消失模塗料對消失模樹脂砂工（gōng）藝的影響

1．簡介 

  消失模鑄造（又稱實型鑄造（zào））是一種近乎無餘量、   成形的鑄造工藝。   份關於該技術的於1958年發表(Shroyer，1958)，但其發展和應用還是在近二十年（nián），廣泛用於（yú）鑄鋁、鑄鐵及鑄鋼，尤其是在大批量生產（chǎn）諸如汽車和船用發動機缸（gāng）體缸蓋等零（líng）件時顯示出其優（yōu）越性。 

    消失模鑄（zhù）造是將與（yǔ）鑄件（jiàn）尺寸形狀相似的泡沫模型，塗刷耐火塗料並烘（hōng）幹後，埋在幹砂中振動造型，然後澆注，高溫液態金屬使模型液化和氣化，並占據原泡沫模型的位（wèi）置（zhì），凝固冷（lěng）卻後形成鑄件。由（yóu）於其故有的特點（diǎn），該方法（fǎ）獲得的鑄件（jiàn）表麵光潔度遠高於常用的傳統的粘土砂鑄造和砂型鑄造，不需（xū）要製芯，不用分型，砂不用粘接劑，清理容易，鑄造環境好，可用於鑄造諸（zhū）如複雜的發動機缸體缸蓋並給予產品設計   多的自由（yóu）度。消失模鑄造技術，工藝過程控製複雜，對於原輔料要（yào）求嚴格，如耐火塗料的使用（yòng）就是（shì）其中很關鍵的一（yī）環。本文將（jiāng）探討耐火塗料在消失模鑄造過程中的作用、要求、成分設計、性能（néng）及其（qí）與結構（gòu）的關係（xì）等。 

2．金屬/泡沫模（mó）型/塗料/型砂的界麵反應 

    消失模鑄造用耐火塗料是（shì）介於泡沫模型和砂之間的一道屏障，在（zài）澆注過程中，耐火塗料是液態金屬/泡沫模型/塗料/型砂這整個係統中的一環，因此充分理解這整個係統的在澆注過程所發生的（de）一係列反應有助於理解塗料在（zài）消（xiāo）失模鑄造工藝（yì）中的（de）作用及性能要求。關於消失模鑄造澆注過程中金屬填充的機理一（yī）直是一（yī）項熱點。 

    當液態金屬流入而接觸到泡沫模型的一瞬間，泡沫（mò）的融化和分解就開始了（le），模型被融解而（ér）金屬（shǔ）填充留（liú）下的空腔。在流動的金屬和模型之間（jiān）有一段間隙，充滿了泡沫中原有的空氣及泡沫融化和分解的（de）產物(Bates et al., 2001)。泡沫的融化和分（fèn）解產（chǎn）生的碳（tàn）氫化合物中既有液體也有氣體，其成分隨溫（wēn）度變化而不同（tóng）(Kobzar and Ivanyuk, 1975; Tseng and Askeland,1992;)，這（zhè）些液體和氣體   以特（tè）定的速度被塗層吸收並部分（fèn）或全部進（jìn）入外圍的砂子（zǐ）中。在鑄鋁時，鋁液融化EPS，液態的分解產物被推至空（kōng）腔壁也就是塗層附近，在達（dá）到的溫度後液態的分解（jiě）產物會潤濕塗層，並在塗（tú）層溫（wēn）度升至325°C到400°C之間時隨即滲（shèn）入塗層；如果塗料的透氣性適當，當溫度繼續上升時EPS可以被氣化分解（jiě）而透過塗層進入砂子（zǐ）中(Sun et al.,1992) 。由於鑄鋁時溫（wēn）度不（bú）是（shì）非常高，在（zài）金屬澆注停止後液態的分解（jiě）產物潤濕並（bìng）滲入塗層的過程仍會繼續（xù）。塗料的透氣性（xìng）應（yīng）該（gāi）設計適當以便空氣及泡沫分解（jiě）產生的氣體在液態的分（fèn）解產物潤濕並覆蓋整個塗層之（zhī）前被排放出去從而避免產生（shēng）鑄（zhù）造缺（quē）陷（xiàn）(Sun et al.,1992)。在（zài）鑄鐵時，溫（wēn）度   高（gāo），EPS被融化產生的氣體   多（duō）而液體   少，因此在（zài）金屬/塗層界麵的液態分解產物會較少而需要通過塗層排出的氣體增（zēng）多。液態金（jīn）屬的流動性及充滿型腔的過程在很大程度上（shàng）取決與分解產物的排放(Fu et al., 1995) ，在鑄鋁的溫度下，液態分解產物的排放是關鍵；在鑄鐵和鋼（gāng）的溫度下，氣體產物的逸出則   重要。由此可見塗層在消失模鑄造過程（chéng）中（zhōng）起作控（kòng）製傳質和（hé）傳熱的雙重（chóng）作用。透過塗層傳質的過程中，液體和氣體分解產物的傳遞共同存在且相互竟爭，互相作用的（de）結果是影響和決定（dìng）了型腔充滿的機製和速度。如果液（yè）體分解產物過快地（dì）潤濕並覆蓋（gài）整個塗層，空（kōng）氣和氣體分解產物將會聚集在液態金屬和塗層之間，由此（cǐ）而產生的壓力會延緩金屬的流動，甚至可導致冷（lěng）隔 的產生。相反，如果氣（qì）體逸出塗層過快而液體分解產物潤濕和滲透入塗層太慢，金屬的流動會（huì）太快而將液體分解產物卷入流動的金屬液體中，   終（zhōng）將（jiāng）形成氣孔和表麵缺（quē）陷(Liu et al., 1997)。在塗層的另一麵（miàn）是砂子，在砂子注入和震實時塗層機械支持泡沫模型保護其（qí）不被壓縮變形或斷裂。在澆鑄過程中，塗層既承受來自砂子的（de）壓應力，同時還受到來自流動金屬及泡沫模型分解產生的氣體和液體的壓應力，盡管兩種壓力方向相反可以互相抵消一部分應（yīng）力，塗層仍應有足夠的強度承受熱衝擊和應（yīng）力並同時讓部分分解物逸出。透過塗層傳（chuán）遞而來的熱量和物質部分（fèn）進（jìn）入其（qí）周圍的砂子，砂（shā）子的溫度上升並有部分（fèn）分解產物殘留在砂子（zǐ）中（zhōng）(Fu et al., 1996)。 

3．消失模塗料的作用和功能 

    如上所述（shù），消失模塗料的作用在於支撐和保護泡（pào）沫模型、防止液態金屬滲入砂子和粘砂、吸收分解產物和讓分解氣體（tǐ）通過塗層、保持泡沫模型揮發後形成的型腔的完（wán）整、並保持（chí）液（yè）態金屬熱量不會很快散發。因此消失（shī）模塗料（liào）的使用可以（yǐ）降（jiàng）低鑄件（jiàn）表麵粗（cū）糙度，鑄件精度，減少或防止（zhǐ）鑄件粘砂、砂眼、氣孔、金屬滲透、冷（lěng）隔（gé）、澆不到、積（jī）碳等缺陷。所以消失模塗（tú）料應（yīng）具有（yǒu）足夠的耐火度、的機械強度、恰當的保溫和導熱性能、合適的透氣性和（hé）吸收液體分解產物的能力、光滑的表（biǎo）麵、足夠的塗刷性能、不與泡沫模型發生化（huà）學反應等。 

4．消失模塗料的成分（fèn）設計 

    消失（shī）模鑄造用塗料的基本成分包括耐火材（cái）料、載體、粘結劑、懸浮劑、劑、表麵活性劑、去沫劑等(Martinez, 1990) 。耐火（huǒ）材（cái）料是塗料的骨（gǔ）架，其耐熱性、強度及透氣性等從（cóng）而避免粘砂、毛刺等缺陷、獲得光滑表麵（miàn）。耐火材料一般是陶瓷粉末，種類選擇取決於澆注金屬種類、澆注溫度、零件厚度、造型砂的性能等。為（wéi）達到   佳效果，可以（yǐ）選擇同一種耐火材料但不同顆粒大小的粉末混用、或幾種不同種類不同顆粒形（xíng）狀和大小的陶瓷粉末混用（yòng）。常用的有二氧化矽、氧化鋁、鋯英石、鉻鐵礦、矽酸鋁等(Bates et al., 2001)。 載體（tǐ）則是調整（zhěng）塗料的粘度並將（jiāng）耐（nài）火材料（liào）塗上（shàng）泡沫模型且（qiě）有的厚（hòu）度所   的，對於（yú）消失模鑄造用（yòng）塗料來說一般（bān）是水，用酒精，不能（néng）用（yòng）其他可能與泡沫模型起化學反應的溶劑。粘結劑則將塗料內的各組分粘（zhān）結在一（yī）起並在塗刷時塗料粘結在（zài）泡（pào）沫模型的表麵，粘結（jié）劑多為一種或（huò）幾種粘結劑。粘結劑除了在塗料被烘（hōng）幹前塗料（liào）粘結在泡沫模型的表麵，還要在塗（tú）料被烘幹（gàn）後和澆注時為塗料（liào）提供的強度。懸浮（fú）劑的主要作用是與載體形成膠體從而將耐火陶瓷粉末懸浮起來，以塗料的流動性，防止固體顆粒的聚集和沉澱。劑控製和微生物在塗料中的生長，以防止塗料腐壞變質。表（biǎo）麵活性劑主要使塗料生產過程中固體顆粒   易被潤濕（shī）並使塗料在使（shǐ）用時   易潤濕泡沫模型表麵。去沫劑則用於使塗料生產和使用時不產生大量泡沫。為美觀和管理方便（biàn），塗料中（zhōng）還可加入顏料（liào）。各種組分可以有多種選擇，但需（xū）要注意的（de）是有些組分之（zhī）間會相（xiàng）互作用，有些組（zǔ）分會同時影響塗料的幾方麵（miàn）的性能（néng）。塗料的成分設計多是（shì）基於經（jīng）驗和大量（liàng）的（de）試驗，也（yě）有少量已發表的文獻觸及塗料的性能和組織結構的關係。 

5．消失模塗（tú）料的性能參數 

    消失模鑄（zhù）造用塗（tú）料的使用性能主要是熱性能（néng）和（hé）透（tòu）氣性，這兩項（xiàng）決定了其在澆注過程中的作用。在實際操作中則（zé）需要測量和/或控製其粘度、固體含量、透氣性、pH值等。隻有塗料的性能穩（wěn）定一致，才可消失模鑄造產（chǎn）品的質量。 

    粘度描述的是（shì）流動對於剪切力的反（fǎn）應，是衡量塗料的流動（dòng）性的一項重要（yào）指標，粘度雖然主要取決於塗料的成分，但（dàn）也受（shòu）攪拌過程的影響（xiǎng）。尤其是在塗料使用時塗料的粘度會根據需要調整（zhěng）到恰當（dāng）的範圍中，對於粘度的（de）測量（liàng）和監控尤為（wéi）重要。粘度的變化會影響到塗料的其他相關性能如固體含量、厚度及（jí）透氣性等，並進而影響鑄件（jiàn）質量。消失模鑄造用塗料一般是剪切稀釋，在塗料（liào）製（zhì）造過程中延長攪（jiǎo）拌時間會導致（zhì）粘度下降而透氣性相（xiàng）對穩定，在使用時塗料的粘度會隨（suí）著（zhe）攪拌時間的（de）延長而進一（yī）步下降，過度攪拌（bàn）還可能引起透氣性上升(Bambauer et al., 1996)。因此粘度的控製（zhì）尤（yóu）其重要。 

透（tòu）氣性直接控（kòng）製著泡沫融化和分解的產物逸（yì）出的速（sù）度，從而（ér）決（jué）定了液態金屬的流動速度，進（jìn）而決定了是（shì）否可以氣（qì）孔、冷隔、澆不到、積碳等缺陷的（de）產生。透氣性的直接測量對於塗料質（zhì）量控製尤為重要。由於塗料在高溫下使用，直接測量其在使用狀態下的透氣性很困（kùn）難，現有方法均為在常溫下進行。 

    現階段使用得比較廣泛的有兩種方（fāng）法，一種是由是由阿（ā）拉巴馬大（dà）學(UAB-Birmingham)發明的(Bates et al., 2001)，通（tōng）過測量在不同壓力下（xià）氣體流過（guò）覆蓋（gài）有塗料並烘幹的屏篩的量從而計算出塗層的透氣係數。另一種由GM的Kocan(1996)提出，直接使用原用於測量型砂透氣性的Dietert Perm-meter, 隻（zhī）是將試樣裝（zhuāng）夾台加以改裝以承載覆蓋有塗料並烘幹的屏篩，測量（liàng）氣體在固（gù）定（dìng）壓力下通過塗層的速度。GM法由於其方便   廣泛地應有於消失模鑄造生產廠家（jiā），雖然隻是一個半定量的方法，但其重（chóng）複性好（hǎo），已成功到用於生產廠質量控製（zhì）。但該方法未（wèi）考慮（lǜ）塗層的（de）厚度的影響，因此在實際生產中還需測量塗層的厚度並加以控製。實際表明，在塗料的可使用的粘度範圍內，使用GM法測得的透氣性值與（yǔ）塗層的厚（hòu）度的乘積幾乎不隨粘度變化而改變，因此在北（běi）美已開始采用（yòng）透氣性值與塗層的厚（hòu）度的乘積，也就是校正透氣（qì）性值(Normalized Permeability)，來作為質量控製參數並已被實踐證明可（kě）行。 

    一般在討論透氣性（xìng）時是指塗層的透氣性，在前麵的討論中可以看出，在消失模鑄造（zào）過程中（zhōng）透（tòu）氣性其實應該被放在金屬/泡沫模（mó）型/塗料/型砂這整個動態係統中來考慮, 塗層（céng）的透氣性隻（zhī）是這整個係統中的一部分(Martinez, 1990)。砂子種類、形狀和溫度的（de）改變、是否抽真空、泡沫模型性能的改變等都會引起這整（zhěng）個係統的透氣性的改變，並從而（ér）改變金（jīn）屬流動行為。在實際操作中，有時鑄造生產廠家希（xī）望通過改變塗層的透（tòu）氣性來補償（cháng）因其他工藝參數的變化而引（yǐn）起的這整（zhěng）個係統的透氣性的改變，但是單純改變（biàn）塗層的透氣性（xìng）有時並（bìng）不足以補償整（zhěng）個係（xì）統的透氣性的變化。 

    其他性能參數還包括固體含量、幹重和（hé）濕重、pH值（zhí）、BAUME等（děng）。塗層固體含量主要取決於耐火填料所占的比例，並影響到塗料的粘度（dù），塗料的固體含量的（de）高低與其抗（kàng）粘砂性緊密相（xiàng）關。幹（gàn）重和濕重易於操作，是對塗料的粘度和固體含量測量的一個補充。監控pH值的變化可以及時發現塗（tú）料中和微生（shēng）物的生長。Baume度的測量並不是一個很（hěn）準確的質量控製參數，尤其是對消（xiāo）失模鑄造用塗料（liào）而言。 

    塗料的導熱性能對於獲得   的消失模鑄件至關重要，導熱常數、比熱、熱膨脹係數等的測量多在（zài）塗料的階段而不是在使用過程（chéng）中（zhōng）進行。 

6．消失模塗料的性能和結構（gòu）的關係 

    對於消（xiāo）失模塗料的性（xìng）能和組分間（jiān）的關係（xì）已有很多的經驗和知識積累，在前麵已（yǐ）探討過（guò）。對於塗料的性能和結構的關係的理解則很有（yǒu）限，建立塗（tú）料的性能和結（jié）構的關係有助於新型塗料的和使用（yòng），並對消失模鑄造工藝控製提供（gòng）幫助。 

    早期的已觸及該方麵，Sun 等人(1992)已揭（jiē）示塗層的透氣性取決於塗料中顆粒大小及分布、形狀、以及氣孔的特征，其已（yǐ）顯示，一種主要由（yóu）接近圓形的、尺（chǐ）寸較大、大小分布較均勻的（de）氧化鋁顆粒構成的（de）塗料比另一種由不規則形狀的、尺寸較小、大小（xiǎo）分布不均勻的二氧化矽顆粒構成的塗料透（tòu）氣性   高。Chen 和 Penumadu (2005) 的（de）表明塗層中“氣（qì）孔”的大小和結構與塗層的透氣性緊密相關。Qi 等人（rén）(2005) 曾嚐試建立一個關於消失模（mó）塗料的結構模型以解（jiě）釋其

傳熱和傳（chuán）質的特征。鑒於其複雜性，對於消失模塗料的性能和結構的關係還有很多的工作要做。 

7．結語 

    消失模塗（tú）料是消失（shī）模鑄造中金屬/泡沫（mò）模（mó）型/塗料/型砂這個係統中的重要一環，塗料（liào）在鑄造過（guò）程中起到傳熱、傳質、控製（zhì）金屬（shǔ）流動性等作用，塗料的性能取（qǔ）決於其（qí）成分和結構，在實際應用中要根據 

實際工藝（yì）來有針對性地選（xuǎn）用或合（hé）適（shì）的塗料（liào）。