消失模涂料高溫強(qiáng)度及耐急熱性試驗(yàn)研究

楊明磊

（山東冶金機(jī)械廠有限公司鑄造公司，山東淄博 255064）

試驗(yàn)研究

消失模涂料高溫強(qiáng)度及耐急熱性試驗(yàn)研究

楊明磊

（山東冶金機(jī)械廠有限公司鑄造公司，山東淄博 255064）

為解決鑄件夾砂問(wèn)題，設(shè)計(jì)不同配比的涂料對(duì)其進(jìn)行高溫強(qiáng)度及高溫抗裂性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，鈉基膨潤(rùn)土的加入量越大，CMC和有機(jī)黏結(jié)劑加入量越小，試樣高溫強(qiáng)度越高；鈉基膨潤(rùn)土的含量越高，涂料高溫抗裂性能越好，適宜的加入量為2.8%～4%；CMC加入量控制在3.5%左右涂料才可獲得較好的高溫抗裂性能。

消失模涂料；高溫強(qiáng)度；耐急熱性；鈉基膨潤(rùn)土；懸浮劑CMC

1 前言

與傳統(tǒng)的砂型鑄造相比，消失模鑄造工藝生產(chǎn)的鑄件尺寸形狀精確，重復(fù)性好，鑄件的表面光潔度高；不合箱、不取模，大大簡(jiǎn)化了造型工藝；采用干砂造型，落砂容易；可在理想位置設(shè)置合理形狀的澆冒口，減少了鑄件的內(nèi)部缺陷；負(fù)壓澆注，更有利于液體金屬的充型和補(bǔ)縮，提高了鑄件的組織致密度。從生產(chǎn)組織而言，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)流水線生產(chǎn)，生產(chǎn)線彈性大，可在一條生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)不同合金、不同形狀、不同大小鑄件的生產(chǎn)；簡(jiǎn)化了工廠設(shè)計(jì)，固定資產(chǎn)投資可減少30%～40%，占地面積和建筑面積可以減少30%～50%，動(dòng)力消耗可減少10%～20%［1］。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，山東冶金機(jī)械廠采用消失模鑄造工藝生產(chǎn)篦條鑄件取得了較好效果，產(chǎn)量達(dá)到鑄件總產(chǎn)量的30%～40%，但生產(chǎn)過(guò)程中也暴露出夾砂等鑄造缺陷。為此，對(duì)消失模涂料的高溫強(qiáng)度及耐急熱性進(jìn)行研究，找出影響因素，進(jìn)行改進(jìn)，以解決鑄造生產(chǎn)中的夾砂問(wèn)題。

消失模涂料涂覆于模樣表面，可以起到以下作用：第一，提高模樣剛度和強(qiáng)度，防止模樣變形；第二，是澆注過(guò)程中液態(tài)金屬與干砂間的隔離介質(zhì)，要同時(shí)保證模樣分解產(chǎn)物（液體或氣體）順利排逸到鑄型中，防止產(chǎn)生氣孔、炭黑等缺陷。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 高溫強(qiáng)度試驗(yàn)

因需要進(jìn)行高溫加熱，且須保證加熱后涂料仍能很好地附著于基體，經(jīng)過(guò)多次對(duì)比嘗試，確定基體材料為鑄造用耐高溫玻璃纖維過(guò)濾網(wǎng)，其基本參數(shù)如下：工作溫度850℃，持續(xù)工作時(shí)間10 min，常溫抗拉強(qiáng)度＞60 N/4根，發(fā)氣量＜30 cm3/g，網(wǎng)孔尺寸1.0 mm×1.0 mm。

基體尺寸為100 mm×150 mm。本試驗(yàn)要求的涂層厚度為2.5 mm，因?yàn)橐淮瓮繏觳荒軡M足厚度要求，共進(jìn)行了兩次涂掛與烘干。

根據(jù)鑄造生產(chǎn)中暴露出來(lái)的粘砂現(xiàn)象分析，粘砂部分與鑄件本體結(jié)合處寬而不規(guī)則，為澆注時(shí)涂層被金屬液沖刷破損所致。為盡可能接近生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)方法，通過(guò)測(cè)量涂料層經(jīng)受高溫后的抗沖刷能力，來(lái)反映其高溫強(qiáng)度。

試驗(yàn)前，將制備好的涂料試片經(jīng)電阻爐加熱至800℃進(jìn)行高溫處理（加熱溫度過(guò)高，會(huì)使試片強(qiáng)度偏低不易進(jìn)行厚度測(cè)量）。為防止加熱過(guò)程中基體與涂料層分裂，制定圖1所示的加熱曲線。

圖1 強(qiáng)度試驗(yàn)試樣加熱曲線

將粒徑為0.212 mm的標(biāo)準(zhǔn)石英砂自500 mm高處連續(xù)不斷地沖刷經(jīng)高溫加熱后的涂層，沖刷時(shí)間為2 min。試片傾斜固定于底座之上，與水平面呈45°夾角。傾斜固定是為了保證沖刷部位在沖刷過(guò)程中始終是裸露的、固定的。用千分尺依次測(cè)量沖刷后試片被沖刷部位的厚度。

2.2 耐急熱性試驗(yàn)

按照40 mm×40 mm×10 mm的尺寸制備白?；w，采用電阻絲切割方法切割成型。根據(jù)配方順序確定的編號(hào)，每種編號(hào)準(zhǔn)備5件白?；w，將混制好的涂料按浸涂法均勻涂刷其表面，涂刷厚度控制在1.5 mm，進(jìn)行烘干。

分別將烘干后的試樣快速放入恒溫1 380℃的電加熱爐中進(jìn)行加熱，1 min后取出，記錄各編號(hào)涂料狀態(tài)：裂紋數(shù)量、裂紋寬度、分布情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 高溫強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

涂料配比及沖刷部位厚度見(jiàn)表1。涂料骨料為0.058 mm石英粉（100%）；防腐劑福爾馬林的加入量均為0.1%，消泡劑正丁醇的加入量均為0.04%，有機(jī)物白乳膠的加入量均為3%，其他0.2%。表中序號(hào)1～6所用的一種黏結(jié)劑為變性淀粉，序號(hào)7～12所用的一種黏結(jié)劑為糊精。

表1 涂料強(qiáng)度試驗(yàn)樣本配比及結(jié)果

分別對(duì)樣本中的4種變量進(jìn)行分析可知，鈉基膨潤(rùn)土的加入量越大，試樣強(qiáng)度越高，適宜的加入量為2.8%～4%；懸浮劑CMC和有機(jī)黏結(jié)劑糊精、變性淀粉加入量越大，試樣強(qiáng)度越低，CMC加入量一般為2%～3%，糊精和變性淀粉的加入量一般在1.8%左右。

3.2 耐急熱性試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)樣本1～6主要考察懸浮劑CMC對(duì)涂料耐急熱性能的影響，樣本7～12主要考察黏結(jié)劑鈉基膨潤(rùn)土對(duì)涂料耐急熱性能的影響，配比及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。涂料骨料為0.058 mm石英粉（100%），防腐劑福爾馬林0.1%、消泡劑正丁醇0.04%、有機(jī)物白乳膠3%、其他0.2%不變；黏結(jié)劑之一變性淀粉（糊精）含量均為3%。

消失模涂料在高溫金屬充型前后直至金屬液表層結(jié)殼的較短一段時(shí)間內(nèi)受熱作用所起的變化，尚缺乏有針對(duì)性的研究，作為生產(chǎn)廠家，也不具備先進(jìn)儀器及分析手段進(jìn)行研究。但是在長(zhǎng)期的消失模鑄件生產(chǎn)過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了一些與之相關(guān)的規(guī)律：消失模涂料強(qiáng)度越高，其在高溫下抗開(kāi)裂的能力也就越強(qiáng)，另外懸浮劑在涂料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)這一性能有著較大的影響。

表2 CMC及鈉基膨潤(rùn)土對(duì)涂料耐急熱性能的影響

CMC的碳化溫度為252℃，在經(jīng)過(guò)高于此溫度后，其分子組織發(fā)生變化，常溫下形成的網(wǎng)狀組織遭到破壞，由此對(duì)涂料產(chǎn)生如下影響：強(qiáng)度降低，退讓性增大，傳遞力的能力相應(yīng)減小。這一影響與CMC在涂料中的添加量有關(guān)。因此，當(dāng)涂料中CMC含量越少，其經(jīng)高溫時(shí)強(qiáng)度降低越少，組織間結(jié)合力相對(duì)越大，快速加熱時(shí)，由于膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力不易及時(shí)釋放，導(dǎo)致各相鄰區(qū)域相互拉扯，產(chǎn)生較為細(xì)密的裂紋。相反，如果涂料中CMC含量較多，受熱后強(qiáng)度降低較大，組織間結(jié)合力較小，膨脹應(yīng)力不易傳遞，靠疏松組織的間隙就可將其釋放。試驗(yàn)結(jié)果表明，CMC的加入量在3.5%左右可獲得較好的高溫抗裂性能。

優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤(rùn)土的相關(guān)物理參數(shù)：耐溫300℃，具有良好的熱穩(wěn)定性；熔點(diǎn)1 330～1 430℃［2］。在經(jīng)＞1 330℃的高溫后，鈉基膨潤(rùn)土熔融，溫度降至熔點(diǎn)后，重新凝結(jié)互聯(lián)，保證了涂料在經(jīng)過(guò)高溫后仍保持較高的強(qiáng)度。涂料中鈉基膨潤(rùn)土的含量越高，這種作用越明顯，其高溫抗裂性能越好。因此，涂料的耐急熱性會(huì)隨著鈉基膨潤(rùn)土含量的增高而增大，當(dāng)其含量超過(guò)4%時(shí)，涂料即具有很好的高溫抗裂性能。

3.3 實(shí)用配比

依據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐及試驗(yàn)結(jié)果確定了兩種涂料配比，配比一應(yīng)用于鑄鋼件，骨料為0.058 mm石英粉（100%）；配比二應(yīng)用于鑄鐵件，骨料為0.048～0.053 mm石英粉（100%）。其余組成物配比見(jiàn)表3。

表3 實(shí)用涂料組成物質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

4 結(jié)論

4.1 鈉基膨潤(rùn)土的加入量越大，試樣高溫強(qiáng)度越高，適宜的加入量為2.8%～4%。

4.2 懸浮劑CMC和有機(jī)黏結(jié)劑糊精、變性淀粉加入量越大，試樣的高溫強(qiáng)度越低，CMC加入量一般為2%～3%，糊精和變性淀粉的加入量一般在1.2%～1.8%。

4.3 涂料中的懸浮劑CMC含量過(guò)多或過(guò)少都不利于涂料的高溫抗裂，加入量在3.5%左右可獲得較好的高溫抗裂性能。

4.4 涂料中鈉基膨潤(rùn)土的含量越高，其高溫抗裂性能越好。當(dāng)其含量超過(guò)4%時(shí)，涂料即具有很好的高溫抗裂性能。

4.5 確定了兩種分別用于鑄鋼件和鑄鐵件的實(shí)用涂料配比。

［1］王登嶺.二十一世紀(jì)鑄造新工藝—消失模鑄造（EPC）［J］.山東農(nóng)機(jī)，1998（3）：9.

［2］謝明師.鑄造手冊(cè)—造型材料［M］.北京：機(jī)械工業(yè)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

楊明磊，男，1975年生，2009年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，工程碩士?，F(xiàn)為山鋼集團(tuán)山東冶金機(jī)械廠有限公司鑄造公司經(jīng)理，工程師，從事鑄鋼、鑄鐵工藝制定和鑄造生產(chǎn)過(guò)程控制工作。