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涂料是消失模铸造的关键技术之一，也是制约消失模铸造技术大规模推广和技术进一步发展的瓶颈之一［１，２］。目前，铝合金消失模铸造工艺在我国尚不成熟，其主要问题之一是涂料技术不过关。长期以来，国内对铸铝件使用的涂料多与铸铁件通用［３］，在使用中存在的主要问题是涂料性能欠佳，涂料的抗流淌性不好，使用的涂料储藏时间短、透气性差和铸件表面质量不理想、内部不致密等［４］。随着铝合金消失模铸造产量日益增加，研制专用的铸铝涂料已成为当务之急。本课题研制了一种能满足消失模铸造生产要求、性能优良、成本低廉的铝合金消失模铸造水基涂料。
１ 试验材料
１．１ 耐火粉料
铸铝件的浇注温度低、金属液的热容量小，同时泡沫热解需要吸收大量的热量，因此对涂料的绝热性有很高的要求。若冷却过快，易导致浇不足和冷隔缺陷，所以试验选用保温性能好的硅藻土和滑石粉做耐火骨料。此外，滑石粉的绝热性可以控制铸件的凝固速度，并提高金属液的流动性［５］。滑石粉是一种复杂的含水硅酸镁，其分子式为３ＭｇＯ·４ＳｉＯ２·Ｈ２Ｏ，耐火度为１ ２００～１ ３００℃，密度为２．７～２．８ｇ／ｃｍ３，且成本低。硅藻土是一种绝热性好的耐火材料，属于生物硅质沉积岩，质软，呈多孔状结构，能隔热，吸附性好。它的主要成分是ＳｉＯ２，含少量Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＣａＯ和ＭｇＯ等，熔点为１ ６５０～１ ７５０℃范围内，密度为０．４～０．９ｇ／ｃｍ３。硅藻土和滑石粉的粒度为２７０～３２０目。
１．２ 悬浮剂
选用钠基膨润土和羧甲基纤维素钠（ＣＭＣ）作复合悬浮剂。钠基膨润土颗粒质点很小，水分子吸附在其表面，并进入晶层之间形成胶体质点，该质点在胶体溶液中形成空间网状结构，使膨润土浆具有屈服值，耐火骨料颗粒质点不易下沉。羧甲基纤维素钠（ＣＭＣ）按其粘度分为高、中、低３种，其中将中粘度的ＣＭＣ配成２％的水溶液，其粘度为（３００～６００）×１０－３ Ｐａ·ｓ，价格较低，来源丰富，因此被广泛的用作水基涂料的悬浮剂。ＣＭＣ与钠基膨润土配合使用，比单独用ＣＭＣ时更容易形成网状结构，明显提高涂料的屈服值，使涂料具有更好的悬浮性。
１．３ 粘结剂
涂料层的强度主要取决于粘结剂的粘结强度。消失模涂料层应兼具适宜的透气性和较高的涂层强度，因此采用高低温复合粘结剂。在水溶液中加入０．０１％～０．１％的聚丙烯酰胺（ＰＡＭ），便可获得很高的粘度，同时，ＰＡＭ 和膨润土质点之间有很强烈的吸附作用，使涂料具有很好的悬浮性［６］。但温度超过１２０℃会分解［７］，所以它做低温粘结剂，选择硅溶胶做高温粘结剂.
１．４ 其他组分
对于铝合金消失模铸造，涂料吸附液态聚苯乙烯的能力越强，越有利于减少铝铸件的孔隙率。研究发现，涂料组成中以凹凸棒土对涂料吸附性的影响最大，涂料中加入２％的凹凸棒土可以使涂料的吸附性提高８１％［８］。消失模水基涂料中加入２％的凹凸棒粘土可使涂料的流变性大为提高［９］。采用水为载体，ＯＰ－１０为表面活性剂，正丁醇为消泡剂。
２ 涂料性能的测试
（１）透气性 用测定型砂透气性的ＳＴＺ型直读式透气性测定仪测定，将试样筒稍加改进［１０］。在原有试样筒的一端蒙上一层１４０目的筛网，侧面接缝处用胶带纸封严。测定时，用毛刷将涂料刷在筛网上，涂层厚度控制在０．８～１．０ｍｍ 之间，经１２ｈ风干后，再放到ＳＴＺ透气性测定仪上测定其透气性，取３次测定结果的平均值。
（２）悬浮性 用１００ｍＬ量筒测定。将涂料装入量筒，至刻度１００ｃｍ为止，静置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砂（８０～１００目），直至擦破涂层露出泡沫为止，穿孔直径为１．０～１．５ｍｍ，称出落砂总质量，作为判断涂料层表面强度的质量指标［１１］。
（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 面积的泡沫浸入涂料中，然后垂直取出，任其滴淌，称取滴落涂料质量以表示其流淌性。
（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２４ｈ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。
３ 耐火骨料比例的确定
为了确定耐火骨料中各组分之间的最佳比例，进行３组试验，按照表１的配比配制涂料，并测定了３组涂料的各种性能，见表２。
从表２中试验数据可以看出，其他组分相同的情况下，不同比例的滑石粉和硅藻土组合所配制的涂料的性能有很大差距。首先，随着滑石粉加入量的增加，涂料的强度随之增大。第３组，即滑石粉占７０％、硅藻土占３０％的涂料强度最大。其次，第１组的透气性明显高于其他两组，第３组的透气性最小。这是因为硅藻土结构疏松多孔，会提高涂料的透气性，另外透气性可通过后期对粘结剂和悬浮剂的加入量来调节。再次，从涂挂性、悬浮性两组数据来看，第３组中涂挂性和悬浮性均好于前两组。综合对比分析，初步确定第３组试验中的耐火骨料配比为最佳骨料比例，即采用滑石粉７０％，硅藻土３０％。
４ 正交试验
透气性、悬浮性、涂层强度、附着量、吸着性是消失模铸铝涂料的基本性能指标。本课题参考文献［８］，在涂料中添加２％的凹凸棒土，能显著提高涂料的吸着性，同时文献［８］认为，硅藻土的含量对吸着性也有一定的影响。采用正交试验［１２］的方法只分析考查钠基膨润土、ＣＭＣ、ＰＡＭ、硅溶胶４种组分对这些性能的影响，以确定出最佳配比。因耐火骨料的最佳组合已经确定，正交试验只需要确定上述４种添加剂的最佳含量，采用４因素３水平。根据正交表的试验计划共进行了９次试验，并对各组配方进行性能测试，表３为因素水平表，表４为正交试验方案及结果，表５为正交试验及分析表，表６为极差分析表。
因素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 各有３个水平，同一因素在同一直列中有同一水平的试验３次，把同一因素的３次同一水平的试验结果相加，可以得出Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３等３组试验数据。算出各列的Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３值后，再将此数除以水平数３得到同一水平的平均值ｋ１、ｋ２、ｋ３，把各列ｋ１、ｋ２、ｋ３中的最大值减去最小值，所得结果就是相应列的极差，记作Ｒ。
极差Ｒ 反映了该列因素所选水平对指标的影响。极差越大，证明该因素对性能的影响越大。从正交试验的极差分析可以看出（见表６）：对涂料悬浮性的影响因素顺序为：ＣＭＣ＞ＰＡＭ＞钠基膨润土＞硅溶胶。对涂料透气性的影响因素顺序为：硅溶胶＞ＰＡＭ＞钠基膨润土＞ＣＭＣ。对涂料强度的影响因素顺序为：ＣＭＣ＞ＰＡＭ＞硅溶胶钠基膨润土。对附着量的影响顺序为：钠基膨润土＞ＣＭＣ＞硅溶胶＞ＰＡＭ。在涂料的４个主要指标中，悬浮性、透气性、强度、附着量都要求最大，因此应该选取ｋ１、ｋ２、ｋ３中悬浮性最大的水平，即Ａ１Ｂ２Ｃ２Ｄ１
或Ａ１Ｂ３Ｃ２Ｄ１；透气性最大的水平，即Ａ３Ｂ１Ｃ３Ｄ１；强度最大的水平，即Ａ１Ｂ２Ｃ２Ｄ３；附着量最大的水平，即Ａ１Ｂ３Ｃ１Ｄ３。
５ 最佳涂料配方的确定
通过正交试验，确定了５种组合。为进一步选择出最佳组合，将上述５种组合配成涂料进行性能测试，见表７。
从表７中试验数据可以看出第１组中透气性和悬浮性明显比其他４组好些，强度和附着量虽然不是最大，但与强度和附着量最大的第２组相差不大。在悬浮性、强度和附着性满足使用条件的前提下，优先考虑涂料的透气性。通过综合比较可知，第１组试验组合Ａ１Ｂ２Ｃ２Ｄ１为最佳配方，即：钠基膨润土为６％，ＣＭＣ为２．５％，硅溶胶为８％，ＰＡＭ 为０．５％，具体配比见表８。
６ 最佳涂料性能分析
对消失模铸铝来说，更要求涂料有良好的吸附性、涂挂性。本试验所用材料价廉易得，经成本核算，该涂料每吨成本约为２ ０００元，而国内同类商品涂料，每吨价格都在３ ０００元以上，因此该涂料如在生产中运用，将获得明显的经济效益。具体性能见表９。
７ 实验室验证
为了验证该涂料最佳配方在实际生产中的可行性，实验室自制长方体试样，涂敷涂料两遍后，在低于５０℃下干燥。涂敷涂料时采用了刷涂的方法，使涂层厚度在０．５～１．５ｍｍ之间，６００℃下进行浇注。浇注的模型、浇注后涂料的脱落状态见图１和图２。图３为涂料完全脱落后的铸件，铸件表面光洁、平整，棱角清晰，无粘砂，涂料呈片状易脱落，容易清理。
图１ 浇注模型
图２ 涂料未完全脱落铸件
图３ 涂料完全脱落后铸件
８ 结语
（１）以７０％滑石粉、３０％硅藻土为骨料与其他适量成分的组合所配制的涂料能满足消失模铸铝的要求。
（２）以钠基膨润土和ＣＭＣ做复合悬浮剂，以ＰＡＭ和硅溶胶做复合粘结剂所配制的涂料具有良好的粘度和悬浮性、优良的透气性、强度和涂挂性。
