消失模涂层起泡的形成原因及控制措施

高 敏，薛留虎，王张龙，高修启

（1.山东宏易城实业有限公司，山东济南 250108；2.山西省阳城县绿色铸造研发中心，山西晋城 048100）

消失模铸造是用可发泡聚苯乙烯（EPS）、可发泡聚甲基丙烯酸甲酯（EPMMA）或共聚料（STMMA）经过预发泡、熟化、二次发泡成型制成模片或模样，二次熟化后涂覆耐火材料涂层，通过适当的干燥工艺进行干燥，组装成模簇，放入砂箱，模样四周用干砂充填震实；在真空负压下浇注高温金属液使模样热解、气化“消失”并占据泡沫塑料模样所退出的空间，最终获得铸件的铸造工艺。不难看出，在整个消失模铸造工艺过程中，消失模耐火材料涂层发挥着极其重要的作用。

1 消失模铸造涂层的主要作用

1）浇注时在金属液与干砂之间形成隔离层，防止金属液渗入干砂中，以保证得到表面光洁、轮廓清晰、无粘砂的铸件。

2）提高泡沫塑料模样的强度和刚度，防止模样在搬运、填砂震实时破坏或变形。

3）泡沫塑料模热解、气化产物能通过涂料层顺利地排出或吸收，防止铸件产生气孔、积碳等缺陷。

4）具有合适的高温强度，能够抵抗高温金属液的动压力、静压力和真空负压引起的吸力。

2 消失模涂层起泡的特征

某离心铸管厂从事消失模铸造多年。主要生产各种异型管件、双承口直管、机械配件等。一段时间，在泡沫塑料模样涂覆耐火材料涂层后，干燥时涂层不同程度地起泡，其主要特征是：

1）消失模白模涂覆耐火材料涂层后，在干燥时涂层表面出现一些大小不一、分布没有规律的涂层凸起物，手指轻轻一压就破烂，涂层和白模之间形成了空洞。此种现象我们称之为涂层起泡如图1 所示.

图1 涂层干燥后表面起泡照片

2）在覆涂第二层涂料后干燥时出现涂层起泡比较严重，而涂覆第一层涂料后基本没有起泡现象。

3）涂层出现起泡时，并非形成薄膜气泡后自行破烂，而是局部涂层在干燥初期凸起后不破烂。干燥后期不再产生起泡。

4）只要涂层出现起泡缺陷，泡沫塑料模样内表面和外表面都同时在不同部位出现。如1500 mm长双承口直管产品出现起泡缺陷最多，严重影响了产品表面质量，给后加工工序带来了很大的工作量如图2所示。有些产品内腔起泡后，因后加工工序无法补救致使产品报废，如图3所示。

图2 铸件表面形成的多肉缺陷照片

图3 铸件端面多肉缺陷

3 涂层起泡的形成原因及控制措施

1）石英粉作为涂料的骨料，其颗粒尺寸及颗粒分布状况对涂料的性能有一定的影响。一般说来，粉料的颗粒越细则涂料的悬浮稳定性越好，涂层的烧结性能也会较好。可粉料越细，则所需的黏结剂越多，涂料中水分的含量就会越高。这不仅降低了涂层的高温透气性，而且严重影响了涂层在干燥时的透气性。涂层需挥发的水分，因涂层本身透气性降低，使涂层底部干燥时产生的水汽不能顶破涂层的张力及时排出，增加了涂层起泡的可能性。实践证明，石英粉料中≤300目的粉料含量控制在粉料总量的20%以下，可有效控制涂层起泡缺陷的产生。

2）在涂料组分中，悬浮剂种类、加入量对涂料在搅拌过程中的起泡性有很大影响，膨润土类的悬浮剂对涂料的起泡性大于其它黏土类。膨润土含量过高时往往使涂料中气泡沫细小分散，不易聚集上浮。塑料模样在浸涂时比刷涂、喷涂剪切速率小，涂料黏度降低少，涂料中细小分散的气泡沫没有及时排出而保存在涂层中。借着干燥时的温度，分散细小的气泡沫发生体积膨胀相互贯通，增加了涂层起泡的可能性。选择不易起泡的悬浮剂，在不影响涂料悬浮性能的前提下，适度降低膨润土的加入量，可有效控制涂层起泡的发生。

3）天然的或合成的有机高分子化合物配入涂料时，水溶液通常具有电解质性质，使得气泡沫带电，同性相斥可使气泡沫稳定性增高。CMC就是一种高分子阴离子电解质，对气泡沫有一定的稳定作用。故配有CMC的涂料在使用时需要静置一定时间使气泡沫析出后再使用，这样可有效控制涂层起泡。

4）塑料模样在成型时为方便起模在模具上有时涂有硅油。涂覆涂层前如果没有把模样上的硅油清理干净，严重时涂料涂挂不上，出现露白。轻微时，降低了涂料的润湿性。采用浸涂法施涂剪切速率小，涂料中因膨润土形成的水化膜及某些网状结构、高聚物溶液中无规则大分子线团没有被拆散，黏度较大，涂料像一块塑料膜一样把没有清理干净的模样表面覆盖，涂料与模样没有润湿的地方存有气体，在涂层干燥加热时容易起泡。清除干净模样表面的油污、在涂料中适度加入表面活化剂，都可有效预防涂层起泡。

5）同一涂料配方，同一批次配置的涂料在覆涂第二层涂料后出现起泡缺陷。但并非所有产品都出现起泡，仅有某种产品在干燥过程中出现涂层起泡。观察分析发现，结构简单、内腔较短的塑料模样在涂料中浸涂时间较短，涂层一般不产生起泡缺陷。相反则出现起泡缺陷。尽量缩短在涂料中的浸涂时间，加快施涂速度可有效预防涂层起泡。

6）某些产品结构比较复杂，内腔较深，浸涂方法施涂时涂料注入内腔距离长，浸涂速度难以加快，浸涂时间无法缩短，使得干燥了的第一层涂层又吸收大量水分。某些部位水分达到饱和状态。这就需要通过控制干燥工艺来避免涂层起泡。

7）控制涂层开始干燥的温度在30℃左右，降低初期的干燥速度，避免涂层表面干燥过快而影响内部水分向外扩散。

8）控制干燥室内的湿度，强制吹风加速气体的流动，迅速带去表面的游离水分，涂层内部与外表面在较小湿度梯度差下干燥。等涂层产生一定的湿强度后进入正常的干燥过程，这样可有效预防涂层起泡。

4 结论

1）消失模涂层起泡是多种原因形成的，有时某种原因起着主导作用。有时则是多种原因的综合作用所致。

2）采取对症的工艺技术措施，消失模涂层起泡是可以避免的。