铸造用砂芯粘结剂粘度研究及应用

冯月雪，李 娜，季 托，姜爱龙，陈海东

（1.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061；2.潍柴动力(潍坊)铸锻有限公司，山东潍坊 261061）

0 前言

在铸造组芯过程中，为避免浸涂涂料和浇注过程中出现砂芯掉落、漂芯等问题，砂芯和砂芯的结合面间，需要用粘结剂进行粘结。目前常用的粘结剂根据材料特性和使用方式可分为两种：一种粘结剂需要进行预加热，使粘结剂熔融到一定温度变为流动的粘性液体，涂覆到砂芯表面后温度下降即产生粘结强度，即我们通常所说的热熔胶，此过程需要通过热熔胶机设备进行操作；另外一种粘结剂是在常温进行涂抹，通过放置一段时间或加热烘干产生粘结强度，此种粘结剂的涂覆方式，传统上是采用人工涂覆，随着工业化的发展，人们对自动化的需求越来越高，也逐渐出现了自动打胶设备[1]。

自动打胶设备的出现，使现场组芯的自动化程度更高，更加便捷，极大的提高工作效率，而且，自动打胶设备可以更加精确的控制粘结剂的流量，使粘结剂的涂覆更加均匀。但与此同时，对粘结剂材料也提出了更高要求：采用人工打胶的方式时，相对比较灵活，工人可以根据对粘结剂的手感，判断粘结剂的情况，随时调节打胶的力度，工艺人员对粘结剂材料的关注度，也仅仅主要集中在粘结剂在砂芯间是否能够建立足够的粘结强度；而自动打胶设备，无法像人工一样自动判断粘结剂状态，在设定了压力或流量的情况下，只会按照固定的程序进行运转，粘结剂材料波动较大时，会导致粘结剂流淌过快形成堆积，或过慢胶量较少形成不了强度，甚至堵塞打胶设备的喷嘴。因此除了粘结强度外，还要关注粘结剂流淌稳定性这一使用过程参数。

对于铸造砂芯粘结剂材料，目前行业内还没有形成一致的标准。根据查阅相关资料，考虑可以通过粘度来表征粘结剂流淌的稳定性。

粘度测量常用方法有毛细管法、落球法、旋转法、振动法等[2]。其中，旋转粘度法，因设备结构简单、方便使用，是目前各种流体粘度测量中应用比较广泛的一种方法。旋转粘度计的正确应用，有许多需要关注的注意事项，如被测液体温度、被测液体容器选择、转子转速选择、转子进入液体深度等[3]。为了使铸造用砂芯粘结剂材料更好的稳定应用，我们开展相关试验，重点关注以上因素等对砂芯粘结剂粘度测试结果的影响，为粘结剂采用机器人自动涂覆的稳定应用提供借鉴和参考。

1 试验内容

采用Fungilab 旋转粘度计，对砂芯粘接剂材料的粘度进行测试，试验内容如下：

（1）转子选择；

（2）操作方式对粘度的影响分析；

（3）转速对粘度测试结果的影响分析；

（4）温度对粘度测试结果的影响分析；

（5）粘结剂放置时间对粘度的影响分析。

1.1 转子选择

对于转子的选择，首先考虑的是测量量程，一般粘度计设备厂家均会提供转子和量程的对应表，根据实际情况进行选择即可，在此不做过多试验和探索。除考虑量程外，另外需要关注的是所测量流体的状态。

如图1a 所示圆盘形转子，其测试砂芯粘结剂后的状态如图1b 所示，砂芯粘结剂未能完全覆盖住粘度计转子，主要是由于转子进入砂芯粘结剂时，在圆盘底部形成了较大的空腔，而由于砂芯粘结剂的流动性较差，在转子旋转过程中，空腔很难复原，最终影响粘度测量的准确性。因此在测量砂芯粘结剂时，应尽量避免选用圆盘形的转子，而选用如图1c 所示转子，此时粘结剂材料在转子上的附着状态较好（如图1d 所示），对粘度的测试也会相对稳定。

图1 转子形状及材料附着状态

1.2 操作方式对粘度的影响

在测量性能时，为确保测试数据准确性，通常我们会对同一样品进行重复性测量，或多测试几组数据取平均值。此时，样品的处理方法对测试结果会有较大的影响，如表1 所示，有以下两种对样品的处理方式。

表1 试验方法

经测试发现，对于方法一的样品处理方式，几次测试的粘度趋势比较混乱，有增高的趋势，也有降低的趋势，表现不一，而且数值差异较大，如图2a 所示；而方法二的样品处理方式，几次测试的粘度变化规律比较一致，如图2b 所示。分析原因，应该是由于连续试验后，粘结剂的表层因裸露于空气中而逐渐固化起皮，且转子上粘附的样品也逐渐固化，影响了转子的转动，从而影响了样品的粘度数据的准确，如图3 所示。

图2 不同样品处理方式的粘度变化

图3 粘结剂表面起皮

因此，为保证样品数据的一致性，后面试验均以方法二的方式开展，即每次实验前搅拌样品、清洗转子，以保证转子的清洁以及样品表面不产生固化起皮。

从图2b 还看出，随着时间的延长粘度呈不断降低的趋势。再延长时间至8min，粘度仍然持续降低，如图4 所示。因此，在规定粘度要求时，需约定试验截止时间，本文后续测试以300s 结束时间时的粘度作为粘度最终值。

图4 粘度随时间变化

粘度测量时，有很多的因素会影响到粘度测试结果，如转子进入样品的位置、样品搅拌均匀性、样品中是否存在气泡等，均影响样品粘度值的大小。此时需要注意：粘结剂样品挤出置于烧杯中后，尤其是样品比较粘稠时，需要用搅拌棒进行搅拌均匀，避免样品不平以及空腔的存在影响检测准确性；另外，粘结剂上平面需与转子的刻度平齐，过高或过低，都会使测试的粘度值发生偏差，因此，除了样品要尽量平整，还需要操作人员仔细观察，使样品尽量和刻度对齐。

为验证测试数据的波动范围，采用同一样品、同一参数，严格按照以上试验方法，进行重复性试验：温度20℃，转速50r/min，以300s 结束时的粘度数据作为最终粘度值。共进行10 次测试，测试结果如表2 所示。

表2 粘度测试结果

由表中数据，测量的极差为940mPa·s。根据设备转子（R7）和转速（50r/min）选择，设备在此设定下的量程80000mPa·s，设备的精度±1%，即±800mPa·s，测量的数据在可接受范围内。

1.3 转速对粘度的影响

设定不同的转子转速进行粘度测试，转速（转/min）分别为12，20，30，50，80，如图所示，随着转子转速增大，测试的粘度呈现降低趋势，且由70000mPa·s 之余到10000mPa·s 之余，相差较大。

1.4 温度对粘度的影响

图5 粘度随转子转速变化

为研究温度对砂芯粘结剂粘度的影响，特在不同温度条件下进行粘度测试，测定转速50r/min。为保证样品温度均匀，先将样品放置在水域槽中进行预热。如图6 所示，随着温度的升高，旋转粘度呈降低趋势。由此数据，除了检测时约定相同的温度外，同时也提醒材料的生产商，要考虑温度对粘度的影响，如针对冬季和夏季温度不同，设计不同粘度配方的产品，以满足客户的实际使用需求。

图6 温度对粘度影响

1.5 样品放置时间对粘度的影响分析

在砂芯粘结剂的使用过程中，发现生产出来的粘结剂状态一致，但到用户使用时，表现出的粘稠程度并不一样，手工打胶时，影响还并不很大，采用机器人涂覆时，则有时会出现流淌，有时会出现胶线过细甚至堵塞喷头的极端情况。对此情况，我们进行了分析，并开展了粘度测试：取同批次粘结剂，测试初始粘度后，分别放置8 天、16 天、24天、32 天、40 天后，再次测试粘结剂的粘度。

结果显示，随着粘结剂放置时间的延长，粘度逐渐增大。也正是因此，同批次的粘结剂，应用时反而呈现出了不同状态。也就是说，在使用时，我们要关注初始粘结剂状态，还要注意到粘结的放置时间，使粘结剂在比较适宜的粘度范围内使用。

图7 样品放置时间对粘度的影响

2 结论

本文测试了铸造用砂芯粘结剂在不同条件下的旋转粘度，分析了转子选择、操作方式、转速等对粘度测试的影响，并测试分析了温度以及放置时间等对粘结剂本身粘度的影响，对于砂芯粘结剂粘度指标制定、测试及应用建议如下：

（1）旋转粘度指标制定时，宜规定转子、转速、测试温度、试验结束时间等，选择转子时，不宜采用圆盘式转子。

（2）旋转粘度测量时，在每次试验前应清洗转子、搅拌样品，样品起皮时应去除表层样品再继续测量；同时注意样品搅拌均匀、平整；转子进入样品时，转子要与刻度平齐。

（3）砂芯粘结剂在机器人上应用时，要考虑环境温度，如冬季夏季的差异，也要注意粘结剂的放置时间不宜过长。