大型復雜薄壁殼體件消失模鑄造涂料的應用研究

陳莉，包晟

大型復雜薄壁殼體件消失模鑄造涂料的應用研究

陳莉，包晟

一、概述

中國一拖集團有限公司自主研發(fā)的某大功率輪式拖拉機，其后傳動箱殼體不僅體積大而且結(jié)構十分復雜（見圖1），外形尺寸1050mm×925mm×750mm，鑄件實體體積約0.085m3，理論重量約615kg。

這個殼體件在此次試制中，采用了消失模鑄造技術，用此技術生產(chǎn)體積和重量如此大且結(jié)構又復雜的薄壁殼體件，目前已有的期刊、雜志中報道的較少。通過多次試生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)澆注后的鑄件存在以下3方面的問題：一是鑄件變形，造成鑄件尺寸精度難以保證；二是鑄件內(nèi)腔局部易形成鐵包砂，增加清理難度；三是鑄件表面有炭黑缺陷生成，造成鑄件加工過程中報廢。

引起上述鑄件缺陷的因素很多，但涂料在整個消失模鑄造過程中起著至關重要的作用，如果涂料本身配制不當，涂料性能差，不僅不能有效解決問題，反而會引起缺陷的產(chǎn)生。

（1）涂料的涂掛性差此次生產(chǎn)試驗用涂料為水基涂料，而后傳動箱殼體的白模是由聚苯乙烯泡沫塑料制成，不易被水基涂料潤濕、滲透，如果涂料的浸潤性不好、涂掛性差，涂料在白模表面掛不住或附著不好，一方面會造成模樣多次涂掛，而在多次涂掛、烘干過程中，使白模變形的傾向增大；另一方面會造成涂層厚度不均，甚至涂層不連續(xù)，白模局部暴露在外而引起粘砂缺陷。由于后傳動箱殼體白模（見圖2）外形尺寸大，浸涂時產(chǎn)生的浮力會造成模樣的折斷，所以白模的施涂采用噴涂和淋涂相結(jié)合的施涂工藝，這就對涂料的涂掛性提出了更高的要求。

（2）涂料的強度低后傳動箱殼體白模體積大、壁薄、密度小，整個白模不具備固有的剛度。涂料的常溫附著強度不高，容易造成模樣在烘干、搬運過程中涂層剝落和損壞，無法保證模樣在填砂和緊實過程中具有足夠的抗變形能力，造成變形；涂料的高溫強度不高，在高溫狀態(tài)下，無法防止金屬液澆注時和成形過程中對涂層的破壞，造成塌箱、粘砂等缺陷，從而無法保證鑄件尺寸精度和表面質(zhì)量；涂料的殘留強度不良，會造成澆注后涂層從鑄件表面清理不易。

圖1　后傳動箱殼體

圖2　后傳動箱殼體消失模模樣

（3）涂料的透氣性差由于試制件的材質(zhì)為HT250，生產(chǎn)試驗中，澆注溫度控制在1380～1430℃，而白模的材料為聚苯乙烯泡沫塑料，此種材料在1350 ～1550℃溫度區(qū)間，就開始急劇裂解，燃燒汽化，低分子聚合物迅速裂解，析出大量的氫和游離碳。如果涂料的透氣性差，大量的熱解產(chǎn)物無法通過涂層順利導出，就會造成鑄件產(chǎn)生氣孔；如果涂層無法吸附聚苯乙烯泡沫塑料燃燒時產(chǎn)生的殘余物，則鑄件

容易產(chǎn)生殘?zhí)紛A雜缺陷。

針對技術背景中由于涂料原因而造成的鑄造缺陷，著重從涂料配方的研制入手，同時探究涂料的混制工藝。

二、涂料配方的研制

1. 組成和選材

（1）耐火粉料消失模涂料對耐火粉料的選用有三個重要的要求：一是耐火粉料的粒度要偏粗，但過粗，涂料的抗粘砂性會受到影響，兼顧防粘砂和高透氣性，選擇粒度為0.08～0.071mm （180/200目）；二是耐火粉料的粒形越圓整越好，圓形的粉料具有良好的透氣性；三是耐火粉料對泡沫塑料模樣裂解產(chǎn)物要具有吸附能力。為了提高涂料的綜合性能，耐火粉料選擇了高鋁釩土熟料粉（粒度0.08mm）和云母粉（粒度0.071mm）。高鋁礬土粉為多孔結(jié)構，粒形圓整，能提高涂料的透氣性和對泡沫塑料裂解產(chǎn)物的吸附能力；云母粉從結(jié)構上看屬層狀結(jié)構硅酸鹽，具有耐熱、抗磨、絕緣性能，有良好的彈性和撓曲性，在涂料中加入一定比例的云母粉能提高涂層的覆蓋性、高溫透氣性、燒結(jié)性。

（2）粘結(jié)劑消失模涂料粘結(jié)劑是涂料的重要組成部分，它不僅賦于涂料強度和涂掛性，還影響涂料的透氣性、懸浮性。通常情況，將無機粘結(jié)劑和有機粘結(jié)劑組合使用，不僅保證涂層常溫和高溫強度，而且有效提高涂層透氣性。由于傳動箱殼體和變速器殼體的體積大、壁薄，為了保證涂層的剛度、強度以及涂層透氣性，選用了白乳膠、α淀粉和具有潤濕作用粘結(jié)劑RSF粉三種粘結(jié)劑按一定比例混合使用。尤其是RSF粉的選用，有效地提高了涂層的剛度、強度及涂層透氣性。

（3）載液其主要作用是使耐火粉料分散在其中，在消失模鑄造中，考慮到環(huán)保、施涂、烘干、發(fā)氣量及成本等多方面的要求，采用水作為載液，易使涂料獲得良好的懸浮性、涂刷性、不流淌性。

（4）懸浮劑涂料的懸浮性直接影響到涂料的涂掛能力和涂層質(zhì)量，同時也會影響到涂料的操作性能，由于耐火粉料的粒度偏粗，涂料黏度大，在配制涂料時，選用鋰膨潤土和凹凸棒土作為懸浮劑。鋰膨潤土和凹凸棒土在水中能形成立體網(wǎng)狀結(jié)構，兩者配合使用，對提高涂料的懸浮性，以及改善涂料的流變性和工藝性能有顯著效果。

（5）輔助添加劑主要有以下3種。

①消泡劑。用于消除涂料在生產(chǎn)過程中，隨著攪拌而形成的氣泡。

②表面活性劑。在涂料中加入少量的表面活性劑，主要目的是提高涂料對模樣的附著力，便于施涂。

③防腐劑。為了便于涂料存放和長期使用，涂料中加入一定量的防腐劑，能有效預防涂料在氣溫較高的季節(jié)發(fā)生霉變、變質(zhì)而喪失黏性。

2. 消失模鑄造涂料配方制定

通過反復試驗，不斷調(diào)整涂料中各組分的加入量，最終研制出了涂料的配方（見表1）。根據(jù)該配方，將配制的涂料進行了生產(chǎn)澆注試驗。

三、涂料性能研究

1. 涂料性能的測試方法

（1）涂料密度的測試采用100mL量筒稱量法測定涂料的密度。

（2）涂料懸浮穩(wěn)定性的測試采用100mL量筒測定6h沉積率的方法。

（3）涂料濃度的測試采用波美度計（生產(chǎn)現(xiàn)場用）。

表1　涂料配方

（4）涂層厚度的測試 將制好的泡沫塑料樣塊100m m× 100mm×12mm（最好從報廢的

白模上取），浸入混制好的涂料中10s，取出后放入50℃的電干燥箱中，經(jīng)過3h烘干，取出試塊，測量涂層厚度。

（5）涂層高溫透氣性和高溫強度測試采用華中科技大學研發(fā)的多功能性能測試儀。

2. 消失模涂料的性能

根據(jù)上述涂料配方，對試驗涂料性能進行測試，結(jié)果見表2。

四、涂料的制備工藝

多次試驗發(fā)現(xiàn)，涂料性能的好壞不僅與涂料配方有關，還與涂料的配制工藝有關，同一配方、不同配制工藝，對涂料的性能影響很大。要獲得工藝性能良好的涂料，制備工藝應保證觸變劑、粘結(jié)劑和溶劑充分分散，并與耐火粉料發(fā)生強烈吸附作用，使涂料各組分充分融合，使涂料具有良好的觸變性和涂掛性。

1. 涂料制備設備

高速分散攪拌機 、碾輪式混砂機。

2. 制備方法

（1）濕粉涂料的配制將稱量后的耐火粉料，倒入碾輪式混砂機中，混制5～10min后，再將粘結(jié)劑、懸浮劑和輔助添加劑順次倒入混碾機中，混制30～40min后，出碾裝袋待用。

（2）漿狀涂料的配制稱取定量的濕粉涂料，按照粉水比為1:0.6～0.7的比例，稱取定量的水倒入涂料攪拌桶，將涂料桶放在高速分散攪拌機下，開啟高速分散攪拌機，然后再加入稱量好的濕粉涂料，先高速（800～ 900r/min）攪拌40min左右，再低速(＜600r/min)攪拌2h，攪拌均勻后的涂料，放置24h，使其充分熟化，使用時可根據(jù)波美度要求再進行水分的調(diào)整。

五、澆注試驗

根據(jù)表1的涂料配方，按照涂料制備工藝，將配制好的漿狀涂料倒入自主研制的施涂裝置中，對白模進行施涂、烘干、造型、澆注，試驗情況見圖3、圖4、圖5。

六、結(jié)語

（1）在耐火粉料中加入適量的云母粉，涂料的涂掛性、懸浮性得到改善，模樣在施涂時，一次就可以獲得較厚的涂層，減少了模樣的涂掛次數(shù)，簡化了生產(chǎn)工藝；加入適量云母粉，在得到同樣涂層厚度的情況下，模樣涂掛涂料后的整體重量減輕，可有效保證模樣的剛度和強度；加入適量云母粉降低了鋁礬土粉涂料的燒結(jié)溫度，澆注后涂層易成片從鑄件上剝落，鑄件表面光潔。

（2）在涂料配方中，加入有潤濕作用的粘結(jié)劑RSF粉，涂料對泡沫模樣的附著力明顯增強，涂層的強度得到提高，對保證模樣的剛度和強度很重要。

（3）鋰膨潤土和凹凸棒土配合使用，按照針對消失模涂料制訂的混制工藝，經(jīng)驗證，涂料的懸浮性、觸變性及涂掛性等工藝性能顯著提高，對模樣施涂時，涂層厚度均勻，避免了由白模暴露在外而引起粘砂缺陷。

圖3　施涂裝置

圖4　施涂烘干后的傳動箱殼體模樣

圖5　后傳動箱殼體鑄件

表2　涂料性能

20150106

作者簡介：陳莉、包晟，第一拖拉機股份有限公司工藝材料研究所。