1．簡介
消失模鑄造（又稱實型鑄造）是一種近乎無余量、 成形的鑄造工藝。 份關(guān)于該技術(shù)的于1958年發(fā)表(Shroyer，1958)，但其發(fā)展和應(yīng)用還是在近二十年，廣泛用于鑄鋁、鑄鐵及鑄鋼，尤其是在大批量生產(chǎn)諸如汽車和船用發(fā)動機缸體缸蓋等零件時顯示出其優(yōu)越性。
消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的泡沫模型，涂刷耐火涂料并烘干后，埋在干砂中振動造型，然后澆注，高溫液態(tài)金屬使模型液化和氣化，并占據(jù)原泡沫模型的位置，凝固冷卻后形成鑄件。由于其故有的特點，該方法獲得的鑄件表面光潔度遠高于常用的傳統(tǒng)的粘土砂鑄造和砂型鑄造，不需要制芯，不用分型，砂不用粘接劑，清理容易，鑄造環(huán)境好，可用于鑄造諸如復(fù)雜的發(fā)動機缸體缸蓋并給予產(chǎn)品設(shè)計 多的自由度。消失模鑄造技術(shù)，工藝過程控制復(fù)雜，對于原輔料要求嚴格，如耐火涂料的使用就是其中很關(guān)鍵的一環(huán)。本文將探討耐火涂料在消失模鑄造過程中的作用、要求、成分設(shè)計、性能及其與結(jié)構(gòu)的關(guān)系等。
2．金屬/泡沫模型/涂料/型砂的界面反應(yīng)
消失模鑄造用耐火涂料是介于泡沫模型和砂之間的一道屏障，在澆注過程中，耐火涂料是液態(tài)金屬/泡沫模型/涂料/型砂這整個系統(tǒng)中的一環(huán)，因此充分理解這整個系統(tǒng)的在澆注過程所發(fā)生的一系列反應(yīng)有助于理解涂料在消失模鑄造工藝中的作用及性能要求。關(guān)于消失模鑄造澆注過程中金屬填充的機理一直是一項熱點。
當(dāng)液態(tài)金屬流入而接觸到泡沫模型的一瞬間，泡沫的融化和分解就開始了，模型被融解而金屬填充留下的空腔。在流動的金屬和模型之間有一段間隙，充滿了泡沫中原有的空氣及泡沫融化和分解的產(chǎn)物(Bates et al., 2001)。泡沫的融化和分解產(chǎn)生的碳氫化合物中既有液體也有氣體，其成分隨溫度變化而不同(Kobzar and Ivanyuk, 1975; Tseng and Askeland,1992;)，這些液體和氣體 以特定的速度被涂層吸收并部分或全部進入外圍的砂子中。在鑄鋁時，鋁液融化EPS，液態(tài)的分解產(chǎn)物被推至空腔壁也就是涂層附近，在達到的溫度后液態(tài)的分解產(chǎn)物會潤濕涂層，并在涂層溫度升至325°C到400°C之間時隨即滲入涂層；如果涂料的透氣性適當(dāng)，當(dāng)溫度繼續(xù)上升時EPS可以被氣化分解而透過涂層進入砂子中(Sun et al.,1992) 。由于鑄鋁時溫度不是非常高，在金屬澆注停止后液態(tài)的分解產(chǎn)物潤濕并滲入涂層的過程仍會繼續(xù)。涂料的透氣性應(yīng)該設(shè)計適當(dāng)以便空氣及泡沫分解產(chǎn)生的氣體在液態(tài)的分解產(chǎn)物潤濕并覆蓋整個涂層之前被排放出去從而避免產(chǎn)生鑄造缺陷(Sun et al.,1992)。在鑄鐵時，溫度 高，EPS被融化產(chǎn)生的氣體 多而液體 少，因此在金屬/涂層界面的液態(tài)分解產(chǎn)物會較少而需要通過涂層排出的氣體增多。液態(tài)金屬的流動性及充滿型腔的過程在很大程度上取決與分解產(chǎn)物的排放(Fu et al., 1995) ，在鑄鋁的溫度下，液態(tài)分解產(chǎn)物的排放是關(guān)鍵；在鑄鐵和鋼的溫度下，氣體產(chǎn)物的逸出則 重要。由此可見涂層在消失模鑄造過程中起作控制傳質(zhì)和傳熱的雙重作用。透過涂層傳質(zhì)的過程中，液體和氣體分解產(chǎn)物的傳遞共同存在且相互竟?fàn)帲ハ嘧饔玫慕Y(jié)果是影響和決定了型腔充滿的機制和速度。如果液體分解產(chǎn)物過快地潤濕并覆蓋整個涂層，空氣和氣體分解產(chǎn)物將會聚集在液態(tài)金屬和涂層之間，由此而產(chǎn)生的壓力會延緩金屬的流動，甚至可導(dǎo)致冷隔 的產(chǎn)生。相反，如果氣體逸出涂層過快而液體分解產(chǎn)物潤濕和滲透入涂層太慢，金屬的流動會太快而將液體分解產(chǎn)物卷入流動的金屬液體中， 終將形成氣孔和表面缺陷(Liu et al., 1997)。在涂層的另一面是砂子，在砂子注入和震實時涂層機械支持泡沫模型保護其不被壓縮變形或斷裂。在澆鑄過程中，涂層既承受來自砂子的壓應(yīng)力，同時還受到來自流動金屬及泡沫模型分解產(chǎn)生的氣體和液體的壓應(yīng)力，盡管兩種壓力方向相反可以互相抵消一部分應(yīng)力，涂層仍應(yīng)有足夠的強度承受熱沖擊和應(yīng)力并同時讓部分分解物逸出。透過涂層傳遞而來的熱量和物質(zhì)部分進入其周圍的砂子，砂子的溫度上升并有部分分解產(chǎn)物殘留在砂子中(Fu et al., 1996)。
3．消失模涂料的作用和功能
如上所述，消失模涂料的作用在于支撐和保護泡沫模型、防止液態(tài)金屬滲入砂子和粘砂、吸收分解產(chǎn)物和讓分解氣體通過涂層、保持泡沫模型揮發(fā)后形成的型腔的完整、并保持液態(tài)金屬熱量不會很快散發(fā)。因此消失模涂料的使用可以降低鑄件表面粗糙度，鑄件精度，減少或防止鑄件粘砂、砂眼、氣孔、金屬滲透、冷隔、澆不到、積碳等缺陷。所以消失模涂料應(yīng)具有足夠的耐火度、的機械強度、恰當(dāng)?shù)谋睾蛯?dǎo)熱性能、合適的透氣性和吸收液體分解產(chǎn)物的能力、光滑的表面、足夠的涂刷性能、不與泡沫模型發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等。
4．消失模涂料的成分設(shè)計
消失模鑄造用涂料的基本成分包括耐火材料、載體、粘結(jié)劑、懸浮劑、劑、表面活性劑、去沫劑等(Martinez, 1990) 。耐火材料是涂料的骨架，其耐熱性、強度及透氣性等從而避免粘砂、毛刺等缺陷、獲得光滑表面。耐火材料一般是陶瓷粉末，種類選擇取決于澆注金屬種類、澆注溫度、零件厚度、造型砂的性能等。為達到 佳效果，可以選擇同一種耐火材料但不同顆粒大小的粉末混用、或幾種不同種類不同顆粒形狀和大小的陶瓷粉末混用。常用的有二氧化硅、氧化鋁、鋯英石、鉻鐵礦、硅酸鋁等(Bates et al., 2001)。 載體則是調(diào)整涂料的粘度并將耐火材料涂上泡沫模型且有的厚度所 的，對于消失模鑄造用涂料來說一般是水，用酒精，不能用其他可能與泡沫模型起化學(xué)反應(yīng)的溶劑。粘結(jié)劑則將涂料內(nèi)的各組分粘結(jié)在一起并在涂刷時涂料粘結(jié)在泡沫模型的表面，粘結(jié)劑多為一種或幾種粘結(jié)劑。粘結(jié)劑除了在涂料被烘干前涂料粘結(jié)在泡沫模型的表面，還要在涂料被烘干后和澆注時為涂料提供的強度。懸浮劑的主要作用是與載體形成膠體從而將耐火陶瓷粉末懸浮起來，以涂料的流動性，防止固體顆粒的聚集和沉淀。劑控制和微生物在涂料中的生長，以防止涂料腐壞變質(zhì)。表面活性劑主要使涂料生產(chǎn)過程中固體顆粒 易被潤濕并使涂料在使用時 易潤濕泡沫模型表面。去沫劑則用于使涂料生產(chǎn)和使用時不產(chǎn)生大量泡沫。為美觀和管理方便，涂料中還可加入顏料。各種組分可以有多種選擇，但需要注意的是有些組分之間會相互作用，有些組分會同時影響涂料的幾方面的性能。涂料的成分設(shè)計多是基于經(jīng)驗和大量的試驗，也有少量已發(fā)表的文獻觸及涂料的性能和組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。
5．消失模涂料的性能參數(shù)
消失模鑄造用涂料的使用性能主要是熱性能和透氣性，這兩項決定了其在澆注過程中的作用。在實際操作中則需要測量和/或控制其粘度、固體含量、透氣性、pH值等。只有涂料的性能穩(wěn)定一致，才可消失模鑄造產(chǎn)品的質(zhì)量。
粘度描述的是流動對于剪切力的反應(yīng)，是衡量涂料的流動性的一項重要指標，粘度雖然主要取決于涂料的成分，但也受攪拌過程的影響。尤其是在涂料使用時涂料的粘度會根據(jù)需要調(diào)整到恰當(dāng)?shù)姆秶校瑢τ谡扯鹊臏y量和監(jiān)控尤為重要。粘度的變化會影響到涂料的其他相關(guān)性能如固體含量、厚度及透氣性等，并進而影響鑄件質(zhì)量。消失模鑄造用涂料一般是剪切稀釋，在涂料制造過程中延長攪拌時間會導(dǎo)致粘度下降而透氣性相對穩(wěn)定，在使用時涂料的粘度會隨著攪拌時間的延長而進一步下降，過度攪拌還可能引起透氣性上升(Bambauer et al., 1996)。因此粘度的控制尤其重要。
透氣性直接控制著泡沫融化和分解的產(chǎn)物逸出的速度，從而決定了液態(tài)金屬的流動速度，進而決定了是否可以氣孔、冷隔、澆不到、積碳等缺陷的產(chǎn)生。透氣性的直接測量對于涂料質(zhì)量控制尤為重要。由于涂料在高溫下使用，直接測量其在使用狀態(tài)下的透氣性很困難，現(xiàn)有方法均為在常溫下進行。
現(xiàn)階段使用得比較廣泛的有兩種方法，一種是由是由阿拉巴馬大學(xué)(UAB-Birmingham)發(fā)明的(Bates et al., 2001)，通過測量在不同壓力下氣體流過覆蓋有涂料并烘干的屏篩的量從而計算出涂層的透氣系數(shù)。另一種由GM的Kocan(1996)提出，直接使用原用于測量型砂透氣性的Dietert Perm-meter, 只是將試樣裝夾臺加以改裝以承載覆蓋有涂料并烘干的屏篩，測量氣體在固定壓力下通過涂層的速度。GM法由于其方便 廣泛地應(yīng)有于消失模鑄造生產(chǎn)廠家，雖然只是一個半定量的方法，但其重復(fù)性好，已成功到用于生產(chǎn)廠質(zhì)量控制。但該方法未考慮涂層的厚度的影響，因此在實際生產(chǎn)中還需測量涂層的厚度并加以控制。實際表明，在涂料的可使用的粘度范圍內(nèi)，使用GM法測得的透氣性值與涂層的厚度的乘積幾乎不隨粘度變化而改變，因此在北美已開始采用透氣性值與涂層的厚度的乘積，也就是校正透氣性值(Normalized Permeability)，來作為質(zhì)量控制參數(shù)并已被實踐證明可行。
一般在討論透氣性時是指涂層的透氣性，在前面的討論中可以看出，在消失模鑄造過程中透氣性其實應(yīng)該被放在金屬/泡沫模型/涂料/型砂這整個動態(tài)系統(tǒng)中來考慮, 涂層的透氣性只是這整個系統(tǒng)中的一部分(Martinez, 1990)。砂子種類、形狀和溫度的改變、是否抽真空、泡沫模型性能的改變等都會引起這整個系統(tǒng)的透氣性的改變，并從而改變金屬流動行為。在實際操作中，有時鑄造生產(chǎn)廠家希望通過改變涂層的透氣性來補償因其他工藝參數(shù)的變化而引起的這整個系統(tǒng)的透氣性的改變，但是單純改變涂層的透氣性有時并不足以補償整個系統(tǒng)的透氣性的變化。
其他性能參數(shù)還包括固體含量、干重和濕重、pH值、BAUME等。涂層固體含量主要取決于耐火填料所占的比例，并影響到涂料的粘度，涂料的固體含量的高低與其抗粘砂性緊密相關(guān)。干重和濕重易于操作，是對涂料的粘度和固體含量測量的一個補充。監(jiān)控pH值的變化可以及時發(fā)現(xiàn)涂料中和微生物的生長。Baume度的測量并不是一個很準確的質(zhì)量控制參數(shù)，尤其是對消失模鑄造用涂料而言。
涂料的導(dǎo)熱性能對于獲得 的消失模鑄件至關(guān)重要，導(dǎo)熱常數(shù)、比熱、熱膨脹系數(shù)等的測量多在涂料的階段而不是在使用過程中進行。
6．消失模涂料的性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系
對于消失模涂料的性能和組分間的關(guān)系已有很多的經(jīng)驗和知識積累，在前面已探討過。對于涂料的性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系的理解則很有限，建立涂料的性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系有助于新型涂料的和使用，并對消失模鑄造工藝控制提供幫助。
早期的已觸及該方面，Sun 等人(1992)已揭示涂層的透氣性取決于涂料中顆粒大小及分布、形狀、以及氣孔的特征，其已顯示，一種主要由接近圓形的、尺寸較大、大小分布較均勻的氧化鋁顆粒構(gòu)成的涂料比另一種由不規(guī)則形狀的、尺寸較小、大小分布不均勻的二氧化硅顆粒構(gòu)成的涂料透氣性 高。Chen 和 Penumadu (2005) 的表明涂層中“氣孔”的大小和結(jié)構(gòu)與涂層的透氣性緊密相關(guān)。Qi 等人(2005) 曾嘗試建立一個關(guān)于消失模涂料的結(jié)構(gòu)模型以解釋其
傳熱和傳質(zhì)的特征。鑒于其復(fù)雜性，對于消失模涂料的性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系還有很多的工作要做。
7．結(jié)語
消失模涂料是消失模鑄造中金屬/泡沫模型/涂料/型砂這個系統(tǒng)中的重要一環(huán)，涂料在鑄造過程中起到傳熱、傳質(zhì)、控制金屬流動性等作用，涂料的性能取決于其成分和結(jié)構(gòu)，在實際應(yīng)用中要根據(jù)
實際工藝來有針對性地選用或合適的涂料。
