铸造工艺中涂料的制备与应用

周珊珊

(大同煤矿集团机电装备公司中央机厂，山西 大同 037001)

引 言

在铸造生产过程中，铸件的表面质量与金属液直接接触的砂型(芯)工作表面的质量密切相关，改善铸件表面质量有一种经济实用而又收效显著的方法，即在砂型(芯)工作表面上涂敷涂料。砂型(芯)涂料具有下述作用：1) 减少或防止铸件粘砂缺陷；2) 降低铸件表面粗糙度；3) 提高铸型表面强度，减少和防止因砂型(芯)强度不够而产生的铸件夹砂、冲砂、砂眼等缺陷；4) 能够有效的控制铸件的冷却速度，防止铸件因冷却速度而产生的缩孔、裂纹等缺陷。从成本方面考虑，涂料的广泛应用也能获得良好的经济效益，对于砂型铸造，铸件的清理工序非常重要，而涂敷涂料后能显著提高铸件的表面质量，因此采用涂料不仅能够降低铸件的清理成本，而且能够产生由于采用涂料而改善铸件机械性能和降低铸件的废品率等方面的其他经济效应。同时目前，由于对铸件质量的要求日益提高，优质涂料的生产和应用得到了快速的发展，对涂料的性能有更高的要求。

目前消失模代替木模的趋势越来越显著[1]，尤其是批量生产且要求表面精度高的中小型铸件。而对于消失模铸造，由于白模的强度差，必须要用到涂料。一般情况下车间采用外购涂料的方法来解决涂料来源的问题。但是发现一次购进一定量的涂料，短期内用不完，导致涂料出现变质和沉底等质量问题，造成涂料浪费损失。而且由于交通不便，涂料一旦出现质量问题，无法及时补货，造成较大的经济损失。所以根据车间的实际情况，解决涂料问题最经济的方法就是自行配制涂料。

1 材料的制备

1.1 涂料制备所需原材料

1) 耐火材料

耐火材料是涂料的最主要的成分。耐火材料能够填补型(芯)表层出现的孔隙和凹坑；同时又能隔离型(芯)与金属液，从而防止铸件产生机械粘砂和化学粘砂等缺陷，使铸件表面达到理想的表面粗糙度。通常根据铸造合金的种类来确定耐火材料的种类。铸铁用涂料的耐火材料常选用石英粉，石英粉是涂料用最廉价的耐火材料之一，资源丰富，具有较高的熔点和烧结温度。粒度一般在320目～200目。

2) 载液

载液在涂料中的主要作用是使耐火材料料能够分散在其中，而载液的多少决定了涂料的涂敷状态是浆状或膏状[2]。水或乙醇(甲醇)可作为载液。其中水基涂料成本比醇基涂料低，且获得涂料具有良好的悬浮性，易于涂刷、流平性好、价格低廉且无毒安全。醇基涂料易干，但是成本较高，在浇注过程层中发气量大，容易在铸件表面产生气孔等缺陷。同时制备出的涂料本身气味较大，影响工人健康。因此本项目采用水基涂料工艺。

3) 粘结剂

粘结剂在涂料中的作用主要有两个。第一，将涂料中的耐火材料等组分有效的粘接起来，使得涂层具有一定的强度和耐磨性；第二，将涂层与基体白模粘接在一起。粘结剂分为水基用和醇基用两种，根据不同的载液使用相应的粘结剂。对粘结剂的要求：在水中或乙醇中易容易分散；具有较强的干强度，高温强度尤为明显。本项目采用外购的桂林5号粘结剂，完全可以满足粘结剂的要求。

1.2 涂料的制备

1) 涂料的配比

涂料中的固体物料所占的质量分数对于涂料的性能非常重要。固体含量高的涂料，在干燥和激热的情况下，涂层的收缩率小，不易发生开裂现象。涂刷次数相同所获得的有效涂层厚度大。但是固体含量高，涂层太厚，不易干燥。因此，涂料的配比情况直接影响了铸件的表面质量以及后期铸件的清理难度。

在铸造生产过程中，对涂料的要求很高，要求涂料不裂、不垮、不粉化还要耐烧，硬度高。因此。调制合理的配比非常重要，水基涂料的稠稀要适当。太稀，涂料挂不上去；太稠，涂料容易干裂、掉层、破皮。因此本项目拟定以下不同体积分数的涂料，如表1所示。

表1 自制涂料配比方案

2) 涂料的配制

涂料的配比非常重要，涂料的搅拌也是重中之重。以前涂料靠人工来搅拌，劳动强度大，且搅拌不均匀，对铸件的质量影响非常大。因此车间技术人员提出自制一台搅拌机的方案。技术人员测定搅拌机一次加入量，来制定搅拌机的体积。确定滚筒直径为450 mm，长度为710 mm。再根据总重量和转速，确定电机功率为2 kW～3 kW。方案制定后，工程技术人员和骨干工人车间在废旧设备中找到可用的2.2 kW电机和减速器。自制联轴器、瓦座，把传动系统设置在焊接好的台架上。在滚筒上开方口，安装密封盖，作为涂料的进出口。下设流动槽和涂料使用槽。经过测算，绘制图纸，部分零件外委加工和车间焊接装配。涂料的搅拌程序为：先将水和耐火材料置于搅拌机中搅拌成浆状再加入粘结剂。

3) 涂料的涂敷

涂料的涂挂方法根据铸件的生产批量来确定。对于单件、小批量生产的铸件，采用刷涂较为经济合理。对于较大的铸件可采用流涂。因为流涂的涂料粘度小，具有较好的涂挂性能；批量和形状复杂的模样采用浸涂，薄壁易变形的模样采用喷涂法。涂料在涂敷后的效果必须是能够均匀的覆盖在模样表面，且在此过程无缺涂、过度流淌或夹杂气泡等现象的出现。本车间根据铸件的特点，采用涂敷方式为刷涂。

对于消失模铸造，由于其对涂料涂敷的要求较高，所以其涂敷的步骤也较为复杂。通过技术人员和骨干工人的实验、总结，制定出涂料涂敷的技术方案：白模要经过两次涂刷涂料。第一次浸涂后凉挂在空气中风干一天；第二天浸涂后，用电烤炉烘干2 h～3 h。烘干温度要严格控制在150 ℃～200 ℃温度低，烘干时间慢；温度高会把模型烧软，损坏模型。

车间技术人员研究通过不同质量分数的涂料，以表1所示的配比方案为参考，研制最适合我车间实际生产的涂料。通过实际生产情况发现，1#涂料由于粘结剂的加入量较高，涂层和基体的粘接强度较高，使得后续的清砂难度加大，增加了工人的劳动量。2#、3#以及5#涂料加入少量的耐火骨料和粘接剂，载液含量多但是形成的涂料固体含量较低，导致在涂敷阶段就出现涂料挂不上去的现象。6#涂料的粘接剂量减少，增加了耐火骨料量，但是发现铸件的化学粘砂情况严重，这是由于石英砂在高温下易与铁的氧化物生成低熔点、低黏度的化合物，容易造成铸件粘砂的缺陷的出现。研究发现4#涂料的固体含量适中，生产出的铸件，易清砂，表面质量好。通过一次次实验、总结，最终确定了4#为最优的配比，即耐火骨料10%，载液80%，粘结剂10%。

2 创新及应用情况

通过工艺的研究和改进，发现具有1)选用低价的水基和石英粉做原料，车间自制涂料，达到涂料的使用要求；2) 自制涂料搅拌机，一方面代替了手工作业，降低了工人的劳动强度；另一方面提高了涂料的质量；3) 提高了铸件的质量；4) 自制的涂料和涂料搅拌机可以满足车间大规模使用涂料的要求等工艺创新。

自制涂料和涂料搅拌机在铸造车间运用了一段时间，生产过程中我们发现使用自制的涂料，生产出的铸件表面质量优异，易清砂；自制的涂料搅拌机使用方便，易操作，搅拌后的涂料均匀，挂涂容易，使得生产效率提高3倍。铸造车间的产量大幅服提高，目前生产的4千多块地砖，500余吨铸件的表面质量优异，受到用户和厂领导的一致好评。

3 小结

自制的涂料和涂料搅拌机创造了可观的经济价值和社会价值。在经济价值方面：据粗略统计，铸件总生产成本的30%左右约为铸件清理成本，而涂敷涂料后可使铸件的清理成本降低10%以上。因此，采用涂料能降低铸件总成本的5%以上。由于质量提高且稳定，减少了铸件粘砂等废品2.6%，年节约10万元。同时，降低了外购涂料成本，年节约7万元。在社会效益方面，由于自制涂料的应用，铸件易于清砂，降低了工人的劳动，提高了劳动效率。且自制的涂料搅拌机易于操作，搅拌时间较少，效率大幅度提高。