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消失模鑄造涂料在鑄造工藝的性質

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        1. 消失模鑄造簡介      (摘錄)
       
消失模鑄造(又稱實型鑄造)是一種近乎無余量、精確成形的鑄造工藝。第一份關于該技術的專利于1958年發表(Shroyer,1958),但其快速發展和應用還是在近二十年,廣泛用于鑄鋁、鑄鐵及鑄鋼,尤其是在大批量生產諸如汽車和船用發動機缸體缸蓋等零件時顯示出其優越性。消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的泡沫模型,涂刷專用耐火涂料并烘干后,埋在干砂中振動造型,然后澆注,高溫液態金屬使模型液化和氣化,并占據原泡沫模型的位置,凝固冷卻后形成鑄件。由于其故有的特點,該方法獲得的鑄件表面光潔度遠高于常用的傳統的粘土砂鑄造和砂型鑄造,不需要制芯,不用分型,砂不用粘接劑,清理容易,鑄造環境好,可用于鑄造諸如復雜的發動機缸體缸蓋并給予產品設計更多的自由度。

        2.金屬/泡沫模型/涂料/型砂的界面反應
       
消失模鑄造用耐火涂料是介于泡沫模型和砂之間的一道屏障,在澆注過程中,耐火涂料是液態金屬/泡沫模型/涂料/型砂這整個系統中的一環,因此充分理解這整個系統的在澆注過程所發生的一系列反應有助于理解涂料在消失模鑄造工藝中的作用及性能要求。

        當液態金屬流入而接觸到泡沫模型的一瞬間,泡沫的融化和分解就開始了,模型被融解而金屬填充留下的空腔。在流動的金屬和模型之間有一段間隙,充滿了泡沫中原有的空氣及泡沫融化和分解的產物。泡沫的融化和分解產生的碳氫化合物中既有液體也有氣體,其成分隨溫度變化而不同,這些液體和氣體必須以特定的速度被涂層吸收并部分或全部進入外圍的砂子中。在鑄鋁時,鋁液融化EPS,液態的分解產物被推至空腔壁也就是涂層附近,在達到一定的溫度后液態的分解產物會潤濕涂層,并在涂層溫度升至325°C到400°C之間時隨即滲入涂層;如果涂料的透氣性適當,當溫度繼續上升時EPS可以被氣化分解而透過涂層進入砂子中。由于鑄鋁時溫度不是非常高,在金屬澆注停止后液態的分解產物潤濕并滲入涂層的過程仍會繼續。涂料的透氣性應該設計適當以便空氣及泡沫分解產生的氣體在液態的分解產物完全潤濕并覆蓋整個涂層之前被排放出去從而避免產生鑄造缺陷。在鑄鐵時,溫度更高,EPS被融化產生的氣體更多而液體更少,因此在金屬/涂層界面的液態分解產物會較少而需要通過涂層排出的氣體增多。液態金屬的流動性及充滿型腔的過程在很大程度上取決與分解產物的排放,在鑄鋁的溫度下,液態分解產物的排放是關鍵;在鑄鐵和鋼的溫度下,氣體產物的逸出則更重要。由此可見涂層在消失模鑄造過程中起作控制傳質和傳熱的雙重作用。透過涂層傳質的過程中,液體和氣體分解產物的傳遞共同存在且相互竟爭,互相作用的結果是影響和決定了型腔充滿的機制和速度。如果液體分解產物過快地潤濕并完全覆蓋整個涂層,空氣和氣體分解產物將會聚集在液態金屬和涂層之間,由此而產生的壓力會延緩金屬的流動,甚至可導致冷隔的產生。相反,如果氣體逸出涂層過快而液體分解產物潤濕和滲透入涂層太慢,金屬的流動會太快而將液體分解產物卷入流動的金屬液體中,最終將形成氣孔和表面缺陷。在涂層的另一面是砂子,在砂子注入和振實時涂層機械支持泡沫模型保護其不被壓縮變形或斷裂。在澆鑄過程中,涂層既承受來自砂子的壓應力,同時還受到來自流動金屬及泡沫模型分解產生的氣體和液體的壓應力,盡管兩種壓力方向相反可以互相抵消一部分應力,涂層仍應有足夠的強度承受熱沖擊和應力并同時讓部分分解物逸出。透過涂層傳遞而來的熱量和物質部分進入其周圍的砂子,砂子的溫度上升并有部分分解產物殘留在砂子中。

        3.消失模涂料的作用和功能
       
如上所述,消失模涂料的作用在于支撐和保護泡沫模型、防止液態金屬滲入砂子和粘砂、吸收分解產物和讓分解氣體通過涂層、保持泡沫模型揮發后形成的型腔的完整、并保持液態金屬熱量不會很快散發。因此消失模涂料的使用可以降低鑄件表面粗糙度,確保鑄件精度,減少或防止鑄件粘砂、砂眼、氣孔、金屬滲透、冷隔、澆不到、積碳等缺陷。所以消失模涂料應具有足夠的耐火度、一定的機械強度、恰當的保溫和導熱性能、合適的透氣性和吸收液體分解產物的能力、光滑的表面、足夠的涂刷性能、不與泡沫模型發生化學反應等。

        4.消失模涂料的成分設計
       
消失模鑄造用涂料的基本成分包括耐火材料、載體、粘結劑、懸浮劑、防腐劑、表面活性劑、去沫劑等(Martinez, 1990)。耐火材料是涂料的骨架,保證其耐熱性、強度及透氣性等從而避免粘砂、毛刺等缺陷、獲得光滑表面。耐火材料一般是陶瓷粉末,種類選擇取決于澆注金屬種類、澆注溫度、零件厚度、造型砂的性能等。為達到最佳效果,可以選擇同一種耐火材料但不同顆粒大小的粉末混用、或幾種不同種類不同顆粒形狀和大小的陶瓷粉末混用。常用的有二氧化硅、氧化鋁、鋯英石、鉻鐵礦、硅酸鋁等。載體則是調整涂料的粘度并將耐火材料涂上泡沫模型且有一定的厚度所必須的,對于消失模鑄造用涂料來說一般是水,極少用酒精,不能用其他可能與泡沫模型起化學反應的有機溶劑。粘結劑則將涂料內的各組分粘結在一起并在涂刷時保證涂料粘結在泡沫模型的表面,粘結劑多為一種或幾種有機粘結劑。粘結劑除了在涂料被烘干前保證涂料粘結在泡沫模型的表面,還要在涂料被烘干后和澆注時為涂料提供一定的強度。懸浮劑的主要作用是與載體形成膠體從而將耐火陶瓷粉末懸浮起來,以保證涂料的流動性,防止固體顆粒的聚集和沉淀。防腐劑控制細菌和微生物在涂料中的生長,以防止涂料腐壞變質。表面活性劑主要使涂料生產過程中固體顆粒更易被潤濕并使涂料在使用時更易潤濕泡沫模型表面。去沫劑則用于使涂料生產和使用時不產生大量泡沫。為美觀和管理方便,涂料中還可加入顏料。各種組分可以有多種選擇,但需要注意的是有些組分之間會相互作用,有些組分會同時影響涂料的幾方面的性能。涂料的成分設計多是基于經驗和大量的試驗,也有少量已發表的文獻觸及涂料的性能和組織結構的關系。

        5.消失模涂料的性能
       
消失模鑄造用涂料的使用性能主要是熱性能和透氣性,這兩項決定了其在澆注過程中的作用。在實際操作中則需要測量和/或控制其粘度、固體含量、透氣性、pH值等。只有確保涂料的性能穩定一致,才可保證消失模鑄造產品的質量。

        粘度描述的是流動對于剪切力的反應,是衡量涂料的流動性的一項重要指標,粘度雖然主要取決于涂料的成分,但也受攪拌過程的影響。尤其是在涂料使用時涂料的粘度會根據需要調整到恰當的范圍中,對于粘度的測量和監控尤為重要。粘度的變化會影響到涂料的其他相關性能如固體含量、厚度及透氣性等,并進而影響鑄件質量。消失模鑄造用涂料一般是剪切稀釋,在涂料制造過程中延長攪拌時間會導致粘度下降而透氣性相對穩定,在使用時涂料的粘度會隨著攪拌時間的延長而進一步下降,過度攪拌還可能引起透氣性上升。因此粘度的控制尤其重要。

        透氣性直接控制著泡沫融化和分解的產物逸出的速度,從而決定了液態金屬的流動速度,進而決定了是否可以消除氣孔、冷隔、澆不到、積碳等缺陷的產生。透氣性的直接測量對于涂料質量控制尤為重要。由于涂料在高溫下使用,直接測量其在使用狀態下的透氣性很困難,現有方法均為在常溫下進行。

        現階段使用得比較廣泛的有兩種方法,一種是由是由美國阿拉巴馬大學(UAB-Birmingham)發明的,通過測量在不同壓力下氣體流過覆蓋有涂料并烘干的屏篩的量從而計算出涂層的透氣系數。另一種由GM的Kocan(1996)提出,直接使用原用于測量型砂透氣性的,只是將試樣裝夾臺加以改裝以承載覆蓋有涂料并烘干的屏篩,測量氣體在固定壓力下通過涂層的速度。GM法由于其方便更廣泛地應有于消失模鑄造生產廠家,雖然只是一個半定量的方法,但其重復性好,已成功到用于生產廠質量控制。但該方法未考慮涂層的厚度的影響,因此在實際生產中還需測量涂層的厚度并加以控制。實際研究表明,在涂料的可使用的粘度范圍內,使用GM法測得的透氣性值與涂層的厚度的乘積幾乎不隨粘度變化而改變,因此在北美已開始采用透氣性值與涂層的厚度的乘積,也就是校正透氣性值,來作為質量控制參數并已被實踐證明可行。

        一般在討論透氣性時是指涂層的透氣性,在前面的討論中可以看出,在消失模鑄造過程中透氣性其實應該被放在金屬/泡沫模型/涂料/型砂這整個動態系統中來考慮,涂層的透氣性只是這整個系統中的一部分。砂子種類、形狀和溫度的改變、是否抽真空、泡沫模型性能的改變等都會引起這整個系統的透氣性的改變,并從而改變金屬流動行為。在實際操作中,有時鑄造生產廠家希望通過改變涂層的透氣性來補償因其他工藝參數的變化而引起的這整個系統的透氣性的改變,但是單純改變涂層的透氣性有時并不足以補償整個系統的透氣性的變化。

        其他性能參數還包括固體含量、干重和濕重、pH值、BAUME等。涂層固體含量主要取決于耐火填料所占的比例,并影響到涂料的粘度,涂料的固體含量的高低與其抗粘砂性緊密相關。干重和濕重易于操作,是對涂料的粘度和固體含量測量的一個補充。監控pH值的變化可以及時發現涂料中細菌和微生物的生長。Baume度的測量并不是一個很準確的質量控制參數,尤其是對消失模鑄造用涂料而言。

        涂料的導熱性能對于獲得高質量的消失模鑄件至關重要,導熱常數、比熱、熱膨脹系數等的測量多在涂料的研發階段而不是在使用過程中進行。

        6.消失模涂料的性能和結構的關系
       
對于消失模涂料的性能和組分間的關系已有很多的經驗和知識積累,在前面已探討過。對于涂料的性能和結構的關系的理解則很有限,建立涂料的性能和結構的關系有助于高性能新型涂料的開發和使用,并對消失模鑄造工藝控制提供幫助。

        早期的研究已觸及該方面,Sun等人(1992)已揭示涂層的透氣性取決于涂料中顆粒大小及分布、形狀、以及氣孔的特征,其研究已顯示,一種主要由接近圓形的、尺寸較大、大小分布較均勻的氧化鋁顆粒構成的涂料比另一種由不規則形狀的、尺寸較小、大小分布不均勻的二氧化硅顆粒構成的涂料透氣性更高。和Penumadu (2005)的研究表明涂層中“有效氣孔”的大小和結構與涂層的透氣性緊密相關。Qi等人(2005)曾嘗試建立一個關于消失模涂料的結構模型以解釋其傳熱和傳質的特征。鑒于其復雜性,對于消失模涂料的性能和結構的關系還有很多的研究工作要做。

        7.結語
       
消失模涂料是消失模鑄造中金屬/泡沫模型/涂料/型砂這個系統中的重要一環,涂料在鑄造過程中起到傳熱、傳質、控制金屬流動性等作用,涂料的性能取決于其成分和結構,在實際應用中要根據實際工藝來有針對性地選用或開發合適的涂料。

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