铸造涂料新技术及发展趋势 - 文章

铸造涂料新技术及发展趋势

作者：福士科铸造材料（中国）有限公司宋会宗

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铸造涂料是铸造业中非常重要的材料，对铸件的外观质量及内部质量有很大的影响。近年来，铸造涂料技术发展迅速，涂料的性能不断提高，功能不断扩展，涂料的品种越来越丰富。本文将对铸造涂料近年来出现的一些新技术如高渗透涂料、防脉纹涂料、整体浸涂涂料、非锆质涂料及先进的在线涂料质量控制技术等做一简单归纳总结，并对铸造涂料的发展趋势进行探讨。

1 涂料新技术

1.1 高渗透涂料

砂型芯表层砂粒之间存在很多孔隙，孔隙的大小由原砂粒度及紧实度决定。孔隙越大、越多，金属液就越容易渗入其中而形成机械粘砂。对于一定粒度的原砂，砂粒之间孔隙大小主要取决于紧实度。由于受砂型芯的结构差异、造型或制芯操作者的习惯、型芯砂的流动性等因素的影响，铸造生产实践中砂型芯各部位的紧实度很难做到一致，特别在转角、突出或薄壁砂芯兰等难以坚实的部位极易出现紧实不良，在型芯疏松部位容易发生图1 所示的金属液渗透，砂粒间的空隙清晰可见并已被金属填充。

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图1 显示了砂粒之间的空隙及渗入的金属图2 硅砂颗粒旁边渗入的涂料粒子

为了克服这个问题，涂料要能够渗透砂芯表面并在空隙中填充足够的耐火骨料颗粒，有效地进行密封，从而消除或减少金属渗透。普通涂料通常只能渗入1-2 个砂粒，当金属压力较高或浇注温度较高时，不能有效地阻止金属液的渗入而产生机械粘砂。使用特殊设计的高渗透涂料，如SEMCO Coating 9223（水基锆英粉高渗透涂料）或Teno Coating ZKPX（醇基锆英粉高渗透涂料），其渗透深度可达到5~50 mm,可有效地堵塞砂型芯表面的孔隙，从而可有效地防止机械粘砂的出现。通常采用刷涂或喷涂将这些涂料直接用于容易发生渗透的区域。使用高渗透涂料后的砂芯表面结构如图2所示。SEM 影像显示出硅砂颗粒旁边渗入的涂料粒子填充砂粒间隙的状态。

图3-图6 显示了高渗透涂料的一些主要应用实例。目前主要用于大型铸铁件、铸钢件关键砂芯、细长或盲孔砂芯，可有效地防止烧结或机械粘砂。该涂料还可以部分代替铬铁矿砂（图5）。在汽车铸件的关键砂芯上也用于防止局部粘砂、烧结（图7）。特殊设计的高渗透涂料用于涡壳用液压件的脉纹防止。该涂料含有氧化铁等防止脉纹的活性成分，同时还含有磷片石墨等防粘砂材料。涂料浸涂时氧化铁等活性成分可渗入砂芯表面5耀10 mm, 抗粘砂材料留在砂芯的表面。因此，该涂料可有效地防止脉纹和粘砂（图8）。

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1.2 防脉纹涂料

脉纹缺陷是发动机铸件生产中的典型铸造缺陷。其中冷芯盒砂芯产生脉纹的倾向最大。发动机铸件在水套、油道、气道部位经常会出现脉纹缺陷，这种缺陷会阻碍发动机内腔气液涡流特性，从而影响到发动机的工作性能。大量的研究和长期的铸造实践表明,铸件表面产生脉纹缺陷的根本原因是硅砂在573℃相变膨胀引起的热应力导致砂芯表层开裂,铁液渗入裂纹中所致。脉纹的产生有两个基本条件：一是相变膨胀产生的热应力大于砂芯表面的强度；二是铁液具有足够的流动性。因此，凡是能减少热应力的因素都会减少脉纹的产生，能提高砂芯高温强度及韧性的因素也会减少脉纹的出现，能加速铁液凝固的因素也会减少脉纹的产生。目前国内外针对脉纹缺陷所采取的措施无外乎以上三个方面。防脉纹涂料是最为经济有效地防脉纹措施。目前在国内外汽车铸铁件中已获得广泛的应用。福士科公司的Rheotec XL 是典型的防脉纹涂料，同时也是一种综合性能极佳的汽车铸件复杂关键砂芯专用涂料。主要用于缸体缸盖的水套、油道、进排气道、差速器等关键砂芯，可以有效地防止铸件内腔常见的脉纹、烧结、粘砂等缺陷，大大提高铸件内腔的清洁度。可以代替防脉纹添加剂，降低成本。该涂料具有良好的隔热性，可以推迟砂粒的相变膨胀和砂芯粘结剂的分解；涂料中含有氧化铁红等具有防脉纹作用的成分；涂层在浇注时有适度烧结，从而提高了涂层和砂芯表面的强度。图9是采用不同涂料时砂芯表面的温度随时间的变化曲线。从曲线可以看出，Rheotec XL涂料具有良好的保温性能，可使砂芯表面的温度大大降低，减低硅砂相变的发生速率及相变产生的应变量。同时也使铁液处于液相线温度以上的时间大大缩短，使铁液钻入砂芯产生脉纹的机率明显降低。图10 为几种涂料的防脉纹效果。图11、图12是防脉纹涂料在缸盖及气道砂芯上的应用实例。

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1.3 整体浸涂涂料

汽车发动机缸体缸盖的生产是铸造技术的一个至高点，缸体缸盖的砂芯是铸造行业中最复杂的一类砂芯。随着汽车技术的发展，对缸体缸盖的尺寸精度及内腔质量的要求越来越高。如何提高缸体缸盖的尺寸精度及内腔清洁度，减少脉纹、烧结、粘砂等铸造缺陷是摆在广大汽车铸造工作者面前的一项重要课题。目前国内缸体缸盖铸件的质量与欧美发达国家还有很大的差距。汽车发动机缸体缸盖类砂芯的整体浸涂可以大大提高发动机铸件的尺寸精度及生产效率，代表了新一代汽车铸造技术的发展方向，但对涂料的综合性能提出了更高的要求。一方面由于组合后的砂芯立体空间结构及形状的复杂程度大大增加，使得浸涂工艺的难度大大增加，对涂料的流变性能提出了非常苛刻的要求。涂层厚度在砂芯不同部位要保持一致，不能有滴痕、流痕及堆积等缺陷；另一方面，为了保证优良的内腔清洁度，涂料还应具有良好的抵抗粘砂、脉纹、烧结等性能。Semco Sil 301 是最新研制的高性能水基整体浸涂涂料，如图13。该涂料在德国Daimler AG 已获得非常成功的应用。

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图13 整体浸涂涂料Semco Sil 301 在Daimler 缸体及缸盖上的应用

该涂料具有优异的流变性能和良好的综合工艺性能，且通用性较强，可用于缸体缸盖等各种发动机铸件。铸件具有很强的抗粘砂及抗脉纹能力，铸件的内腔清洁度高。

1.4 非锆质铸造涂料

锆英粉一直是性能最好、应用最广的涂料耐火骨料。但近一两年锆英粉的价格一路狂涨，达到23~25元/kg，远远高于历史上锆英粉的最高价格，使得本来就利润微薄的我国铸造厂难以承受。这次锆英粉涨价是全球性的，而且将会持续很长时间。面对这样严峻的形势，摆脱对锆英粉的依赖，开发非锆质涂料是非常迫切的，也是非常有意义的。广大铸造工作者在锆英粉的代用方面已做过大量的试验研究工作，也取得了一些成果。如以高铝矾土、莫来石、铬铁矿、铬刚玉或棕刚玉等材料为基的涂料用于生产中小型碳钢件。但是由于缺乏理论上的指导，加上某些原材料本身的质量波动较大，这些涂料的质量稳定性及其应用范围十分有限。往往当铸件的材质、结构及壁厚等因素变化较大时涂料的应用效果差异很大。单单从耐火度来看，铝矾土、刚玉、莫来石、铬铁矿、镁砂粉等常用的骨料都在1700℃以上，远远高于各种铸钢件的浇注温度。但是从实际的使用效果及质量稳定性来看，却并不是很理想。利用不同耐火材料的复合或添加烧结助剂等在理论上可以达到取长补短、改善涂料烧结性能等目的。实际上在这方面也确实取得了很多可喜的成果，但是复合的比例或烧结助剂的添加量的把握十分困难，往往需要大量的试验来确定。到目前为止，就涂料的通用性和剥离性而言，没有一种涂料能够完全达到锆英粉涂料的水平。但是经过长期的努力和大量的试验，目前可以针对不同铸件使用几种（2-4 种）不同的涂料而实现锆英粉涂料的完全代用。个别涂料在合金钢铸件上的使用效果甚至超过了传统的锆英粉涂料。图14 是利用某种复合天然矿物材料配制的涂料在泵壳类碳钢件上使用效果。图15 是一种非锆质复合涂料在汽轮机不锈钢叶片上的应用。以前采用锆英粉涂料生产时在浇口附近一直存在严重的粘砂。采用新研制的非锆质涂料后，较好地解决了浇口部位粘砂这一问题。目前此涂料在核电、水电、火电类铸件上也取得了很好的应用效果。图16 为复合非锆质涂料在铁路碳钢件上应用效果。这几种涂料基本覆盖了碳钢、低合金钢及高合金钢等原来使用锆英粉涂料的大部分铸钢件。在大型铸铁件上目前也可实现锆英粉涂料的完全替代。

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图14 非锆质涂料用于泵壳类铸钢件

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图15 非锆质涂料用于汽轮机不锈钢叶片

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图16非锆质涂料用于铁路碳钢件

1.5 涂料在线精确质量控制技术

CPP全自动涂料工作站(Coating Preparation Plant)是福士科（FOSECO）公司开发的最新涂料应用设备，适用于高品质铸件自动化生产线中涂料使用参数的全自动精确控制。该工作站通过实时、连续测定涂料的密度及粘度将涂料的配制及质量控制实现全自动过程控制，可有效地消除人为因素的影响，使涂料涂敷质量更加稳定一致。CPP 工作站集涂料配制及质量控制一体化，可实现自动加料、输送、循环及在线、实时、连续、自动测定涂料的密度及粘度，控制精度及可靠性高，环境及人为因素影响小。配有超声波清洗器可自动清洗传感器探头，双联过滤器可滤除涂料中的杂质。测量数据记录并保存在专用数据库中，可生成定制化报告。CPP工作站还可与全球技术服务中心连接，实现远程控制。CPP适用于各种水基涂料及醇基涂料，可适用于浸涂、流涂及喷涂。CPP可实现一机多用，可同时供给多个涂料浸涂或流涂槽工位。图18 是带有CPP工作站的流涂设备。

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图17 CPP全自动涂料工作站

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图18 带有CPP工作站的流涂设备

2 涂料的发展趋势

伴随着机械和铸造业的发展，铸造涂料已经并还将不断涌现出很多新技术、新产品及新的理念，然而其总体上的发展趋势不外乎技术上的进步和环保意识的加强这两大主线。归结起来主要有以下几个方面：

2.1 发展防缺陷涂料

随着铸造涂料技术的不断发展，涂料的功能也在不断地扩展。利用特殊设计的涂料防止铸件的某些典型缺陷成为铸造涂料的一个重要发展趋势。其实，最早的涂料就是防止粘砂这一铸造缺陷的。碲粉涂料也是一种防止缩松（渗漏）缺陷的一种涂料。近年来发展起来的防脉纹涂料是其中的较为成熟的一种新型防缺陷涂料，在国内外汽车铸铁件中已获得广泛的应用。含有氧化铁的防气孔涂料也是一种新型的防缺陷涂料，目前在铸铁件及铸钢件上均有成功的应用案例。随着各种高档球铁件如风电及汽车铸件的增加，呋喃树脂砂特别是再生砂中硫的问题越来越突出。呋喃树脂固化剂中的有机磺酸在浇注时会分解出含硫气体，进而被铸件表面的铁液吸收，导致铸件表面的石墨球变异，出现一定深度的片状石墨或蠕虫状石墨层。目前国内外已开发出多种具有防硫作用的涂料。该涂料一般被设计成烧结隔离型、碱性吸收型或混合型防硫涂料。铸钢件也容易受硫的影响。目前国内已开发出能够防止铸钢件表面微裂纹的阻硫涂料，并在铁路铸件上得到应用。

防缺陷涂料是通过影响或控制涂料与金属液的界面反应达到防止某种缺陷的目的，这一类涂料将有非常好的发展潜力及更加广泛的应用前景。可以预见，能够防止更多铸造缺陷的涂料品种将会不断涌现。

2.2 发展水基涂料

水基涂料的环保优势、质量优势及成本优势都很明显，将是未来涂料的一个重要发展趋势。水基涂料在大型铸铁件如风电铸件及大型铸钢件上具有非常好的发展前景。目前在国内外一些厂家已获得非常成功的应用。如某风电铸造厂采用水基流涂涂料生产大型风电球铁件。涂料的烘干采用热风炉，而其热风炉的热量来自于铸件浇注后的废热。这是一个非常值得借鉴或推广的技术。又如某铸钢厂采用水基涂料生产大型铸钢件。涂料主要靠自干，合箱后采用热风进一步烘干涂料及铸型内的残余水分。水基快干涂料也将是一个很有前景的发展方向。

2.3 发展非锆质涂料

由于锆英粉的资源紧张、价格飞涨以及开采锆英砂对环境的严重破坏，非锆质涂料将是一个明确的发展方向。非锆质涂料的主要研究方向是复合骨料，目前最大的障碍是缺乏理论上的指导。主要需考虑以下几个方面的因素：

（1）不同金属材质具有不同的酸碱性，这取决于金属中合金元素的种类及含量。各种耐火材料的酸碱性要和金属材质的酸碱性相适应；

（2）涂料的烧结性能决定涂料的剥离效果。烧结性能一般可以通过不同材料的复合或加入烧结助剂来实现。材料的复合及烧结助剂的选择及加入量的确定要考虑材料之间高温的矿相反应产物及动力学因素，还要考虑低熔点玻璃相的种类、数量及粘度特性；

（3）耐火骨料在浇注及冷却过程中的体积及线膨胀特性将会影响涂料的剥离效果。耐火骨料自身的相变、矿相反应产生的新相以及烧结产生的收缩都应考虑在内。

这些考虑将有赖于涂料抗粘砂及自动剥离理论及试验方法方面的突破，今后应加大这方面的研究力度。

2.4 发展高性能、高精度、高效率的新型施涂及控制技术和设备

汽车铸造中将向机械化、自动化、机器人浸涂方向发展，逐渐淘汰手工或机械化程度较低的施涂方式。同时将越来越多地采用自动在线涂料质量控制技术如CPP全自动涂料工作站等，使涂料的施涂质量及稳定性达到更高的水平。单件或小批量生产线如各种树脂砂生产线将更多地采用流涂涂料。流涂可提高施涂效率和涂层质量、消除刷痕。

3 结束语

提高涂料综合性能、增加涂料附加功能将是涂料发展的永久课题。通过吸收相关行业的先进技术、先进材料以及最新的理论不断丰富铸造涂料的理论和产品创新，铸造涂料的发展潜力将是巨大的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/21/2012)


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