消失模铸造水基涂料的研制

消失模铸造水基涂料的研制!
黄 光 胜1，范 永 革1，汪 凌 云1，周 荣2
（1 . 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044；2 . 昆明理工大学 机电工程学院，昆明 650093）
摘 要：涂料是消失模铸造最关键的辅助材料之一。为降低消失模铸造涂料的成本，研制了水基消
失模涂料。文中采用石英粉为耐火骨料，石英粉共有 3 种粒度分布。所有涂料用碾轮式混砂机制成膏状
质量 m 与涂料层的厚度 c 之比表示，其度量单位为 g / mm。用 STZ 型直读式透气性测定仪测试涂料在常温 以及 400、700、1 000 C 下的透气性［2］。流变性的测定 采用 NDJ - 1 型旋转式粘度计，该粘度计共有 4 个转 速，分别为 6、12、30、60 r / min。测定时使用 3 号转子， 并且涂料的温度保持在（25 1 1）C。涂料的静态剪切 应力的测定用 U 型连通管［3］。
泡沫塑料模样、涂料、真空度、振动等均为消失模 铸造的关键技术，这些技术对铸件的质量有重要的影 响。其中涂料层的性状不仅影响模样的气化和气体的 迁移，而且和铸件表面质量、表面缺陷、铸件精度乃至 铸件内在质量等都密切相关。除传统砂型铸造中要求 涂料有良 好 的 悬 浮 性、适 宜 的 密 度、粘 度 和 流 变 特 性 外，还要求涂料有适宜的透气性。现有消失模铸造涂 料一般以棕刚玉、锆英粉、铝矾土等为耐火骨料，成本 较高。石英粉是最便宜的耐火填料之一，具有较高的 熔点（1 713 C）和烧结温度（1 500 ~ 1 700 C）［1］。虽然 高温下，SiO2 能与 FeO 发生反应，生成低熔点、低粘度 化合物 FeO·SiO2，易造成铸件化学粘砂，但对于热作用 不强的中、小铸钢件和铸铁件，石英粉耐火涂料在普通 砂型铸造中仍有一定的应用。文中在寻找一种适用于 球墨铸铁件且性能优良而价格低廉的涂料目的下，研 究了以石英粉为耐火骨料的消失模铸造水基涂料。
图 1 涂料的流变曲线
从图 1 中还可看出，剪切应力"的增长小于剪切 速率#的增长，涂料的表观粘度（$="/#）随剪切速率 的增长而减少。即涂料受到的搅拌速度或涂刷速度增 高，则表观粘度降低，涂料具有“剪切变稀”特性。
涂料 1、3、5 比涂料 2、4 的膨润土含量高，涂料内 形成的立体网状结构更牢固，剪切变稀作用更强，涂挂 涂料时，涂料的粘度下降快，涂刷手感好。涂挂结束后 剪切速率趋于零，由于剪切稀释作用表观粘度大幅度 增加；同时涂料中的立体网状结构逐渐恢复也使表观 粘度增加，两方面同时作用，使得涂料 1、3、5 有更好的 滴淌性。涂挂后，泡沫塑料模样的垂直表面以及下表 面的涂料可以不滴淌或只有少量滴淌，可以保证模样 的所有表面涂料层厚度均匀。 2.3 涂料的透气性
2002 年 2 月 第 25 卷第 2 期
重庆大学学报 （自然科学版） JournaI of C1ongging Universit（y NaturaI Science Edition）
文章编号：1000 - 582X（2002）02 - 0116 - 04
VoI. 25 No. 2 Feb. 新物质（有待进一
步确认其组成），降低有效粘结剂含量，涂料呈现出较
低的干强度以及略低的悬浮率。涂料 1、3、4、5 均用无 机粘结剂和有机粘结剂相结合，有理想强度与悬浮率。
表 3 涂料的悬浮率和强度
涂料 涂料 1 悬浮率 / % 100 强度 / g·mm - 1 17 . 64
涂料透气性低于 2 . 5 cm4·g - 1·min - 1，生产出的铸
件会存在冷隔、缺肉、气孔等常规铸造缺陷，以及铸钢 件表面增碳、铸铁件表面皱皮等消失模特有铸造缺陷。 透气性很低的涂料在消失模铸造生产过程中，泡沫塑 料气化所产生的大量气体不能及时通过涂料层排出铸 型，易造成金属液从浇口处反喷，这相当危险！透气性 高于 6 . 0 cm4·g - 1·min - 1，又会造成严重的机械粘砂， 合 适 的 涂 料 透 气 性 范 围 是 2 . 5 ~ 6 . 0 cm4·g - 1· min - 1［6］。所以只有涂料 5 的透气性能满足消失模铸 造生产要求。 2.4 生产浇注试验
1 试验材料及方法
1.1 试验材料 共用 3 种石英粉耐火骨料，其粒形均为多角形，粒
度集中在 0 . 075 mm 左右，粒度分布见表 1。膨润土为 四川盐亭钠质膨润土，其吸蓝量为 39，使用前两天，将 其调制成膨润土浆，并加入膨润土量 3% 的 Na2CO3。 聚乙烯醇（PVA）使用前在沸水中熬煮成 10% 胶体水溶 液。羧甲基纤维素钠（CMC）使用前 24 1 配制成 5% 的 水溶液。载体为自来水。
石英粉 3
23 . 00 49 . 30 15 . 20 7 . 50 4 . 00
1.2 试验方法
文中拟定了表 2 中 5 种涂料，每种涂料均用 S460
型碾轮式混砂机制成膏状，然后在自制搅拌机中加入
适量水搅拌成液体涂料，膏状涂料混制工艺如下：
干混 10 min
粉状干 料
" 加入各种液体悬浮剂、粘结
涂料的透气性 ! 如图 2 所示。涂料 5 的透气性 明显高于涂料 1 ~ 4，其常温透气性达 3 . 76 cm4·g - 1· min - 1。涂料 1 ~ 4 的透气性基本上一致，其常温透气 性均在 0 . 4 ~ 0 . 7 cm4·g - 1·min - 1之间。尽管涂料透气 性相差较大，但均先随温度 t 升高而降低，在 400 C 或 700 C时达最低点，然后再随温度的升高而增加。
涂料 2 98
10 . 75
涂料 3 100 16 . 80
涂料 4 100 16 . 22
涂料 5 100 18 . 60
2.2 涂料的流变性 图 1 是涂料的流变曲线，5 种涂料均为有屈服值
的假塑性流体。所有涂料用钠质膨润土和 CMC 作悬 浮剂，膨润土颗粒在高度分散状态下呈片状，片状颗粒 平面上 一般带负电荷，边棱部分带正电荷，正负电荷
涂料的透气性先随温度的升高而降低，然后再随
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重庆大学学报 （自然科学版）
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图 2 涂料的透气性
温度的升高而升高，这主要由以下几方面的作用共同 作用的结果。第一，随温度的升高石英粉由于热膨胀 和相变导致其体积增加。300 ~ 1 100 C 时，石英粉的 热膨胀系数为 3 > 10 - 5。石英粉在 573 C 发生!- 石 英!"- 石英相变，其线膨胀率为 4 . 5 > 10 - 3。此外，石 英粉还会发生#- 磷石英、!- 磷石英、"- 磷石英以及 !- 方石英、"- 方石英之间的相变，这些相变都会导致 石英粉的体积膨胀［5］。耐火骨料体积膨胀后，骨料排
涂料 3 与涂料 4 的差别在于含有的无机粘结剂不 同，涂料 3 含有 4% 的膨润土用作无机粘结剂与悬浮 剂，而涂料 4 只含有 1 . 5% 的膨润土作悬浮剂，无机粘 结剂用水玻璃。由于膨润土粉充填于耐火骨料之间， 骨料间的孔隙通道截面积减少，这样涂料 3 的透气性 比涂料 4 低。
涂料 1 与涂料 5 组成上唯一差别在于耐火骨料的 粒度分布不同，石英粉 1 的粒度分布较分散，而石英粉 3 的粒度相对集中。粒度集中的石英粉 3 组成的涂料 5 的骨料之间的孔隙较大，透气性也较高，涂料 1 由于 石英粉的粒度分布分散，耐火骨料排列致密，骨料间孔 隙小，其常温至 1 000 C的透气性均低于 1 . 0 cm4·g - 1· min - 1。涂料 2、3、4 的耐火骨料石英粉 2 的分布也比 较分散，尽管它们的粘结剂组成不同，但透气性与涂料 1 几乎一致，这说明耐火骨料的粒度分布是决定涂料 透气性高低的关键性因素。
2 试验结果与分析
2.1 涂料的强度与悬浮率 钠质膨润土和 CMC 作复合悬浮剂，涂料有优良的
悬浮性。涂料 2 的悬浮率为 98% ，而其余均为 100% 。 涂料 2 的干强度明显低于其余 4 种涂料，只有其余 4 种的 60% 左右（见表 3）。涂料 2 用水玻璃与白乳胶作 粘结剂。白乳胶（聚醋酸乙烯乳液）其 pH 值为 4 ~ 6， 呈弱酸性，而钠水玻璃有很强的碱性，其 pH 值为 11 ~ 13，因此两者易发生化学反应。膏状涂料 2 在搅拌机 中搅拌时，涂料液表面有黑色的油状物质生成。即白
黄光胜 等： 消失模铸造水基涂料的研制
表 2 涂料配方
%
编号
石英粉 1 石英粉 2 石英粉 3
膨润土
水玻璃
白乳胶
PVA
1
100
4
2.5
2
100
1.5
2.5
2.5
3
100
4
3
4
100
1.5
2.5
3
5
100
4
2.5
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CMC 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
用!30 mm 的带磨口量筒（刻度为 0 ~ 100 mm）测 定涂料悬浮性，静置时间为 24 1。涂料干强度测定为： 从 1 000 mm 高处加铁丸冲击泡沫塑料上的约 1 mm 厚 的涂料壳层，以冲出白点为终止条件，涂料强度用铁丸
相吸引，使 膨 润 土 颗 粒 在 溶 液 中 形 成 立 体 网 状 结 构； CMC 的主链上带有许多强极性的亲水基团，基团之间 可借助 于 氢 键、静 电 引 力 和 范 德 华 力 相 结 合，从 而 CMC 高分子链间形成立体网状结构。在低剪切应力 下这种结构只稍变形而不被破坏，这使得涂料具有一 定的屈服值［1，4］。
涂料，在搅拌机中加入适量水搅拌成液体涂料，然后测其性能。研制出的涂料，配方为：石英粉 100%，膨
润土 4% ，白乳胶 2 . 5% ，羧甲基纤维素钠（CMC）0 . 5% ，以及其它附加物，其中石英粉要求粒度分布相对
集中。该涂料成本低且具有优良的工艺性能，特别适用于球墨铸铁件的消失模铸造生产。
关键词：消失模铸造；涂料；透气性；流变性