淌性，對于熱固性樹脂為粘結劑的涂料，可以在其中加入少量觸變劑，以提高涂料的涂掛性。
3.1.2 涂料的種類與組成
3.1.2.1 涂料的種類
消失模鑄造用涂料的種類根據所用粘結劑的性質通常分為水基涂料、醇基涂料、樹脂涂料等三種。
水基涂料是指其粘結劑以水為溶劑，常用的粘結劑多種多樣，如聚乙烯醇、CMC、水玻璃等。水基涂料一般厚度較大（0.5~2mm），其強度也較醇基高，但是水基涂料的透氣性一般較差，一般在水基涂料中需要加入少量的發泡劑。涂層烘干后，發泡劑在涂層中會產生大量的毛細孔，氣化模分解產生的氣體就是由這些毛細孔排出。
醇基涂料與樹脂涂料的干燥速度較快，又稱之為快干型涂料?？旄尚屯苛现型ǔ２恍枰尤氚l泡劑，涂層的透氣性主要依靠涂料中的粘結劑或溶劑的揮發而產生?？旄尚屯繉颖人繉颖?，所以其透氣性也較好。水基涂料與快干型涂料各有特色，其特點對比見表3-1。
 
表3-1水基涂料與快干型涂料的比較

水基涂料中含有大量的毛細孔而對高溫液態金屬產生毛細吸力作用，使涂層清理時潰散性差，容易產生鑄件粘砂現象。但對于水基涂料可以增加厚度而使涂層強度升高；醇基涂料防粘砂、針刺功能好，但其強度低。
這里需要注意的是，長期以來在鑄造生產中通常有兩種不正確的認識，一是過分強調涂料的透氣性好壞，認為水基涂料的透氣性差；二是認為醇基涂料雖然方便快捷但成本高昂，事實并非如此。
大量的實踐表明，鑄型中的氣體能否迅速排除是涂層透氣性、涂層厚度、真空度、型砂粒度等因素共同作用的結果。水基涂料與快干涂料相比，在相同厚度的條件下其透氣性相差無幾，更本不可能對消失模鑄造工藝產生顯著的影響。其次，雖然醇基涂料中原材料成本高，但其涂層比較薄，涂料用量少而且不必專門烘干、鑄件清理方便，所以其綜合成本反而比水基涂料要低。
對于厚大鑄件、重要零件或某些關鍵部位，將這兩種涂料結合起來使用效果很好，即內層用醇基涂料（≤0.5mm）而外層使用水基涂料。有時可以將這兩種涂料交替使用，涂覆多層，鑄件的防粘砂效果也十分理想。
3.1.2.2 涂料的主要組成
涂料的基本成分是耐火材料、粘結劑和溶劑。有時為了改進涂料的某些性能，也可以加入一些特殊添加劑。比如，為了提高其透氣性，可以加入少量的發泡劑。
(1)耐火材料
 涂料的性能主要決定于耐火材料，而其它成分僅起粘結、分散、懸浮和助溶劑等輔助作用。一般選用耐火度高、燒結點適當、熱膨脹系數小、不被金屬及其氧化物潤濕、來源廣和價格低的耐火材料。耐火材料的品種很多，消失模鑄造通常選用以下四種耐火材料。
a.鋯英粉  主要成分是ZrO2、SiO2，即正硅酸鋯。它的耐火度高，是目前用于消失模鑄造比較好的一種抗粘砂材料。澆注鑄鋼件和大型鑄鐵件時多采用這種耐火材料，可以減少鑄件的清理工作量，獲得表面光潔的鑄件。
b.石英粉  主要成分是SiO2。由于石英粉在不同的溫度條件下具有不同晶型轉變，使其發生體積改變，從而降低了它的使用價值。一般用來澆柱中小鑄鐵和鑄鋁、鑄銅件等有色金屬。由于消失模鑄造目前主要用于中小件，所以石英粉應用比較普遍。
c.氧化鋁  氧化鋁即剛玉粉，主要成分是Al2O3。它也是一種性能優良的耐火材料，可用來澆注鑄鋼件和大型鑄鐵件。
d.石墨粉  石墨粉是鑄鐵生產中廣泛作用的耐火材料之一，具有很高的耐火度，但易氧化。它的熱膨脹系數很低，一般在50×10-7以內。
另外，在南京航空航天大學的大量實踐中有時也采用碳化硅粉體作為鑄造高溫合金用耐火涂料的骨料，其抗高溫性能和防粘砂性能均十分理想。
不同鑄件材質，所用的耐火填料種類不同。如鑄鋼常用砂料、棕剛玉粉、熱鋁礬土粉、石英粉；鑄鐵常用石英粉、鱗片石墨、土狀石墨、滑石粉；鑄鋁常用滑石粉、土狀石墨等。
耐火材料的粒度太粗，涂料的懸浮穩定性差，鑄件表面粗糙度大，但涂層透氣性高；粒度太細，澆注時涂層容易產生裂紋，涂層透氣性低。不同粒級的耐火骨料適當配合，可提高涂料的密度，減少涂層的收縮而提高抗龜裂性能。耐火材料的顆粒配級，要根據涂料的透氣性和涂掛性等性能來綜合考慮，一般在120~200目范圍內調整。
(1)不同耐火填料制成的涂料的常溫與高溫透氣性的比較。
選用同一粒度(150目)的鋯英砂、棕剛玉、鋁礬土以及石英砂，分別按同一配方配制涂料，測試涂層的常溫與高溫透氣率。
結果表明，無論是常溫或高溫透氣率，鋁礬土涂料的透氣性很高，其次是石英砂和棕剛玉，鋯英砂涂料的透氣率較低。造成不同耐火填料的涂層透氣率不同的原因主要有填料粒度、表面狀況、涂料干燥與收縮特性等。
(2)不同耐火填料粒度的對比。
將棕剛玉粉篩分出五種不同粒度：100目、150目、200目、250目以及>250目，配制出五種粒度不同的涂料以比較粒度對涂料透氣性的影響。實驗結果表明，耐火填料的粒度對涂層的常溫與高溫透氣率的影響比較顯著。耐火骨料的粒度越粗，透氣率越高。因此，在保證涂料具有一定的懸浮性、涂掛性以及保證鑄件光潔度的情況下，盡量采用粒度較粗的耐火填料配制涂料。
因此，在配方設計上，除保證涂料具有較好的懸浮性、涂掛性、干燥強度以及耐火度外，盡可能提高其常溫與高溫透氣率。
 
 
表3-2  常用耐火骨料的某些性能

 
表3-3  消失模鑄造用石墨的性能