大型铸件消失模铸造用涂料的研究及应用

李世成1，孙国彦2，李三渠2，李玲1，姜正义3，尹绍奎1，周静一1
（1. 沈阳铸造研究所，辽宁沈阳110022；2. 北方重工工程成套分公司，辽宁沈阳110025；3. 中国石油吉林石化电石厂，吉林省吉林市132002）

随着我国装备制造业的迅速发展，特别是航空、航天、汽车、电子和军工等领域，对零件的结构提出了薄壁轻量化、大型精密化和结构复杂化的要求。而目前主要是采用锻坯机加工的办法来制造这种零件，从而，导致其制造成本高，生产周期长，材料消耗多，严重限制了这类产品的应用和发展。因而人们希望能够采用近净成形的精密铸造工艺来制造这类大型、精密铸件，而被誊为21世纪最有发展前途的近净成形的铸造工艺———消失模铸造是一个首选的方案。消失模铸造技术（Evaporative Patten Casting，简称EPC）作为一种先进的铸件近净成形方法，由于铸件尺寸形状精确，重复性好，旧砂再生回用容易等优点，特别是目前由于木材的巨大消耗，传统砂型用的木模费用昂贵，使得单件或小批量的大型铸件的生产向消失模铸造方向发展。这不但可省去昂贵的木模费用，而且便于操作，能缩短生产周期、提高生产效率。所以，近年来在世界上得到了迅速的发展和广泛的应用。但是，由于高密度的泡沫塑料高温分解后的发气量很大，所以消失模铸造采用的模样为低密度的泡沫塑料，刚性和强度都很低。将它用于生产大型、薄壁、精密的铸件时，在操作过程中模样的变形、损坏直接影响着铸件的精度和该工艺的应用。利用高强度涂料则是有效减少模样变形的重要途径[1]，而如何提高涂料的高温透气性和强度就成为大型铸件消失模铸造的关键技术之一。

1 消失模涂料的作用
一般来说，消失模涂料的主要作用如下。
（1）隔离作用。覆盖在泡沫模样表面的涂层，防止金属液渗入砂型而产生机械或化学粘砂，同时，防止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。提高泡沫塑料模样的强度和刚度，防止模样在运输、造型和负压紧实时的变形或损坏。
（3）排气作用。多孔的涂料层能让泡沫塑料受热分解的大量气体或液体等产物，在负压下顺利地通过干砂排到大气中[2]，保证浇注过程的顺利进行，并减少或防止铸件产生气孔或表面增碳等缺陷。模样表面的涂层同时起到保温作用，避免铸件产生浇不足、冷隔等铸造缺陷。
因此，大型铸件消失模铸造用的涂料，与一般砂型铸造用的涂料相比，具有很多的独特性能，除了应具有一般砂型铸造涂料所要求的工艺性能外（如悬浮性、流变性、抗裂性等）还要具备良好的涂挂性、流淌性、透气性和强度等性能[3]。所以，开发大型、复杂、薄壁、精密的消失模铸件专用涂料，对推动消失模铸造向薄壁轻量化、大型精密化和结构复杂化的优质铸件方向发展，有着十分重要的作用。本文根据大型铸件消失模铸造及消失模涂料的作用特点，从涂料的配方、涂料的性能及涂料的涂敷等方面对大型铸件用消失模涂料进行了研究。

2 涂料的配制
消失模涂料一般均由耐火材料、粘结剂、悬浮剂、溶剂、添加剂配制而成。
2.1 耐火材料
为了提高消失模涂料的高温透气性，本试验选择的部分耐火骨料粒形为球形[4]，粒度较粗且集中，其中球形耐火骨料粒度为140~200目，加入量为20%~40%；非球形耐火骨料粒度为200~270目，加入量为60%~80%。
2.2 粘结剂
选择丙烯酸酯胶粘剂作涂料的粘结剂，加入量为8%~10%，同时加入了3%的六偏磷酸钠高温粘结剂，保证涂层高温下的强度。
2.3 悬浮剂
选择钠基膨润土和少量的黄原胶配合使用，同时加入一种无机流变触变剂。这样分散细小的膨润土质点可以粘附在黄原胶的大分子链上，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合并而长大，可提高涂料的悬浮稳定性。无机触变剂的加入，能增强涂料的流变触变性，使涂料层在较厚的情况下也能保证涂料具有较好的涂刷流平性。
2.4 润湿剂
为了增加涂料的涂挂性，提高涂料与憎水塑料模样表面的亲和性和结合强度，消失模涂料必须添加一些表面活性剂———润湿剂，来改变塑料模样表面的憎水现象，使涂料与塑料模样之间具有较好的润湿性。一般选用吐温-80作为涂料的润湿剂，起泡较少且和缓作用效果较好。

3 涂料的主体配方及性能
3.1 涂料的主体配方
通过试验，配制了如下涂料进行性能测试及试验，配方如表1所示。
表1 涂料的主体配方

3.2 涂料的性能
涂料性能的测试结果如表2所示。其中2#涂料的透气性最差，3#、4#透气性最好，所以本试验选择了3#涂料进行了生产验证。

4 涂料的涂敷
当生产小型消失模铸件时，涂料的涂敷方式一般为浸涂。当生产大型消失模铸件时，由于泡沫塑料模样的体积大、密度小、浮力大等原因，操作时容易变形，所以，涂料涂敷方式一般采用流涂，既能保证达到一定的涂层厚度，又能获得较高的生产效率。本试验采用的涂敷方法为流涂，图1为消失模模样照片，图2为涂敷涂料后的铸件模样。流涂时其流涂杆头距流涂面约200 mm，与水平面的夹角为75°。通过试验，涂挂完涂料的模样强度和刚度都很好，高温浇注后，铸件尺寸精确、表面光滑，无气孔、缩松等铸造缺陷。

5 结论
采用部分球形耐火骨料，粒度较粗并且集中，添加适量的有机塑料微珠和较高含量的有机粘结剂，能大幅度提高涂料的强度和消失模模样的刚度，有效提高涂料层的高温透气性，满足大型、薄壁、高精度消失模铸件的生产需要。