涂料在覆膜砂壳型铸钢件生产中的试验与应用

肖海波

（东风精密铸造有限公司，湖北十堰 442714）

近年来，覆膜砂壳型铸造工艺因其制造成本低、生产周期短、工艺尺寸稳定等特点，可替代熔模铸造工艺生产部分铸钢产品，在汽车、轨道交通、工程机械等行业得到了快速发展和广泛应用。但是在生产结构复杂、质量要求较高的精密合金钢铸件时，由于受石英系覆膜砂物理化学性能制约、浇注系统与模具工艺先天设计的影响，现场生产条件的局限，铸件浇冒口根部、热节厚大部位、凹槽拐角、砂芯尖角以及大平面等区域易产生冲砂、夹砂、粘砂、烧结等外观缺陷，极大增加了铸件清理难度，严重时直至报废。因此，涂料在覆膜砂壳型铸钢件生产中是必不可少的辅材，在提高表面质量，减少表面缺陷，降低清理工作量方面有着不可替代的作用，尤其是生产各类复杂结构产品时，涂料的正确选择、合理的涂料工艺以及过程的严格控制是获得高质量铸件的关键。

东风精铸采用覆膜砂壳型工艺生产的铸钢件经过轻量化集成设计，多为结构复杂、质量要求较高的汽车发动机、底盘上的零部件。本文结合产品结构、现场工艺及生产条件对涂料特性、施涂工艺、技术要求和效果评价等做了系统验证，充分发挥涂料的不可替代作用，改善了产品外观质量，最终实现覆膜砂壳型工艺稳定生产汽车合金钢铸件。

1 涂料的选择及使用方法

铸钢件一般都采用锆英粉作为涂料的耐火骨料，其耐火度高，抗粘砂性能好；溶剂多为水基和醇基为主[1-2]。考虑生产成本、操作性及安全环境，水基锆英涂料作为生产首选。该涂料应具有良好的触变性、流平性、悬浮稳定性以及发气量低的特点；而且低温干燥不起皮、不破水、不龟裂；高温稳定性好，不与熔融金属液体浸润；高温强度高，抗钢水冲击性好，受热体积不膨胀，铸件表面平整光洁，易清理。具体技术指标如表1所示。

表1 水基锆英涂料技术指标

成品涂料一般呈浆状，相关特性不符合直接生产使用标准，在使用之前应采用低速搅拌均匀，然后加入适量的清水和消泡剂，再次搅拌均匀，并避免在搅拌过程中卷入气体从而影响涂层质量。待涂料静止后，用波美度计检测涂料的波美度（表2为推荐波美度值），直至调配为适宜生产用涂料，另外使用过程中每间隔2 h搅拌一次，搅拌时间≥10 m i n.

表2 水基锆英涂料推荐波美度（°Be'）

初次使用涂料时，要根据砂芯的大小、结构、作业条件以及生产规模，确定合适的涂料工艺及波美度。砂芯涂料后的干燥温度一般为100℃～150℃，视砂芯的大小及涂料工艺，烘干时间为30 m i n～90 m i n不等。

2 砂芯质量要求

砂芯与涂料在铸造过程中是一个整体，如果砂芯质量存在问题，将会大大削弱涂料的作用，其原因为[1-2]：①砂芯紧实度过低，存在不实或者虚砂，涂料通过毛细血管渗透到心部，涂层较薄，强度不足，防高温冲刷能力差，钢水甚至侵入砂芯内部；反之砂芯紧实度过高会降低涂料的渗透性和附着力，严重时会影响涂层强度，造成涂层剥落；②砂芯未固化结壳，局部存在松散的生砂，影响涂层强度，接触钢水产生大量气体，引起涂层剥落，形成结疤甚至烧结；③砂芯破损，不平整，影响涂料的整体涂挂性和连续性，涂层局部涂料堆积，干燥过程应力集中，易开裂、脱落；④砂芯存在飞边毛刺、浮砂等，影响涂料的洁净度，钢水充型铺满型腔面，形成粘砂、砂孔、渣孔等；⑤砂芯残留有积碳、脱模剂等附着物，这些有机物在砂芯表面形成一层粘膜，影响涂料润湿性和附着力。

砂芯与涂料之间的关系紧密，涂料提升产品外观质量，是建立在砂芯质量基础上的，基础牢固了，涂料才能充分发挥其效能。所以砂芯在涂敷涂料前，应当保持型腔洁净、完整、不存在虚砂缺损，局部凹陷疏松的区域需用耐火膏随型修补，确保固化层厚度≥5 mm以上。

3 生产试验结果与分析

3.1 过热区验证效果

普通铸钢用覆膜砂，一般为石英系耐火材料，能承受钢水最高浇注温度不超过1 600℃.浇注温度过高或者局部过热，砂芯易出现溃散、冲砂、炸裂等现象，粘砂、夹砂、橘皮、结疤等铸造缺陷应运而生。图1、图2为覆膜砂铸钢件（铸件及带浇冒口重量分别为图 1：20 kg/29 kg；图 2：14 kg/22 kg）浇冒口根部厚大部位的缺陷，比例高达50%以上。浇注温度1560℃～1580℃，浇注时间 12 s～15 s，分析认为铸件热节部位厚大，同时作为钢水主要补缩通道凝固缓慢，砂芯过热时间长，高温强度急剧恶化，致密度降低，钢水冲刷并渗透至砂芯内，造成机械粘砂、夹砂、橘皮。

图1 某商用车铸钢板簧支架浇冒口根部缺陷

图2 某工程机械铸钢支架浇冒口根部缺陷

针对以上问题，分别制定了喷涂、刷涂、流涂三种涂料涂刷工艺方案。根据多次涂料调配、施涂效果及工艺操作性分析，三种工艺用涂料的波美度（°B e）分别为 45～50，70～75，50～55.喷涂是在砂芯脱模后热壳状态下（约160℃～180℃）直接施涂；刷涂、流涂均是在砂芯自然冷却至60℃以下进行；然后转入热风干燥室（100℃～120℃），约1 h后合模浇注。图3～图5为三种涂料工艺验证效果，其中，刷涂和喷涂涂料颜色较深、涂层较厚，可以获得表面良好的铸件；喷涂涂料颜色较浅、涂层较薄，虽然一定程度上改善了铸件外观，减轻缺陷严重性，但未能彻底消除，依然存在皱皮、脉纹、结疤等缺陷。图3a）、b）两个产品表面质量对比说明，复杂型腔喷涂改善效果较差，工艺过程不易控制涂层厚度，凹槽深腔易堆积涂料，侧壁涂料涂挂性很差；另外由于比重差异，喷涂时水与锆英粉分离，涂料的渗透性变差，型腔面吸附着细小颗粒状物，直接影响涂层强度，外观改善不明显尤其是结构复杂的产品。从图4a）、b）可看出，复杂型腔刷涂操作性较差，涂层不均匀，刷痕明显，相较于简单型腔工艺控制难度大，铸件表面质量不稳定。分别对比图4a）与图5a），图 4b）与图 5b），流涂的均匀性、流平性均优于刷涂，但涂料消耗量较大；对于深腔凹槽复杂型腔，刷涂效果略逊于流涂工艺，而结构规则简单的型腔，两种工艺效果相当。

图3 喷涂工艺效果

图4 刷涂工艺效果

图5 流涂工艺效果

试验中分别检测了三种涂料工艺干态下有效涂层厚度，喷涂：涂层＜0.1 mm，超过0.1 mm以上的涂层强度较差，易剥落，不耐钢水冲刷；刷涂：涂层0.2mm～0.4 mm，便于操作掌控，减少铸造表面缺陷；流涂：涂层0.13 mm～0.18 mm，易操作，改善产品外观质量。通过以上验证结果，刷涂、流涂工艺作为生产应用首选，同时应遵循复杂型腔流涂，简单规则型腔刷涂的工艺原则。

3.2 砂芯尖角与大平面验证效果

精铸件产品轻量化、集成化程度较高，通过筋骨化结构减重，砂芯型腔通常存在数个深腔凹槽、尖角，在这些位置钢水包裹着砂芯，由于砂芯的尖角效应，热量集中、散热慢，往往成为潜在的热节区，被包裹的砂芯在高温下强度骤降，急剧溃散，再经钢水冲刷，粘砂、结疤、夹砂等铸造缺陷不可避免。结合上述涂料试验结果，针对该类产品，刷涂可操作性差，选择流涂工艺。图6、图7是两种典型的极端产品涂料前后外观质量，产品单重分别为2 kg和37 kg.两个产品未上涂料前，拐角、深槽等区域存在明显粘砂和结疤，而且由于钢水充型的原因，粘砂布满整个铸件。通过对型腔整体流涂涂料，烘干后浇注，铸件表面光滑平整，满足产品质量技术要求。

图6 某乘用车发动机悬置支架涂料前后对比

图7 某商用车前接梁支架涂料前后对比

图8 某乘用车摆臂充型方式

一般铸件大平面的工艺性较差，特别是壳型浇注系统设计不合理，现场工艺操作不精细，大平面的平面度、渣气孔、粘砂、结疤鼓包等外观缺陷层出不穷。针对大平面的产品，首先应该了解其模具分型、浇注系统及钢水充型方式，再制定相应的技术措施。图8为某乘用车摆臂两种浇注充型方式及未上涂料时的铸件外观，其中图8 a）为一模两件垂直充型，铸件大平面与钢水充型方向垂直，字符及拐角存在轻微粘砂和结疤；图8b）为一模一件水平充型，铸件大平面与钢水充型方向平行，整个平面粘砂，拐角凹槽结疤。图8中可以明显看出，水平充型的铸件表面缺陷比垂直充型严重，这是由于水平充型时，钢水大面积整体进入型腔，热气及高温热量辐射上下型腔面，砂芯强度下降，钢水冲刷并渗透进砂芯心部，造成粘砂结疤等缺陷；而垂直充型，大平面在侧边，钢水垂直上升的截面面积远小于水平充型上升截面，热气及时上浮溢出，另外钢水对对砂芯热辐射作用减弱。鉴于此，对垂直充型的砂芯进行流涂，对水平充型砂芯分别进行流涂和刷涂验证。图9、图10分别展示了两种充型方式及涂料工艺效果，垂直充型砂芯刷涂后字符平面清晰，消除了粘砂结疤，铸件整体外观光滑；水平充型砂芯流涂后局部依然存在砂眼及橘皮等缺陷，而刷涂后铸件表面质量得到彻底改善。

图9 某乘用车摆臂垂直充型砂芯流涂效果

图10 某乘用车摆臂水平充型砂芯涂料工艺效果

4 结 语

1）针对覆膜砂壳型铸钢件，锆英粉涂料最佳流涂工艺参数为：波美度值（°B e）50'～55，涂层0.13mm～0.18 mm；锆英粉涂料最佳刷涂工艺参数为：波美度（°B e）70～75，涂层 0.2 mm ～0.4 mm，可弥补覆膜砂、浇注系统及模具工艺先天不足，有效改善产品外观质量。

2）在本工艺条件下，遵循复杂型腔流涂，简单规则型腔刷涂，垂直充型大平面型腔流涂，水平充型大平面型腔刷涂的涂料工艺原则，可生产表面光滑平整的复杂结构覆膜砂壳型铸钢产品。