熔模铸造水玻璃面层涂料的配制与管理

潘玉洪

1 引言

熔模铸造面层涂料的质量，国内外熔模铸造工作者做了大量的实验研究，提出了一些新的控制方法；然而，现场又是如何控制的呢？

实际上生产车间操作工配置水玻璃型壳的面层涂料时有两种方法：

一是按照工艺规定：在磅秤上事先称量水玻璃和石英粉的重量，边搅拌水玻璃边加入石英粉，加入全部石英粉后再加入适量的添加剂并搅拌30分钟，静置1～2分钟；用粘度计检测其粘度。

二是操作工凭借经验：操作工不称量水玻璃和石英粉的重量，直接把水玻璃倒入涂料桶，边搅拌水玻璃边加入石英粉，认为差不多时，用粘度计检测粘度；根据测量的粘度再适量添加水玻璃或石英粉，再加入适量的添加剂并搅拌30分钟，静置1～2分钟；粘度在工艺范围就可以了。

影响面层涂料质量的主要因素有哪些？上述配置涂料的方法是否合理？生产中如何配制面层涂料？生产中如何控制和管理涂料，稳定涂料的质量？为此，笔者做了大量的验证实验。

2 影响涂料粘度的因素

2.1 水玻璃的粘度

水玻璃的粘度与其模数、比重和温度有关，为此，做了如下的三组实验。

实验一

【实验目的】

探讨水玻璃模数与粘度的关系。

【实验条件】

选用四种不同模数的水玻璃。

水玻璃的比重d=1.28；

T=14℃；

粘度计：V=100ml，φ=6mm。

【实验过程和结果】

用粘度计分别检测四种不同模数水玻璃的粘度，结果见表1和图1。

【实验分析】

在水玻璃的比重和温度相同的情况下，水玻璃的粘度随着模数的增加而提高。

实验二

【实验目的】

探讨水玻璃比重与其粘度的关系。

【实验条件】

选用六种不同比重的水玻璃；

水玻璃的模数M＝3.2；

T＝13℃；

粘度计：V＝100ml，φ＝6mm。

【实验过程和结果】

用粘度计分别检测六种不同比重水玻璃的粘度，结果见表2和图2。

表2 水玻璃比重与其粘度的关系

图2 水玻璃比重与其粘度的关系

【实验分析】

在水玻璃的模数和温度相同的情况下，水玻璃的粘度随着比重的增加而提高。

实验三

【实验目的】

探讨水玻璃温度与其粘度的关系。

【实验条件】

选用六种不同温度的水玻璃；

水玻璃的模数M＝3.4；

水玻璃的比重d＝1.28；

粘度计：V＝100ml，φ＝6mm。

【实验过程和结果】

用粘度计分别检测六种不同温度水玻璃的粘度，结果如表3和图3。

表3 水玻璃温度与粘度的关系

图3 水玻璃温度与粘度的关系

【实验分析】

在水玻璃的模数和比重相同的情况下，水玻璃的粘度随着温度的提高而降低。

【实验小结】

综上所述，水玻璃的粘度与其模数、比重和温度有关；并且随着模数和比重的增加而提高，随着温度的升高而降低。

2.2 石英粉

涂料粘度与加入石英粉的粒度、粒度分布、粒形以及含水量等因素有关；为此，笔者做了如下三组实验。

实验一

【实验目的】

探讨石英粉粒度与涂料粘度的关系。

【实验条件】

水玻璃模数M=3.2，d=1.28；

T=14℃；

配比为1：1.15；

使用200目、240目和270目三种筛；

粘度计。

【实验过程与结果】

选用同一产地、不同批次的3种石英粉（270目），按照水玻璃：石英粉=1：1.15配置涂料，搅拌30分钟后，静置1～2分钟，用粘度计检测3种涂料的粘度，结果如表4。

表4 石英粉粒度与涂料粘度的关系

【实验分析】

同样是270目的石英粉，其粒度越细，粘度越高。

实验二

【实验目的】

探讨石英粉的粒度分布对涂料粘度的影响。

【实验条件】

选用不同产地、商品目数均为270目的7种石英粉；

水玻璃M=3.4；d=1.28；

配比为水玻璃：石英粉=1：1

T=22℃；

粘度计。

【实验过程与结果】

选用上述7种石英粉，都用270目筛过后（条件所限，无法准确检测其中具体的粒度分布）再按照上述配比，配置7种涂料，分别搅拌30分钟后，静置1～2分钟，用粘度计检测其粘度；结果见表5。

【实验分析】

表5 石英粉的粒度分布与涂料粘度的关系

目前国内的生产条件还不能人为地控制石英粉的粒形和粒度分布，尽管商品目数相同，配置的涂料粘度仍然差别很大。生产中应事先验证、再选用合适的石英粉。

实验三

【实验目的】

石英粉的含水量对涂料粘度的影响。

【实验条件】

选用商品目数为270目、人为调配不同含水量的3种石英粉；

水玻璃M=3.4；d=1.28；

配比为水玻璃：石英粉=1：1

T=21℃；粘度计。

【实验过程与结果】

选用不同含水量的3种石英粉，按照上述要求配置3种涂料，分别搅拌30分钟后，静置1～2分钟，用粘度计检测其粘度；结果见表6和图4。

表6 石英粉的含水量与涂料粘度的关系

图4 石英粉的含水量与涂料粘度的关系

【实验分析】

从上述实验中可以看出：石英粉的含水量≤1%时，对涂料粘度的影响很小；含水量＞1%时，影响很大。所以一般工艺规定石英粉的含水量≤1%。

国内有的企业为了改善生产工人的劳动条件，经过事先计算，将水加到石英粉中再配置涂料；然而也有个别的企业是随意添加的，从而降低了型壳的质量和强度。

据资料介绍：在体积粘度相同时，球形粒子的有效流体体积较小，故粘度较小；片状、棒状及其它不规则形状的粒子，有效流体体积增大，粘度增大。

2.3 配比

为了探讨涂料配比对涂料粘度的影响，笔者做了如下的实验。

【实验条件】

选用水玻璃的M=3.4；4种不同比重的水玻璃；

T=14℃；

四种不同配比；

粘度计。

【实验过程和结果】

用4种不同比重的水玻璃与8种不同配比，配置27组涂料。分别搅拌30分钟后，用粘度计检测其粘度，结果如表7和图5。

【实验分析】

表7 涂料配比对涂料粘度的影响

图5 涂料配比与涂料粘度的关系

从图5可以看出：

（1）随着配比的增加，涂料粘度提高；当配比＞1.0后，涂料粘度呈指数增加；

（2）配比相同时，涂料粘度随着水玻璃比重的增加而提高；当配比＞1.0后，涂料粘度提高特别显著。

2.4 温度

为了探讨涂料温度对涂料粘度的影响，做了如下的2组实验。

实验一

【实验目的】

涂料温度对涂料粘度的影响。

【实验条件】

选用水玻璃的M=3.4；d=1.28；

270目的石英粉；

恒温水浴，温度计；

粘度计。

【实验过程与结果】

用上述水玻璃与石英粉配置涂料。分别搅拌30分钟后，静置1～2分钟，放在恒温水浴中；用温度计检测涂料温度与恒温水浴的温度一致时，再用粘度计检测其粘度。

【实验结果】

实验结果见表8和图6。

【实验分析】

从上述实验可以看出：涂料温度对涂料粘度的影响很大，随着涂料温度的提高，涂料粘度很快降低。

实验二

【实验目的】

在涂料粘度一定的条件下，涂料温度对涂料配比的影响。

表8 涂料温度与涂料粘度的关系

图6 涂料温度与涂料粘度的关系

【实验条件】

水玻璃M=3.4；d=1.28；

270目石英粉；

恒温水浴，温度计；

粘度计。

【实验过程和结果】

在13℃时，按照水玻璃:石英粉=1∶1.0的配比，往水玻璃中边搅拌、边加入石英粉；搅拌30分钟、静置1～2分钟，再检测涂料粘度为55秒。

把装有上述涂料的玻璃杯放在恒温水浴（温度调整为28℃）中，用搅拌器搅拌涂料。检测到涂料温度为28℃时，保温5分钟，再检测涂料粘度为42秒；即随着涂料温度的提高，粘度降低。

又实验：在13℃时，按照水玻璃:石英粉=1∶0.8的配比，往水玻璃中边搅拌、边加入石英粉；搅拌30分钟、静置1～2分钟，再检测涂料粘度为41秒。

【实验分析】

通过上述实验可知：如果生产中配置涂料仅仅依靠检测涂料粘度，那么在涂料粘度相近（41～42秒）时，在28℃，其配比为1∶1.0；而温度在13℃，其配比只有1∶0.8。

再实验：

【实验目的】实验涂料粘度相近、配比不同，对型壳表面质量和铸件表面质量的影响。

【试验过程】

选用上述两种涂料，即涂料粘度相近（41～42秒）时，在28℃，其配比为1∶1.0；而温度在13℃，其配比只有1∶0.8；

把员工分为两个组，全部手工制壳。一组员工利用生产线现有的涂料（13℃，配比为1∶1.0）制壳，一组员工利用保温桶内的涂料（28℃，配比1∶0.8）制壳；均制出5组型壳，做好标识，分别存放；其余制壳过程完全相同。

每种浇注3组型壳。浇注后使用喷砂机专人、单独喷砂、检验，结果见表9。

表9 检验结果

【试验分析】

涂料配比为1∶1.0的型壳表面和铸件表面质量都满足要求；而涂料配比为1∶0.8的铸件表面有很多的金属刺（见图7）；型壳表面残留着很多的“蚁孔”（见图8）和“蠕孔”（见图9）。

图7 金属刺

2.5 搅拌涂料

涂料是由粘结剂和耐火材料组成的胶体——悬浮液。配置涂料时的搅拌可以加速两者之间的润湿，并排除粉料粒子间吸附的气体等，使涂料趋于均匀；从而获得比较稳定的涂料配比/比重和粘度。

与搅拌因素有关的是：搅拌速度和搅拌时间。为此，笔者做了如下的实验。

图8 型壳内表面残留的“蚁孔”

图9 型壳内表面残留的“蠕孔”

实验一

【实验目的】

探讨配置涂料时，搅拌速度对涂料粘度的影响。

【实验条件】

水玻璃M=3.2；d=1.30；270目石英粉；

配比为水玻璃:石英粉=1:1.20；

生产使用的搅拌机；

粘度计。

【实验过程和结果】

在8℃时，按照水玻璃:石英粉=1:1.20的配比，往水玻璃中边搅拌、边加入石英粉；采用两种搅拌速度，搅拌30分钟、静置1～2分钟，再检测，涂料粘度见表10。

【实验分析】

表10 搅拌速度与涂料粘度的关系

在其它条件不变的情况下，搅拌速度对涂料粘度有影响；涂料粘度随着搅拌速度的提高而降低。

实验二

【实验目的】

探讨不同配比的涂料，搅拌时间对涂料粘度的影响。

【实验条件】

水玻璃M=3.2；d=1.30；

270目石英粉；

涂料配比为水玻璃：石英粉分别为1:1.0；1:1.10；1:1.15和1:1.20。

生产使用的搅拌机；

粘度计。

【实验过程和结果】

在8℃时，按照水玻璃与石英粉的4种配比，往水玻璃中边搅拌、边加入石英粉；搅拌30分钟，静置1～2分钟，再检测，涂料粘度见表11和图10。

表11 涂料的搅拌时间与涂料粘度的关系

图10 涂料的搅拌时间与涂料粘度的关系

【实验分析】

在其它条件不变的情况下，搅拌时间对涂料粘度有影响；并且，涂料粘度随着搅拌时间的延长而降低。2～3小时后，涂料粘度趋于稳定。

2.6 添加物

为了降低粘结剂和粉料的界面张力，使粉料更好的润湿和分散，降低硅酸溶胶的自发凝聚能力，使涂料粘度较为稳定，以及改善涂料的涂挂性和再分散性而往涂料中加入适量的添加物：农乳、洗涤剂（也有加入JFC）。

笔者做了如下实验：

【实验条件】

水玻璃M=3.2；d=1.30；

270目石英粉；

配比为水玻璃：石英粉分别为1:1.0；1:1.10；1:1.15和1:1.20；

农乳；洗涤剂；

生产使用的搅拌机；

温度计；粘度计。

【实验过程和结果】

在不同的温度下，按照水玻璃与石英粉的4种配比，往水玻璃（M=3.2；d=1.30）中边搅拌、边加入石英粉（270目）；同时加入农乳0.05%和洗涤剂0.25%，搅拌30分钟、稍微静置1～2分钟，再检测，涂料粘度见表12。

表12 添加物对于涂料粘度的影响

【实验分析】

涂料中加入农乳0.05%和洗涤剂0.25%后，对涂料粘度的影响较大；当涂料配比≥1.0后，其粘度下降9～10秒。

2.7 存放时间

【实验目的】

探讨配置涂料后，存放时间对涂料粘度的影响。

【实验条件】

水玻璃M=3.2；d=1.30；T=18℃；

270目石英粉；

配比为水玻璃：石英粉=1:1.0；

生产使用的搅拌机；

粘度计。

【实验过程和结果】

在18℃时，按照水玻璃:石英粉=1:1.0的配比，往水玻璃中边搅拌、边加入石英粉；搅拌30分钟、静置1～2分钟，检测涂料粘度；再分别静置20小时、50小时和80小时，检测涂料粘度，见表13和图11。

表13 涂料存放时间与涂料粘度的关系

图11 涂料存放时间与涂料粘度的关系

【实验分析】

在其它条件不变的情况下，涂料存放时间对涂料粘度有影响；并且，涂料粘度随着存放时间的延长而升高。

据资料介绍：配置涂料后存放8～12小时其性能较佳，也称涂料的回性时间；存放7天后性能下降，型壳试样的常温强度比新鲜涂料降低约1/3。

2.8 其它因素

涂料粘度还与其水分蒸发、受环境污染程度等因素有关。

综上所述：由于涂料为一种不均匀、不稳定的多成份体系，在生产中只控制涂料粘度是不恰当的；应该在确定涂料合理配比和合适使用温度的条件下，再确定涂料的粘度范围。

3 检测面层涂料质量的方法

3.1 制定标准

3.1.1 配比/比重

涂料配比与涂料比重有着比较稳定的关系。因此，在生产中用检测涂料比重的方法来评价涂料的配比。涂料比重直接影响到型壳的面层质量、强度和透气性；因此，检测涂料比重就作为控制涂料配比和涂料质量的重要基础数据。

（1）比重：当水玻璃M=3.0～3.4，d=1.26～1.30，石英粉为270目时，水玻璃:石英粉=1:1.0时，其涂料比重在1.74～1.78g/cm3的范围内为宜。

（2）温度

温度对涂料粘度影响很大，一般控制在20～35℃为宜。

3.1.2 粘度

在原材料稳定、涂料使用温度和搅拌条件一定的条件下，粘度能体现配比；当配比＞1.0时，涂料配比对涂料粘度的影响非常大。

粘度影响到涂料的涂挂性和流动性，因此粘度应控制在一定的范围内。比较合理的做法是：在确定涂料的配比和使用温度的前提下，涂料的粘度一般以20～45秒为宜。

3.2 检测方法与过程

3.2.1 检测器具

天平（称重能力为1kg，精确到1g）；

三角烧杯（容积≥250ml，容积越小计算涂料的误差越大；容积太大，实验时不方便；以容积为250～350ml为宜）；

量筒（容积1000ml）；

粘度计（V=100ml，φ6mm）；

塑料杯或玻璃杯若干；

秒表；

温度计等。

3.2.2 检测过程

（1）确定三角烧杯的标准容积V

先称量三角烧杯没有装涂料时的重量P1，再往空杯中加入水（蒸馏水），使烧杯中的水平面刚好与杯沿齐平，再称重（往烧杯中反复添加3次，取其3次重量的平均值）P2，则烧杯的标准容积V

取蒸馏水的比重为1g/cm3

（2）确定烧杯中涂料的重量P

当涂料搅拌均匀后，静置1～2分钟；立即用塑料杯或玻璃杯把涂料倒入三角烧杯中，使烧杯里的涂料与杯沿齐平，放在天平上称量总重或涂料重量（往烧杯中反复添加涂料3次，取其称重后的平均值）。涂料重量P=总重Q-烧杯重量P1，即

（3）涂料比重d

（4）用粘度计和温度计分别测出涂料的粘度和温度，并做好数据的记录。

3.2.3 举例

为了便于生产中使用，笔者进行实验，结果见表14，并由此绘制了一条曲线（见图12），只要称量出涂料重或总重（涂料+烧杯的重量），由表14和图12就可以直接查出被检测的涂料比重（实验用的三角烧杯重P1=70g，至杯沿的标准容积V=305ml）。

4 涂料的配制与管理

4.1 涂料的配制

4.1.1 事先称量法

将事先称量好的石英粉缓慢地加入到不断搅拌的水玻璃（事先称量）中，加完粉料后继续搅拌30分钟；此时的涂料比重会稍大点，再按工艺规定补加农乳或JFC，达到预先规定的标准容积后再搅拌一定的时间（视涂料的多少而定），静置1～2分钟，检测涂料的比重、粘度和温度。

表14 涂料比重与涂料重量的关系

图12 涂料比重与涂料重量的关系

4.1.2 习惯操作法

据《习惯的力量》一书介绍，人们每天高达90%的行为是出自习惯的支配。或者说，人们每天做的事情几乎都是习惯支配的。可想而知，改变习惯是何等之难。

在配置涂料时，有那么多人已经形成了习惯。是否可以在这些习惯的基础上找到一条办法，既符合面层涂料的质量要求，又可延用现有的习惯做法呢？

4.2 涂料的调整

笔者先在“实验室”里按照自己的思路继续实验。

配置涂料时不称量水玻璃和石英粉的重量，而是边搅拌水玻璃边加入石英粉。这种方法，可能使涂料的配比忽高忽低，则用下述方法予以调整：

（1）用水玻璃降低涂料的比重，加入量为P水，把配置的涂料放在天平上称量总重或涂料重量（Q-P1），则涂料的比重为

将温度计插入装满涂料的烧杯中测量涂料的温度，记录数据。

要求调整后的涂料重量d0（V+P水/d水），等于调整前涂料的重量d1V加上补加的水玻璃重量P水，即

式中d0——调整后的涂料比重

V——涂料的容积

P水——水玻璃加入量，kg

d水——水玻璃比重，g/cm3

d1——调整前的涂料比重

（2）用石英粉提高涂料的比重，同理

式中P石——石英粉加入量，kg；

d石——石英粉的比重，取2.62g/cm3，其余用公式（5）。

4.3 举例

从公式（5）、（6）中可以看出：当预先确定V、d0、d水、d石后，只要测出d1就能计算出P。

某厂使用的水玻璃比重为1.26～1.28，计算时取d水=1.27。涂料预先规定的容积V=105升，d0=1.76g/cm3，为了便于生产，通过表15和表16分别绘制了两条曲线，只要测出d1就能从图13中找出补加水玻璃的重量P水，使涂料比重下降到规定的范围。同理，从图14中找出补加石英粉的重量P石，使涂料比重提高到规定的范围。

例如：实测d1=1.84，则从图13中可以查出：需补加28 kg的水玻璃能使涂料的比重下降到d0=1.76。

表15 实际比重与补加水玻璃重量的关系

图13 实际比重与补加水玻璃重量的关系

表16 实际比重与补加石英粉重量的关系

图14 实际比重与补加石英粉重量的关系

如果实测d1＝1.67，则从图14中可以查出：需补加28 kg的石英粉能使涂料的比重上升到d0＝1.76。

这样就使配料和调整工作大大简化，有利于生产的实际操作。

4.4 使用与管理

（1）涂料是一种不均匀、不稳定的多成份体系，影响涂料粘度的因素很多，生产中只控制涂料粘度是不恰当的，无法保证涂料、型壳以及铸件的质量。

（2）生产中应该在确定涂料合理配比和合适使用温度的条件下，再确定涂料的粘度范围；为此,应该使用涂料桶保温，以保证涂料的质量。

（3）每天工作之前，应检测涂料比重。在工艺规定的范围内，并酌情适当地调整，以获得优质的涂料质量。

（4）为了保证涂料的分散性、悬浮性，生产中应采用二次搅拌，即：配料时使用高速搅拌，使用时采用低速搅拌。

（5）涂料在使用过程中，不宜一次配置过多，应该边使用边补加。如果涂料的粘度上升，是因水玻璃结膜，则捞出水玻璃结膜补加适量的水玻璃，是因水分蒸发，则补加适量的水。

（6）实际比重与补加石英粉或水玻璃重量的关系曲线，使配料和调整工作简化，有利于生产中的实际操作。

5 结论

（1）面层涂料是一种不均匀、不稳定的多成份体系，面层涂料的质量直接影响型壳的面层质量、透气性，以及铸件的表面质量。

（2）对影响面层涂料质量的诸因素，如水玻璃、石英粉、配比、温度、搅拌、添加物，以及存放时间等进行了多次反复实验，认为影响面层涂料质量的三项关键因素：配比、温度和粘度，三者之间有着密切的关系。

（3）提出了在生产中如何配制面层涂料、检测涂料质量，以及有效的管理途径。

（4）建议使用《涂料卡片》，记录有关的工艺参数，为以后完善工艺提供可靠的依据。

（5）本文对加固层涂料同样有着现实的指导意义。

[1]第三届国际熔模精密铸造会议文集翻译小组.第三届国际熔模精密铸造会议文集[M].北京：国防工业出版社，1978.

[2]李庆春等.熔模精密铸造涂料控制[J].北京：国外航空技术（材料、热处理类），1981（3）.

[3]全国铸造学会特种铸造及有色合金学组.第一届年会熔模铸造论文集[J].1981.