刘子利
3.1.2 涂料的种类与组成
3.1.2.1 涂料的种类
消失模铸造用涂料的种类根据所用粘结剂的性质通常分为水基涂料、醇基涂料、树脂涂料等三种。 水基涂料是指其粘结剂以水为溶剂，常用的粘结剂多种多样，如聚乙烯醇、CMC、水玻璃等。水基涂料一般厚度较大（0.5~2mm），其强度也较醇基高，但是水基涂料的透气性一般较差，一般在水基涂料中需要加入少量的发泡剂。涂层烘干后，发泡剂在涂层中会产生大量的毛细孔，气化模分解产生的气体就是由这些毛细孔排出。 醇基涂料与树脂涂料的干燥速度较快，又称之为快干型涂料。快干型涂料中通常不需要加入发泡剂，涂层的透气性主要依靠涂料中的粘结剂或溶剂的挥发而产生。快干型涂层比水基涂层薄，所以其透气性也较好。水基涂料与快干型涂料各有特，其特点对比见表3-1。
表3-1水基涂料与快干型涂料的比较
| 涂层厚度 | 干燥工艺 | 涂层强度 | 塑料保鲜盒涂挂性 | 溃散性 | 气体处理透气性 |
水基涂料 | 1~2mm | 600C 左右烘干 | 高 | 一般 | 差 | 较好 |
快干涂料 | 0.5~1mm | 晾干 | 较差 | 好 | 好 | 较好 |
| | | | | | |
水基涂料中含有大量的毛细孔而对高温液态金属产生毛细吸力作用，使涂层清理时溃散性差，容易产生铸件粘砂现象。但对于水基涂料可以增加厚度而使涂层强度升高；醇基涂料防粘砂、针刺功能好，但其强度低。
这里需要注意的是，长期以来在铸造生产中通常有两种不正确的认识，一是过分强调涂料的透气性好坏，认为水基涂料的透气性差；二是认为醇基涂料虽然方便快捷但成本高昂，事实并非如此。
大量的实践表明，铸型中的气体能否迅速排除是涂层透气性、涂层厚度、真空度、型砂粒度等因素共同作用的结果。水基涂料与快干涂料相比，在相同厚度的条件下其透气性相差无几，更本不可能对消失模铸造工艺产生显著的影响。其次，虽然醇基涂料中原材料成本
高，但其涂层比较薄，涂料用量少而且不必专门烘干、铸件清理方便，所以其综合成本反而比水基涂料要低。
对于厚大铸件、重要零件或某些关键部位，将这两种涂料结合起来使用效果很好，即内层用醇基涂料（≤0.5mm）而外层使用水基涂料。有时可以将这两种涂料交替使用，涂覆多层，铸件的防粘砂效果也十分理想。
3.1.2.2 涂料的主要组成
涂料的基本成分是耐火材料、粘结剂和溶剂。有时为了改进涂料的某些性能，也可以加入一些特殊添加剂。比如，为了提高其透气性，可以加入少量的发泡剂。
(1)耐火材料
涂料的性能主要决定于耐火材料，而其它成分仅起粘结、分散、悬浮和助溶剂等辅助作用。一般选用耐火度高、烧结点适当、热膨胀系数小、不被金属及其氧化物润湿、来源广和价格低的耐火材料。耐火材料的品种很多，消失模铸造通常选用以下四种耐火材料。
a.锆英粉 主要成分是ZrO2、SiO2，即正硅酸锆。它的耐火度高，是目前用于消失模铸造最好的一种抗粘砂材料。浇注铸钢件和大型铸铁件时多采用这种耐火材料，可以减少铸件的清理工作量，获得表面光洁的铸件。
b.石英粉 主要成分是SiO2。由于石英粉在不同的温度条件下具有不同晶型转变，使其发生体积改变，从而降低了它的使用价值。一般用来浇柱中小铸铁和铸铝、铸铜件等有金属。由于消失模铸造目前主要用于中小件，所以石英粉应用比较普遍。
c.氧化铝 氧化铝即刚玉粉，主要成分是Al2O3。它也是一种性能优良的耐火材料，可用来浇注铸钢件和大型铸铁件。
d.石墨粉 石墨粉是铸铁生产中广泛作用的耐火材料之一，具有很高的耐火度，但易氧化。它的热膨胀系数很低，一般在50×10-7以内。
另外，在南京航空航天大学的大量实践中有时也采用碳化硅粉体作为铸造高温合金用耐火涂料的骨料，其抗高温性能和防粘砂性能均十分理想。
不同铸件材质，所用的耐火填料种类不同。如铸钢常用砂料、棕刚玉粉、热铝矾土粉、石
英粉；铸铁常用石英粉、鳞片石墨、土状石墨、滑石粉；铸铝常用滑石粉、土状石墨等。
耐火材料的粒度太粗，涂料的悬浮稳定性差，铸件表面粗糙度大，但涂层透气性高；粒度太细，浇注时涂层容易产生裂纹，涂层透气性低。不同粒级的耐火骨料适当配合，可提高涂料的密度，减少涂层的收缩而提高抗龟裂性能。耐火材料的颗粒配级，要根据涂料的透气性和涂挂性等性能来综合考虑，一般在120~200目范围内调整。
(1)不同耐火填料制成的涂料的常温与高温透气性的比较。
选用同一粒度(150目)的锆英砂、棕刚玉、铝矾土以及石英砂，分别按同一配方配制涂料，测试涂层的常温与高温透气率。
结果表明，无论是常温或高温透气率，铝矾土涂料的透气性最高，其次是石英砂和棕刚玉，锆英砂涂料的透气率最低。造成不同耐火填料的涂层透气率不同的原因主要有填料粒度、表面状况、涂料干燥与收缩特性等。
(2)不同耐火填料粒度的对比。
将棕刚玉粉筛分出五种不同粒度：100目、150目、200目、250目以及>250目，配制出五种粒度不同的涂料以比较粒度对涂料透气性的影响。实验结果表明，耐火填料的粒度对涂层的常温与高温透气率的影响比较显著。耐火骨料的粒度越粗，透气率越高。因此，在保证涂料具有一定的悬浮性、涂挂性以及保证铸件光洁度的情况下，尽量采用粒度较粗的耐火填料配制涂料。
因此，在配方设计上，除保证涂料具有较好的悬浮性、涂挂性、干燥强度以及耐火度外，尽可能提高其常温与高温透气率。
表3-2 常用耐火骨料的某些性能
耐火 材料 | 熔点 (℃) | 氧化气氛中的 使用温度(℃) | 密度 (g/cm3) | 自救手环热膨胀系数 α | 导热系数 (W/m.K) |
氧化铝 | 2015 | 1980 | | 80×10-7(20~1580℃) | 2.39 |
石英粉 | 1728 | 1680 | 2.32 | 30×10-6(300~11000C) | 1.59 |
锆英粉 | 2470 | 1870 | 4.6 | 55×10-7(20~12000C) | 2.1 |
| | | | | |
表3-3 消失模铸造用石墨的性能
类别 | 牌号 | 固定炭（%） | 灰分 （%） | 挥发分（%） | 水分 （%） | 粒度 （≮%） |
鳞片石黑 鳞片石墨 土状石墨 土状石黑 | ZZL84-1 ZZL78-1 ZZT84-1 ZZT79-2 | ≥84 ≥78 ≥84 ≥79 | ≤14.5 ≤20.5 ≤13.5 ≤19.0 | ≤2.2 ≤2.7 ≤3.4 ≤3.5 | ≤0.5 ≤0.5 ≤2.0 ≤2.0 lm5117 | 90%通过100目筛 90%通过100目筛 90%通过200目筛 90%通过200目筛 |
| | | | | | |
注：表中的鳞片石墨即铸造车间常称的白铜粉，土状石墨为黑铜粉。
(2)粘结剂和溶剂
作为悬浮稳定剂使用的膨润土和有机高分子化合物等都能起到粘结剂作用，但因其加入的量受到限制，要达到涂层需要的强度还需另加粘结剂。常用的粘结剂大致分为无机和有机两大类。
①无机粘结剂 如膨润土、水玻璃、硅溶胶、磷酸盐、硫酸盐等。
②有机粘结剂 如糖浆、纸浆残液、水溶或醇溶树脂、聚醋酸乙烯乳液(乳白胶)等。
消失模铸造用涂料中可同时加入有机、无机粘结剂。
不损害泡沫塑料模型是消失模铸造用粘结剂和溶剂的基本要求。对于丙酮等强极性溶剂对聚苯乙烯有强烈的溶解作用，不能轻易选用。可以作为聚苯乙烯泡沫塑料用的粘结剂主要有纸浆废液、糖浆、羧甲基纤维素（CMC）、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、水玻璃等。
(3) 悬浮稳定剂
悬浮稳定剂是使涂料具有悬浮稳定性和适当流变性能的材料。
①水基涂料的悬浮稳定剂 这类稳定剂主要有钠基膨润土或活化膨润土。膨润土与某些有机高分子化合物一起使用，效果会更好。常用的高分子化合物有羧甲基纤维素钠(CMC)、聚乙烯醇、糖浆、木质素磺酸钙等，最常用的是羧甲基纤维素钠(CMC)。
② 醇基涂料的悬浮稳定剂 此类稳定剂常用的有聚乙稀醇缩丁醛(PVB)、有机改性膨润土、钠基膨润土和锂基膨润土等。
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(4) 分散介质
①水基涂料用水作为分散介质，一般用自来水即可。水的硬度(即水中碳酸盐含量)对涂料性能有影响，一般可不予考虑。如果水的硬度大到对涂料性能产生影响时必需更换。
②醇基涂料的分散介质，常用普通工业酒精。
(5) 添加剂
是指为改善涂料的某种性能而添加的少量物质。如防止涂料中有机物质腐坏变质而添加少量的防腐剂；为改善涂料的润湿性，消除涂料制备过程产生的气泡而添加少量的消泡剂；用以增加涂料的渗入深度而添加少量的渗透剂等。
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