消失模涂料高温强度及耐急热性试验研究

杨明磊

（山东冶金机械厂有限公司铸造公司，山东淄博 255064）

试验研究

消失模涂料高温强度及耐急热性试验研究

杨明磊

（山东冶金机械厂有限公司铸造公司，山东淄博 255064）

为解决铸件夹砂问题，设计不同配比的涂料对其进行高温强度及高温抗裂性能试验，结果表明，钠基膨润土的加入量越大，CMC和有机黏结剂加入量越小，试样高温强度越高；钠基膨润土的含量越高，涂料高温抗裂性能越好，适宜的加入量为2.8%～4%；CMC加入量控制在3.5%左右涂料才可获得较好的高温抗裂性能。

消失模涂料；高温强度；耐急热性；钠基膨润土；悬浮剂CMC

1 前言

与传统的砂型铸造相比，消失模铸造工艺生产的铸件尺寸形状精确，重复性好，铸件的表面光洁度高；不合箱、不取模，大大简化了造型工艺；采用干砂造型，落砂容易；可在理想位置设置合理形状的浇冒口，减少了铸件的内部缺陷；负压浇注，更有利于液体金属的充型和补缩，提高了铸件的组织致密度。从生产组织而言，易于实现机械化自动流水线生产，生产线弹性大，可在一条生产线上实现不同合金、不同形状、不同大小铸件的生产；简化了工厂设计，固定资产投资可减少30%～40%，占地面积和建筑面积可以减少30%～50%，动力消耗可减少10%～20%［1］。

基于上述优点，山东冶金机械厂采用消失模铸造工艺生产篦条铸件取得了较好效果，产量达到铸件总产量的30%～40%，但生产过程中也暴露出夹砂等铸造缺陷。为此，对消失模涂料的高温强度及耐急热性进行研究，找出影响因素，进行改进，以解决铸造生产中的夹砂问题。

消失模涂料涂覆于模样表面，可以起到以下作用：第一，提高模样刚度和强度，防止模样变形；第二，是浇注过程中液态金属与干砂间的隔离介质，要同时保证模样分解产物（液体或气体）顺利排逸到铸型中，防止产生气孔、炭黑等缺陷。

2 试验设计

2.1 高温强度试验

因需要进行高温加热，且须保证加热后涂料仍能很好地附着于基体，经过多次对比尝试，确定基体材料为铸造用耐高温玻璃纤维过滤网，其基本参数如下：工作温度850℃，持续工作时间10 min，常温抗拉强度＞60 N/4根，发气量＜30 cm3/g，网孔尺寸1.0 mm×1.0 mm。

基体尺寸为100 mm×150 mm。本试验要求的涂层厚度为2.5 mm，因为一次涂挂不能满足厚度要求，共进行了两次涂挂与烘干。

根据铸造生产中暴露出来的粘砂现象分析，粘砂部分与铸件本体结合处宽而不规则，为浇注时涂层被金属液冲刷破损所致。为尽可能接近生产实际，设计了以下试验方法，通过测量涂料层经受高温后的抗冲刷能力，来反映其高温强度。

试验前，将制备好的涂料试片经电阻炉加热至800℃进行高温处理（加热温度过高，会使试片强度偏低不易进行厚度测量）。为防止加热过程中基体与涂料层分裂，制定图1所示的加热曲线。

图1 强度试验试样加热曲线

将粒径为0.212 mm的标准石英砂自500 mm高处连续不断地冲刷经高温加热后的涂层，冲刷时间为2 min。试片倾斜固定于底座之上，与水平面呈45°夹角。倾斜固定是为了保证冲刷部位在冲刷过程中始终是裸露的、固定的。用千分尺依次测量冲刷后试片被冲刷部位的厚度。

2.2 耐急热性试验

按照40 mm×40 mm×10 mm的尺寸制备白模基体，采用电阻丝切割方法切割成型。根据配方顺序确定的编号，每种编号准备5件白模基体，将混制好的涂料按浸涂法均匀涂刷其表面，涂刷厚度控制在1.5 mm，进行烘干。

分别将烘干后的试样快速放入恒温1 380℃的电加热炉中进行加热，1 min后取出，记录各编号涂料状态：裂纹数量、裂纹宽度、分布情况。

3 试验结果及分析

3.1 高温强度试验结果及分析

涂料配比及冲刷部位厚度见表1。涂料骨料为0.058 mm石英粉（100%）；防腐剂福尔马林的加入量均为0.1%，消泡剂正丁醇的加入量均为0.04%，有机物白乳胶的加入量均为3%，其他0.2%。表中序号1～6所用的一种黏结剂为变性淀粉，序号7～12所用的一种黏结剂为糊精。

表1 涂料强度试验样本配比及结果

分别对样本中的4种变量进行分析可知，钠基膨润土的加入量越大，试样强度越高，适宜的加入量为2.8%～4%；悬浮剂CMC和有机黏结剂糊精、变性淀粉加入量越大，试样强度越低，CMC加入量一般为2%～3%，糊精和变性淀粉的加入量一般在1.8%左右。

3.2 耐急热性试验结果与分析

试验样本1～6主要考察悬浮剂CMC对涂料耐急热性能的影响，样本7～12主要考察黏结剂钠基膨润土对涂料耐急热性能的影响，配比及试验结果见表2。涂料骨料为0.058 mm石英粉（100%），防腐剂福尔马林0.1%、消泡剂正丁醇0.04%、有机物白乳胶3%、其他0.2%不变；黏结剂之一变性淀粉（糊精）含量均为3%。

消失模涂料在高温金属充型前后直至金属液表层结壳的较短一段时间内受热作用所起的变化，尚缺乏有针对性的研究，作为生产厂家，也不具备先进仪器及分析手段进行研究。但是在长期的消失模铸件生产过程中，也发现了一些与之相关的规律：消失模涂料强度越高，其在高温下抗开裂的能力也就越强，另外悬浮剂在涂料中的质量分数对这一性能有着较大的影响。

表2 CMC及钠基膨润土对涂料耐急热性能的影响

CMC的碳化温度为252℃，在经过高于此温度后，其分子组织发生变化，常温下形成的网状组织遭到破坏，由此对涂料产生如下影响：强度降低，退让性增大，传递力的能力相应减小。这一影响与CMC在涂料中的添加量有关。因此，当涂料中CMC含量越少，其经高温时强度降低越少，组织间结合力相对越大，快速加热时，由于膨胀产生的应力不易及时释放，导致各相邻区域相互拉扯，产生较为细密的裂纹。相反，如果涂料中CMC含量较多，受热后强度降低较大，组织间结合力较小，膨胀应力不易传递，靠疏松组织的间隙就可将其释放。试验结果表明，CMC的加入量在3.5%左右可获得较好的高温抗裂性能。

优质钠基膨润土的相关物理参数：耐温300℃，具有良好的热稳定性；熔点1 330～1 430℃［2］。在经＞1 330℃的高温后，钠基膨润土熔融，温度降至熔点后，重新凝结互联，保证了涂料在经过高温后仍保持较高的强度。涂料中钠基膨润土的含量越高，这种作用越明显，其高温抗裂性能越好。因此，涂料的耐急热性会随着钠基膨润土含量的增高而增大，当其含量超过4%时，涂料即具有很好的高温抗裂性能。

3.3 实用配比

依据生产实践及试验结果确定了两种涂料配比，配比一应用于铸钢件，骨料为0.058 mm石英粉（100%）；配比二应用于铸铁件，骨料为0.048～0.053 mm石英粉（100%）。其余组成物配比见表3。

表3 实用涂料组成物质量分数%

4 结论

4.1 钠基膨润土的加入量越大，试样高温强度越高，适宜的加入量为2.8%～4%。

4.2 悬浮剂CMC和有机黏结剂糊精、变性淀粉加入量越大，试样的高温强度越低，CMC加入量一般为2%～3%，糊精和变性淀粉的加入量一般在1.2%～1.8%。

4.3 涂料中的悬浮剂CMC含量过多或过少都不利于涂料的高温抗裂，加入量在3.5%左右可获得较好的高温抗裂性能。

4.4 涂料中钠基膨润土的含量越高，其高温抗裂性能越好。当其含量超过4%时，涂料即具有很好的高温抗裂性能。

4.5 确定了两种分别用于铸钢件和铸铁件的实用涂料配比。

［1］王登岭.二十一世纪铸造新工艺—消失模铸造（EPC）［J］.山东农机，1998（3）：9.

［2］谢明师.铸造手册—造型材料［M］.北京：机械工业出版社，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

杨明磊，男，1975年生，2009年毕业于哈尔滨工业大学机械工程专业，工程硕士。现为山钢集团山东冶金机械厂有限公司铸造公司经理，工程师，从事铸钢、铸铁工艺制定和铸造生产过程控制工作。