消失模铸造用涂料高温性能测试方法
摘要：介绍了一种消失模铸造用涂料高温性能的测试方法，详细描述了测试原理，试样制作，试验条件选定和测试 方法，并对多种品牌的消失模涂料进行了高温性能的测试。结果表明，该方法能够模拟浇注现场状态，准确地测定消失模铸造涂料的高温传输特性、高温透气性、高温强度等主要性能指标，数据重现性好，可靠性高，测试结果与 浇注试验结果吻合很好，对实际生产具有指导意义。
关键词：消失模铸造涂料；高温透气性；高温强度；测试
消失模铸造涂料作为铸造涂料的一种，具有一般涂料的共性。同时，由于消失模铸造成形原理与砂型铸造不同，因此对其高温性能方面提出了更高的技术要求：（1）涂料具有良好的高温透气性，高温透气性在很大程度上影响着金属液的充型和铸件质量。在浇注过程中泡沫塑料产生的热裂解产物要通过涂层排出，高温透气性过低，气体逸出慢，压力高，阻碍金属液的充填，造成铸件产生冷隔、浇不足、气孔、积碳等铸造缺陷；而透气性过高，又会造成铸件机械粘砂。（2）涂料具有良好的高温强度，防止浇注过程中由于金属液的冲刷使涂层破裂，造成塌箱和粘砂等缺陷，影响铸件的尺寸精度。所以，消失模涂料的高温性能对于消失模铸造是非常关键的技术指标，应该严格控制在一个合适的范围[1-2]。
目前，我国消失模铸造发展很快，但是消失模涂料高温性能的检测手段缺乏，而且行业内现有的测试方法由于量纲不同而导致测定结果无法互相比较，没有统一的测试方法和标准，极大地制约了我国消失模铸造的发展。文献中报道了一些高温透气性的测定方法，多数方法是使用型砂透气仪进行测定[3]，但这种方法测定的是涂料的常温透气性，不是高温透气性，数据不可靠，难以指导生产实践。有些方法虽然能够利用负压测定涂料的高温透气性，但此方法自身也存在很多问题，如筛网对涂料透气性的影响，装夹涂层比较困难等[4-5]。为解决上述问题，本文采用HST-Z多功能消失模涂料检测仪[6]，并通过对制样条件，测定条件的试验研究，建立了一整套较系统的消失模涂料高温性能测试方法。经过多次试验和生产检测应用，达到较好的效果，能够满足实验室快速检验的需要。
1 消失模涂料高温性能测试原理
根据消失模铸造的工艺特点及其对涂料性能的要求，将裂解产物在涂层中的传输特性，高温透气性及高温强度作为消失模铸造涂料的主要高温性能测试参数。高温作用下，涂壳内的EPS液化、裂解，形成一 定的压力并通过涂层向外传输，通过压力传感器测试该压力，根据该压力的变化评价裂解产物通过涂层的传输特性；然后让一定体积、一定压力的气体通过涂层，测试压力衰减的情况直观地看出涂层高温透气性的好坏，同时运用气态方程、流体力学理论及达西定律，计算得到涂层高温透气率的准确值，见公式1；最后持续充入高压气体并逐渐增大气体压力，直到涂层被冲破，用此爆破强度的气压值表征涂层的高温强度。测试原理如图1所示。
图1 测试原理图
（ 1 ）式中：Pe为储气罐的终气压，Pa；P0为外界气压，Pa；Pb为储气罐的初气压，Pa；h为涂层厚度，cm；V为储 气罐容量，cm3；A为涂层有效通气面积，cm2；te为从 Pb降至Pe所需时间，min；k为涂层透气率，cm2/Pa·min。
2 试验部分
2.1 试验仪器与设备
试验用仪器有：高速分散机（上海普申化工机械有限公司生产），功率为0.75 kW，调速范围为0～10 000 rpm；天平；比重计；HST-Z多功能消失模涂料检测仪（华中科技大学研制），其中，管状电阻炉功率为2 kW，采用KSY型电炉温控仪控温，如图2所示。
图2 多功能消失模涂料检测仪
2.2 试验材料与方法
2.2.1 制备白模模样
采用模具一次发泡制作出6个EPS半球形泡沫模样，将半球形模样插入试管内待用，如图3所示。
图3 白模模样
2.2.2 涂料的调配
称取粉状涂料500 g，按粉∶水＝1：0.6，量取水300 mL，倒于2000 mL塑料量杯中，开启高速分散机，调速900转，在搅拌水的过程中，向水中逐渐加入涂料500g，加完后，保持600转的转速搅拌1h，若涂料粘稠，可适当添加水，最多不能超过粉∶水＝1∶1，停止搅拌，静置熟化0.5h[7]，加水微调，用比重计测定波美度在61～70之间。
2.2.3 模样的干燥，涂料浸涂、涂层烘干
将模样放入烘箱，在45 ℃下烘干30 min后取出。一种涂料制备4个平行试样。将烘干好的白模模样浸入到已调配好的涂料中，浸入深度大约4～5 cm，慢慢旋转试管，3 s以后拿出，水平慢慢旋转试管使涂料涂挂更均匀，涂挂好后垂直放置静置5 min，放入烘箱，涂层在50 ℃下烘干40 min，涂层烘干后，按同样方法继 续进行第二次涂挂，如此重复，每次涂挂烘干后用游标卡尺测定涂层厚度，一般经过3-5次涂挂后使涂层厚度达到1 mm左右为止。涂挂后的试样如图4所示。
图4 涂挂后的试样
2.2.4 分析测定
启动HST-Z多功能消失模涂料检测仪，升温至 900 ℃，打开测试软件，输入样品名称、涂层厚度、测定人员等信息，把试样接上气管，按下测定按钮后，迅速将试样放入仪器的管式炉内，仪器将按程序依次进行裂解产物传输特性、高温透气性、高温强度三项性能的测定，计算出裂解产物排出时间、高温透气率及最大压强。同一种涂料连续进行4次平行样的测定。测定曲线如图5-7所示。图5为传输特性测定曲线，在高温作用下，EPS开始气化，形成一定的压力，随着气化的进行，压力逐渐增大，直至气化完成，压力到达最高值。随着时间的推移，气体通过涂层向外传输，涂壳内压力逐渐减小。直至到达零点完全排出。记录完全排出的时间，以此时间来评价传输特性，时间越短，传输特性越好。图6为高温透气性测定曲线，让一定体积、一定压力的气体通过涂层，测试压力随时间衰减的情况，结合压力、涂层厚度、通气面积、时间，根据公式1计算得到涂层高温透气率，透气率越高，透气性越好。图7为高温强度测定曲线，持续向涂壳内充入高压气体并逐渐增大气体压力，涂壳内的压力随时间逐渐增大直至到达涂层所能承受的最大值后，涂壳被冲破，接着压力衰减到零，压力最大值即爆破强度的气压值为涂层的高温强度，最大压强越大，高温强度越高。
3 结果与讨论
3.1 涂料的波美度
涂料需要调配到合适的波美度，以便于涂挂。为考察涂料的最佳波美度，分别将不同厂家的涂料调配到50～60、61～70、71～80后，进行涂挂试验，结果见表1。由表1可以看出，涂料波美度在61～70之间，涂挂效果最好。所以，本方法选择涂料的波美度为 61～70。
图5 传输特性测定曲线
图6 高温透气性测定曲线
图7 高温强度测定曲线
表1 不同波美度的涂挂试验
3.2 模样的干燥
白模模样不能含水，否则会影响涂挂和浇注，在浸涂前要进行干燥。干燥温度高，时间长，会软化白模；温度低，时间短，又烘不干水分。为选择合适的干燥温度和时间，进行了试验考察，结果表明，模样在45 ℃下干燥30 min，进行恒重，水分去除彻底。所以，本方法选择在45 ℃下干燥白模30 min。
3.3 涂层烘干
涂层在干燥初期速度较快，一般有70%~80%的水分在全部干燥时间的20%~30%内即可脱水，而剩余20%~30%的水分则需要在全部干燥时间的70%~80%才能慢慢脱水。所以，针对不同厂家的涂料，对烘干温度和时间都进行了试验评价。结果表明，涂层在50 ℃下烘干40 min，进行恒重，脱水完全，符合试验要求。因此本方法确定烘干温度50 ℃，烘干时间40 min。
3.4 测定温度
消失模铸铁件的浇注温度一般在1 350～1 450 ℃， 为确定合适的测定温度，按照本试验方法，选择在温度700 ℃、900 ℃、1 200 ℃、1 400 ℃下，对测定温度进行了试验评价，选用涂料为1#（武汉），涂层厚度为 1.00 mm，结果见表2，温度与性能的关系曲线见图8。
表2 测定温度的试验评价
图8 温度与高温透气率的关系曲线
由表2及图8可看出，测定温度在700 ℃，较其他温度，排出时间长，高温透气率低，强度大，因为白模EPS的汽化温度是550～650 ℃，在700 ℃时裂解产物 刚刚开始通过涂层向外传输，同时由于空气粘度的增加，涂料的耐火骨料发生热膨胀，均使气体通过涂料中孔隙的阻力增大，所以此时涂料的透气性低，排出时间长。随着温度上升到900 ℃，排出时间缩短，高温透气率增加，强度降低，这是因为在900 ℃时EPS已经裂解完毕，而且涂料中的有机物发生热分解，导致测定结果有此变化趋势，继续升高温度到1 200 ℃和 1 400 ℃，测定结果没有明显差异，说明从900 ℃开始，裂解、分解均已完成，测定结果稳定，此时能最真实地反映涂料的高温性能。采用不同厂家的涂料重复进行本试验，结果表明，只是不同涂料在相同温度下的测定结果不同，但均符合上述测定结果随温度变化的规律，可以在同条件下对不同涂料进行性能比较。所以，本方法选择900 ℃作为测定温度，测定结果可靠，不需要更高的温度，避免了测定时间的延长以及高温缩短仪器寿命。
3.5 测定压力
通过试验表明，裂解产物传输特性测试中的气体压力为0~3 kPa，涂层透气率的测试中的气体压力为0~20 kPa，涂层强度测试中的气体压力为几十千帕，涂层的爆破强度大部分低于100 kPa，因此，减压阀输出气体压力最小不能低于100 kPa，否则涂壳可能不能被冲破。所以，本方法选择测定压力为0～100 kPa。
3.6 涂层厚度
由于涂料的厂家不同，涂挂时要求的涂层厚度也不同，在实际生产中，涂层厚度一般在0.80～1.50 mm。涂层厚度小，会影响高温强度，在浇注时难以承受模型气化带来的背压力；涂层厚度过大，增加了强度，但强度和透气性相互制约，又降低了透气性，浇注时不能顺利地将气体排出型外，而且残留强度太大，涂料还不容易从铸件表面剥离。为确定合适的涂层厚度，按照本试验方法，选择0.80 mm、1.00 mm、1.20mm、1.50 mm的涂层厚度，进行了试验考察，涂料选用2#（洛阳），测定温度为900 ℃，结果见表3，涂层厚度与性能的关系曲线见图9。
表3 涂层厚度的试验评价
图9 涂层厚度与高温强度的关系曲线
由表3及图9可看出，随着涂层厚度的增加，高温强度逐渐增大，透气性逐渐减小，综合以上测定数据，涂层厚度1.00 mm左右，此时获得最佳的高温性能，采用不同厂家的涂料重复进行本试验，均符合此规律，可以在同条件下对不同涂料进行性能比较。所以，根据以上结论并结合生产现场实际，本方法选定试样涂挂厚度1.00 mm左右。
3.7 涂料搅拌时间
经过多次试验发现，同一种涂料，搅拌时间不同，三项性能指标的测定结果也不同。为确定合适的搅拌时间，采用同一种涂料，按照本试验方法，对5种不同 的搅拌时间进行试验评价，涂料选用9#（三门峡），测定温度为900 ℃，涂层厚度为1 mm，结果见表4。
表4 搅拌时间的试验评价
由表4可看出，随着搅拌时间的延长，三项性能指标呈变差的趋势，搅拌时间越长，涂料各组分分散更完全，耐火骨料排列更紧密，涂料间的孔隙减少，透气性下降。综合以上测定数据，搅拌1 h后，涂挂，测定，高温性能最佳，采用不同厂家的涂料重复进行本试验，均符合此规律，可以在同条件下对不同涂料进行性能比较。所以，根据以上结论并结合生产现场实际，本方法选定涂料的搅拌时间为1 h。
4 样品测定
按照本试验方法对本单位采购的11个厂家的消失模 涂料进行测定，对比其高温性能，测定温度为900 ℃，为涂料的初步选用提供技术数据，结果见表5。高温透气性和高温强度相互矛盾，骨架颗粒排列细密，透气性就低，强度相对高，反之亦然。合格的消失模涂料应具备相对较短的排出时间，良好的高温透气性，一定的高温强度，不能单纯追求高透气性而使强度过低。综合以上数据，9#（三门峡）涂料的高温性能较好，并与后期浇注试验的结果相吻合。
表5 不同厂家的消失模涂料高温性能测定结果
5 结束语 本文提出的消失模涂料高温性能测试方法能准确地模拟现场浇注实际情况，真实地反映消失模涂料的高温性能，重现性好，可靠性高，方法中讨论选定的涂料搅拌时间，涂层厚度可用于指导生产实际。该方法现在已经在我公司应用，能够准确地为生产提供分析数据，为消失模涂料的初步选用提供技术依据。