消失模涂料高溫強度及耐急熱性試驗研究

楊明磊

（山東冶金機械廠有限公司鑄造公司，山東淄博 255064）

試驗研究

消失模涂料高溫強度及耐急熱性試驗研究

楊明磊

（山東冶金機械廠有限公司鑄造公司，山東淄博 255064）

為解決鑄件夾砂問題，設計不同配比的涂料對其進行高溫強度及高溫抗裂性能試驗，結果表明，鈉基膨潤土的加入量越大，CMC和有機黏結劑加入量越小，試樣高溫強度越高；鈉基膨潤土的含量越高，涂料高溫抗裂性能越好，適宜的加入量為2.8%～4%；CMC加入量控制在3.5%左右涂料才可獲得較好的高溫抗裂性能。

消失模涂料；高溫強度；耐急熱性；鈉基膨潤土；懸浮劑CMC

1 前言

與傳統的砂型鑄造相比，消失模鑄造工藝生產的鑄件尺寸形狀精確，重復性好，鑄件的表面光潔度高；不合箱、不取模，大大簡化了造型工藝；采用干砂造型，落砂容易；可在理想位置設置合理形狀的澆冒口，減少了鑄件的內部缺陷；負壓澆注，更有利于液體金屬的充型和補縮，提高了鑄件的組織致密度。從生產組織而言，易于實現機械化自動流水線生產，生產線彈性大，可在一條生產線上實現不同合金、不同形狀、不同大小鑄件的生產；簡化了工廠設計，固定資產投資可減少30%～40%，占地面積和建筑面積可以減少30%～50%，動力消耗可減少10%～20%［1］。

基于上述優點，山東冶金機械廠采用消失模鑄造工藝生產篦條鑄件取得了較好效果，產量達到鑄件總產量的30%～40%，但生產過程中也暴露出夾砂等鑄造缺陷。為此，對消失模涂料的高溫強度及耐急熱性進行研究，找出影響因素，進行改進，以解決鑄造生產中的夾砂問題。

消失模涂料涂覆于模樣表面，可以起到以下作用：第一，提高模樣剛度和強度，防止模樣變形；第二，是澆注過程中液態金屬與干砂間的隔離介質，要同時保證模樣分解產物（液體或氣體）順利排逸到鑄型中，防止產生氣孔、炭黑等缺陷。

2 試驗設計

2.1 高溫強度試驗

因需要進行高溫加熱，且須保證加熱后涂料仍能很好地附著于基體，經過多次對比嘗試，確定基體材料為鑄造用耐高溫玻璃纖維過濾網，其基本參數如下：工作溫度850℃，持續工作時間10 min，常溫抗拉強度＞60 N/4根，發氣量＜30 cm3/g，網孔尺寸1.0 mm×1.0 mm。

基體尺寸為100 mm×150 mm。本試驗要求的涂層厚度為2.5 mm，因為一次涂掛不能滿足厚度要求，共進行了兩次涂掛與烘干。

根據鑄造生產中暴露出來的粘砂現象分析，粘砂部分與鑄件本體結合處寬而不規則，為澆注時涂層被金屬液沖刷破損所致。為盡可能接近生產實際，設計了以下試驗方法，通過測量涂料層經受高溫后的抗沖刷能力，來反映其高溫強度。

試驗前，將制備好的涂料試片經電阻爐加熱至800℃進行高溫處理（加熱溫度過高，會使試片強度偏低不易進行厚度測量）。為防止加熱過程中基體與涂料層分裂，制定圖1所示的加熱曲線。

圖1 強度試驗試樣加熱曲線

將粒徑為0.212 mm的標準石英砂自500 mm高處連續不斷地沖刷經高溫加熱后的涂層，沖刷時間為2 min。試片傾斜固定于底座之上，與水平面呈45°夾角。傾斜固定是為了保證沖刷部位在沖刷過程中始終是裸露的、固定的。用千分尺依次測量沖刷后試片被沖刷部位的厚度。

2.2 耐急熱性試驗

按照40 mm×40 mm×10 mm的尺寸制備白?；w，采用電阻絲切割方法切割成型。根據配方順序確定的編號，每種編號準備5件白?；w，將混制好的涂料按浸涂法均勻涂刷其表面，涂刷厚度控制在1.5 mm，進行烘干。

分別將烘干后的試樣快速放入恒溫1 380℃的電加熱爐中進行加熱，1 min后取出，記錄各編號涂料狀態：裂紋數量、裂紋寬度、分布情況。

3 試驗結果及分析

3.1 高溫強度試驗結果及分析

涂料配比及沖刷部位厚度見表1。涂料骨料為0.058 mm石英粉（100%）；防腐劑福爾馬林的加入量均為0.1%，消泡劑正丁醇的加入量均為0.04%，有機物白乳膠的加入量均為3%，其他0.2%。表中序號1～6所用的一種黏結劑為變性淀粉，序號7～12所用的一種黏結劑為糊精。

表1 涂料強度試驗樣本配比及結果

分別對樣本中的4種變量進行分析可知，鈉基膨潤土的加入量越大，試樣強度越高，適宜的加入量為2.8%～4%；懸浮劑CMC和有機黏結劑糊精、變性淀粉加入量越大，試樣強度越低，CMC加入量一般為2%～3%，糊精和變性淀粉的加入量一般在1.8%左右。

3.2 耐急熱性試驗結果與分析

試驗樣本1～6主要考察懸浮劑CMC對涂料耐急熱性能的影響，樣本7～12主要考察黏結劑鈉基膨潤土對涂料耐急熱性能的影響，配比及試驗結果見表2。涂料骨料為0.058 mm石英粉（100%），防腐劑福爾馬林0.1%、消泡劑正丁醇0.04%、有機物白乳膠3%、其他0.2%不變；黏結劑之一變性淀粉（糊精）含量均為3%。

消失模涂料在高溫金屬充型前后直至金屬液表層結殼的較短一段時間內受熱作用所起的變化，尚缺乏有針對性的研究，作為生產廠家，也不具備先進儀器及分析手段進行研究。但是在長期的消失模鑄件生產過程中，也發現了一些與之相關的規律：消失模涂料強度越高，其在高溫下抗開裂的能力也就越強，另外懸浮劑在涂料中的質量分數對這一性能有著較大的影響。

表2 CMC及鈉基膨潤土對涂料耐急熱性能的影響

CMC的碳化溫度為252℃，在經過高于此溫度后，其分子組織發生變化，常溫下形成的網狀組織遭到破壞，由此對涂料產生如下影響：強度降低，退讓性增大，傳遞力的能力相應減小。這一影響與CMC在涂料中的添加量有關。因此，當涂料中CMC含量越少，其經高溫時強度降低越少，組織間結合力相對越大，快速加熱時，由于膨脹產生的應力不易及時釋放，導致各相鄰區域相互拉扯，產生較為細密的裂紋。相反，如果涂料中CMC含量較多，受熱后強度降低較大，組織間結合力較小，膨脹應力不易傳遞，靠疏松組織的間隙就可將其釋放。試驗結果表明，CMC的加入量在3.5%左右可獲得較好的高溫抗裂性能。

優質鈉基膨潤土的相關物理參數：耐溫300℃，具有良好的熱穩定性；熔點1 330～1 430℃［2］。在經＞1 330℃的高溫后，鈉基膨潤土熔融，溫度降至熔點后，重新凝結互聯，保證了涂料在經過高溫后仍保持較高的強度。涂料中鈉基膨潤土的含量越高，這種作用越明顯，其高溫抗裂性能越好。因此，涂料的耐急熱性會隨著鈉基膨潤土含量的增高而增大，當其含量超過4%時，涂料即具有很好的高溫抗裂性能。

3.3 實用配比

依據生產實踐及試驗結果確定了兩種涂料配比，配比一應用于鑄鋼件，骨料為0.058 mm石英粉（100%）；配比二應用于鑄鐵件，骨料為0.048～0.053 mm石英粉（100%）。其余組成物配比見表3。

表3 實用涂料組成物質量分數%

4 結論

4.1 鈉基膨潤土的加入量越大，試樣高溫強度越高，適宜的加入量為2.8%～4%。

4.2 懸浮劑CMC和有機黏結劑糊精、變性淀粉加入量越大，試樣的高溫強度越低，CMC加入量一般為2%～3%，糊精和變性淀粉的加入量一般在1.2%～1.8%。

4.3 涂料中的懸浮劑CMC含量過多或過少都不利于涂料的高溫抗裂，加入量在3.5%左右可獲得較好的高溫抗裂性能。

4.4 涂料中鈉基膨潤土的含量越高，其高溫抗裂性能越好。當其含量超過4%時，涂料即具有很好的高溫抗裂性能。

4.5 確定了兩種分別用于鑄鋼件和鑄鐵件的實用涂料配比。

［1］王登嶺.二十一世紀鑄造新工藝—消失模鑄造（EPC）［J］.山東農機，1998（3）：9.

［2］謝明師.鑄造手冊—造型材料［M］.北京：機械工業出版社，1992.

Research on High-temperature Strength and Spalling Resistance of EPC Coatings

YANG Minglei

（Shandong Metallurgical Machinery Factory Co.,Ltd.,Zibo 255064,China）

In order to solve the problem of casting sand,the EPC coatings with different ratio were designed,and their high-temperature strength and spalling resistance were tested.The experimental results shown that:the more addition amount of sodium base bentonite and the less addition amount of CMC and organic binder the coating has,the higher the high-temperature strength of the test pieces are;the higher content of sodium base bentonite the coating has,the higher the spalling resistance of the coating are.And the 2.8%to 4%of dosage is suitable.When the additional amount of CMC content is 3.5%,better spalling resistance of the coating can be obtained.

EPC coating;high-temperature strength;spalling resistance;sodium bentonite;suspending agent

TG223

A

1004-4620（2015）01-0034-02

2014-11-28

楊明磊，男，1975年生，2009年畢業于哈爾濱工業大學機械工程專業，工程碩士?，F為山鋼集團山東冶金機械廠有限公司鑄造公司經理，工程師，從事鑄鋼、鑄鐵工藝制定和鑄造生產過程控制工作。