石英粉粒度对涂料烧结性影响的研究

郭广思，王健骁，刘 洋

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159；2.辽宁省水利事务中心，沈阳 110003)

消失模铸造是将涂覆有特定涂料的泡沫模型埋入型砂中，浇注后泡沫汽化得到与模型相同形状的铸件[1]。消失模铸造具有尺寸精度高、节约环保且成本较低的特点，因此在近年来消失模铸造越来越多的得到各大工业生产的青睐，逐渐成为铸造生产行业的主流生产方式，被称为“21世纪的铸造技术”，引领了铸造行业的绿色发展[2]。

铸造涂料是改善铸件质量的主要方式，高质量的铸造涂料可以改善铸件的质量，减少铸件表面的缺陷，在浇注过程中起支撑模型的作用[3]，防止塌箱并将产生的气体排出，防止气孔等缺陷的产生，所以消失模铸造涂料需要有耐高温、高强度、高透气性、好的流动性等特点[4]。消失模铸造涂料的研究已经取得较大的进展。郭明明等选用铬铁矿粉、石灰石粉和石墨粉作为耐火骨料制备的涂料，在生产厚壁液压泵体时性能表现较好[5]。杨哲等选用镁砂粉、叶蜡石粉、白刚玉粉混合作为耐火骨料，生产的铸钢件表面光洁、无气孔且有较好的剥落性，方便清理等优点[6]。

本文研究石英粉的粒度对涂料烧结性的影响。进行200目、240目、270目、300目、320目、340目六种粒度骨料对涂料的烧结性影响的实验，在不同温度下进行烧结，根据烧损率和烧结表面状态选出四种表现较好的的粒度进行混合配比，最后对混合配比实验组进行实验验证，最后得出，当240目、270目、300目、320目四种粒度按质量分数分别加入80%、60%、80%、20%混合作为耐火骨料时，涂料有较好的烧结性，且浇注后得到的铸件表面光洁、纹理清晰、涂料层剥落性较好，符合生产要求。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验中以石英粉粒度为单一变量进行涂料的配制，骨料粒度分别为200目、240目、270目、300目、320目、340目，悬浮剂为钠基膨润土和CMC，粘结剂为淀粉和水玻璃，载液为水，各成分的加入比例见表1。

表1 成分比例表 %

以表1的成分配比进行涂料的配制，配置后的涂料风干，在烘干炉中烘干去除水分，然后放在瓷舟中在马弗炉中进行烧结实验。

1.2 实验方法

将6种不同的涂料样本取样称重，装入瓷舟中，在马弗炉中进行不同温度的烧结。烧结温度分别为1250℃、1300℃、1350℃、1400℃，达到温度后保温烧结10min，随炉冷却后取出。称重、计算各种粒度涂料在此温度下的烧损率。将烧结后的涂料样本在扫描电镜下观察其表面形貌。烧损率计算公式为

式中：M为烧结前涂料的质量；m为烧结后涂料的质量。

2 实验结果及分析

2.1 烧结实验

对各种粒度耐火骨料的石英粉涂料进行烧结实验。不同温度下烧损率随粒度变化曲线如图1所示。

图1 同温下不同粒度烧损率曲线

由图1可以看出，当烧结温度一定时，涂料的烧损率随着粒度的减小(目数的增加)而增大，因为当粒度减小时，耐火骨料颗粒的比表面积增大，会加剧烧损，所以涂料的烧损率增大。从四个烧结温度来看，在200目时烧损率最小，在340目时烧损率最大，在240目至300目之间烧损率变化不大，320目时烧损率明显小于340目。

同一粒度在不同温度下的烧损率变化曲线为如图2所示。

由图2可知，当耐火骨料的粒度一定时，随着烧结温度的升高，涂料的烧损量变大，因为随着温度的升高，涂料中的杂质或者原料会被烧损，温度越高，能烧结掉的成分越多，所以烧损率越大。同样的，骨料粒度为200目时，烧损率最少，340目烧损率最严重。

图2 同粒度下不同温度烧损率曲线

2.2 烧结样品电镜分析

图3为1350℃时，不同粒度耐火骨料表面的烧结状态。颗粒表面的烧结状态影响着涂料在高温浇注时的性能表现：颗粒的黏连影响到涂料的高温粘结性，烧结较轻的对涂料的粘结性没有帮助，较重的则会结块产生起翘、裂纹等现象。

图3 1350℃温度下不同粒度的烧结状态

由图3可以看出，随着骨料目数的增大，粒度的减小，耐火骨料表面烧结的越来越严重。200目时，由于粒度最大，比表面积最小，粒度表面的烧结较轻，颗粒之间黏连较轻；200目至320目时，表面的烧结越来越明显，表面凹凸状态越来越明显，但颗粒间的黏连不严重，不会因为高温而出现局部结块引起裂纹；340目时，表面烧结最为严重，且颗粒间黏连较严重，烧结状态较差。340目石英粉不适合做涂料骨料。

图4为综合性能较好的240目石英粉骨料在不同温度下的烧结状态。

图4 240目石英粉骨料在不同温度下烧结状态

由图4可以看出，对于240目粒度的石英粉骨料，随着烧结温度从1250℃升到1400℃时，涂料的烧结程度越来越严重，颗粒表面凹凸现象和黏连现象越来越明显。在1250℃至1350℃之间，涂料表面烧结状态不太明显，符合涂料的使用要求，在高温浇注时不会结块开翘；在1400℃时，颗粒表面烧结黏连较为严重，但铸造生产时涂料表面层达到1400℃的时间不会长达10min，并且铸件不会在长达10min的时间内还没有凝固形成表面凝固层，所以240目石英粉可以配置涂料用于铸造生产。

经过上面两个曲线及烧结状态的分析发现：条件相同时，200目粒度的骨料烧损率最小，且表面烧结状态最轻，但是在单一性实验研究中发现200目石英粉骨料涂料悬浮性不好[7]；340目min粒度的骨料烧损及表面结块现象最严重。200目和340目这两种粒度的骨料都不适合作为耐火骨料；铸造涂料需要综合性能好，粒度为240目至320目之间的骨料烧损率及烧结状态较为适合作为涂料的耐火骨料，这也符合之前粒度单因素烧结实验结果，所以在后面正交的实验中选择240目至320目粒度的石英粉混合作为耐火骨料进行烧结实验。

2.3 正交实验及试样烧结实验

选用240目、270目、300目、320目的石英粉混合作为骨料，按质量分数加入百分数分别有20%、40%、60%、80%，进行4因素4水平16次正交实验。测试涂料的强度、透气性、悬浮性、流平性、涂挂性、滴淌性、密度、粘度及pH值等性能，利用极差分析法分析每种因素对涂料性能的影响，研究石英粉粒度及加入量对涂料性能的影响，得出综合性能最好的一组。各粒度的加入比例为240目80%、270目80%、300目80%、320目20%。

图5为正交最佳配比涂料在1350℃温度下烧结前后的对比图，5a为烧结前表面状态，5b为烧结后表面状态。

图5 正交最佳配比在1350℃下烧结状态

由图5可以看出，烧结前的涂料颗粒较为独立，彼此没有黏连。图5b烧结后的涂料表面产生了黏连作用，且颗粒表面凹凸现象良好，这增强了涂料的高温粘结性，当遇高温液体时，能很好的结合在一起，从而降低涂层表面张力，不能被高温金属冲刷掉落；使涂料与铸型之间接触更牢固，高温烧结性较好。

2.4 消失模验证实验

为了验证正交最佳配比涂料的实际使用性能，进行消失模铸造浇注实验验证。实验过程分为最佳配比涂料配制、消失模型制作、涂料涂覆、砂箱造型、合金液浇注、铸件清理、最后得到完整铸件。观察铸件表面质量以及整体质量是否符合铸件使用要求，同时观察涂料在浇注后的形态以及是否容易清理。图6为消失模铸件图。

图6 浇注后铸件图

由图6中可以看出，浇注后得到的铸件表面光洁、质量较好，而且尺寸完整没有出现缺肉、冷隔、粘砂等缺陷。而且从图6中可以清楚看到，涂料层有较好的剥离性，大大降低了涂料的清理难度，为生产制造节省了人力物力，降低成本。表面该涂料性能优良可以用于实际生产。

3 结论

以石英粉为耐火骨料，钠基膨润土和CMC联合作为悬浮剂，淀粉和水玻璃作为粘结剂，水为载液的涂料研制中发现：当温度一定时，随着石英粉目数的增大(粒度的减小)， 在高温下的烧损率逐渐升高；当粒度一定时，随着温度的升高，烧损率逐渐升高。在粒度为240目、270目、300目、320目范围内烧结状态较为符合涂料的使用要求，以此四种粒度进行四因素四水平正交实验，通过性能测试极差分析得到最佳配比，此配比涂料有较好的烧结性能，经过消失模浇注实验验证得到表面光洁的铸件，没有气孔砂眼等缺陷，且涂料层成片剥落易清理，符合涂料的使用要求，环保绿色，可以进行生产。