消失模涂料易忽视的问题

本文描述的消失模铸造特指具有：泡沫模型、干砂、真空三个工艺条件的铸造工艺。消失模铸造在我国有多种工艺方法，不同的消失模铸造方法，对涂料性能的要求不同，浇注系统和铸件本体对涂料性能的要求也不同，消失模涂料的透气性，准确的说应该是通透性，中温区的通透性有实用价值，在骨料的选择方面，不是耐火度越高越好，为了保证型砂的透气性能良好，对涂料的剥脱性有新的要求，涂料的制作和使用方法，对涂料的工作性能和工艺性能都有影响。

几年前笔者写的一篇“消失模铸造高猛钢用镁橄榄石粉涂料”的文章发表在《铸造技术》后，许多同仁来电来函与我沟通有关消失模铸造涂料的一些问题，综合起来看，笔者认为有如下一些问题容易被同仁忽视或误解，有必要认真讨论。

最早使用泡沫模型制造金属铸件的方法是美国人H.F斯洛伊(Shroyer)在1958年4月15日获得的美国专利(专利号：2830304)。这一天是铸造史上具有跨时代意义的日子，我们应该把这一天视为消失模铸造纪念日。

在Shroyer的专利中，他描述的是用聚苯乙烯(EPS)泡沫板手工拼接泡沫模型，用粘结砂使之固定进行金属液体浇注的过程。

这种在当时令人耳目一新的铸造方法与传统铸造不同的是：粘结砂中不再是空腔，而是实实在在的泡沫模型，所以，称之为实型铸造，也就是所说的FM或FMCP法。

美国人Shroyer的专利被德国人G.哈特曼(G.Hartmann)买断，在泡沫专家A.维特莫塞(A.Wittmoser)的指导下实现了工业化生产应用，并在1962年首先报导了将泡沫模型埋在干砂中生产铸件的方法。这种方法我们称之为干砂实型铸造。

通常，干砂实型铸造只用于低密度和低熔点的铸铝件，这是因为铸铝件在型腔内金属铝液热辐射和对流导热的系数较小，泡沫型和铝液隙的空隙小，所以，干砂不易溃散。

铸铁，铸钢时由于铸态金属的密度大，温度高，热辐射和对流导热强烈，泡沫气化速度快，发气量大，泡沫型和液态金属间的气隙非常大，所以，干砂显得强度低，定型困难，控制不当，易于溃散塌箱，因此，很少用于铸钢和铸铁件的生产。

几乎与德国G.Harttmann报导干砂实型铸造的同时期，日本长野县工业实验所和秋田株式会社发明了V法铸造(Vacuum)。

V法铸造是英文真空密封法铸造的字头，Vacuum是利用塑料薄膜封闭砂箱，抽真空使干砂定型的造型方法。

1980年Shroyer的专利保护期满后，使用泡沫模型做铸造的方法才从垄断中解放出来，得到了迅速发展。聪明的日本人将抽真空使干砂定型的方法应用到泡沫型铸造上，使消失模铸造和真空铸造得以同时发展，而产生了我们今天共同研讨的，具备泡沫模型，干砂，真空三个工艺条件的铸造方法。

这种铸造方法初始名字很多，如：气化模铸造，负压实型铸造，泡沫模型干砂负压法铸造等等，为了避免多种称谓给描述造成的混淆和误解，1990年夏季，美国铸造协会通过一项协议，将使用泡沫做模型，干砂埋型，抽真空定型的这种铸造方法称为：消失模铸造，简称(EPC)。

通过对消失模铸造发展简史的回顾，我们可以勾勒出这样的一个过程：消失模铸造方法的发展和不断完善，是由泡沫模型湿砂法(FM法)向泡沫模型干砂负压法(FV法)的衍变过程。这种衍变不仅仅是造型方法的衍变，而是工艺原理发生了根本的变化。泡沫模型的消失方式发生了根本的转变。

实型铸造的泡沫模型是在开放条件下，猛烈燃烧消失。

干砂实型铸造多用于铸铝体，泡沫模型以液化方式消失为主。

负压实型干砂(消失模)铸造方法，泡沫模型则是以气化为主的方式消失。

以上所述的三种方法，不仅泡沫的消失方式不同，定型原理也根本不相同，所以，各自对涂料性能的要求也不尽相同。

实型铸造依靠粉结剂使型砂定型，又是开放式浇注，涂料在型砂和液态金属之间主要起隔断作用，防止发生难以清除的粘砂。

不抽真空的干砂实型铸造型砂定型机理相对复杂，这种方法必须由模型底部注入金属液，液态金属依靠其静压力充型，在液面不断上升的过程中通过辐射的导热方式，把携带的热量传递给泡沫模型，泡沫受热后迅速收缩，液化并滴落在液态金属层表面。滴落在液态金属表面的液态泡沫材料受到更高温度的作用，迅速气化产生高压气体。气隙间隙的型砂就是依靠气体的高压维持模型腔的形态。

金属液面不断的以上凸的形态上升，液态的泡沫物瞬间就会被挤压在液态金属和涂层之间。为避免铸造缺陷的发生，这种方法要求涂层有良好的润湿性能，吸收泡沫模型的液化物，并在液态金属压力的作用下使泡沫模型的液化物排除型腔，进入砂型间隙。

在液态金属高温的作用下，液态泡沫在排出的过程中不断地气化进入外围的砂子间隙，此时，气化泡沫物的遇冷又凝结成液态物质，使型砂粘结定型。

在抽真空的状态下，大气产生的压力差使型砂紧实的如同石块一样坚硬，本文讨论的是具有泡沫模型，干砂，抽真空三个工艺条件的消失模铸造方法所使用涂料的相关问题。

笔者认为，使用泡沫型铸造的方法有三种，虽然泡沫模都消失，但在我国的氛围，只有具备泡沫型，干砂，真空三种工艺条件的铸造方法才应该称之为消失模铸造。

消失模铸造自上世纪八十年代初进入我国以后，曾经历了很长一段时间的浑沌期，行业内曾流传着一句话：看似简单的消失模铸造，一看就会，一做就废!

作为一门独立的技术方法，消失模铸造应该有属于自己的理论基础，正是因为我们忽略了对消失模铸造特有理论的研究，很长一段时间借用传统铸造的理论解读消失模铸造，才使我们进入了与实际截然性反的误区。

当我们给自己提出消失模铸造应该研究什么的课题时，我们才发现，消失模这个名字起的很贴切!非常之好!三个字就罩定了主题!

消失模铸造就是要研究：模消失!

简单的说，要研究模消失过程中的三个问题：模消失的方式，模消失的时间，模消失的量。

2.1消失模铸造模的消失方式

消失模铸造的模是以碳、氢元素为主的化合物，它的消失方式有两种。

1) 气化消失;

2) 燃烧消失。

消失模铸造浇注过程中如果液态金属能封闭住直浇道，不使空气进入型腔，在高温无氧的条件下模型的泡沫材料就会由大分子裂解成小分子，由固态转变为气态通过涂层被真空吸走排出。

如果浇注的过程中有空气被吸入型腔，泡沫材料就会发生猛烈的燃烧。这个常识我们每个人都有，泡沫燃烧会产生大量的游离碳和碳束。这是因为空气中的氧浓度不充足，活泼的氢原子与氧结合，而使碳游离。游离的碳和碳束溶于液态金属，会发生弥漫性增碳，碳偏析光亮碳，使铸件的材质，品质和加工性能发生改变。

灰口铁和球铁的碳浓度较高，吸碳倾向不明显，碳钢的碳浓度很低，贪婪的吸收碳，泡沫燃烧产生的游离碳就成了铸钢件的致命杀手。所以，早期很少有人能做好消失模的铸钢件，特别小干型铸钢件。

我们知道了游离碳发生的原理，我们也知道了游离碳的危害，我们也知道游离碳的发生不可避免，只要有一种方法能使燃烧产生的游离碳排出型腔，不溶于液态金属里就可以防止增碳缺陷的发生。于是，我们尝试着从冒口中直接浇注，宽敞的冒口通道使泡沫燃烧产生的气体和游离碳得以比较充分排出，解决了铸件严重的增碳问题。开放式浇注方法是从解决排碳入手的，所以，我们称之为消失模铸造的排碳法，多用于需要冒口补缩的厚大件和铸钢件。与此相对应的封闭式浇注方法，是希望创造高温无氧的条件，使泡沫气化消失，所以我们称之为消失模铸造的气化法。

2.2 消失模铸造模的消失时间

消失模铸造模的消失实际上是液态金属对泡沫型的置换。既然是两种物质的置换，在一入一出的时间关系上就有三种表现形式：

A、 液态金属的充型速度快于泡沫模型的消失速度;

B、 液态金属的充型速度与泡沫模型的消失速度同步;

C、 液态金属的充型速度慢于泡沫模型的消失速度。

如果液态金属的充型速度比泡沫模型的消失速度快，先于泡沫彻底消失而充满型腔，液态金属就会淹埋泡沫材料的胶状物，而使泡沫继续气化产生的气体无法排出型腔，凝固在铸件中，产生气孔缺陷，这是我们不希望发生的。我们希望，泡沫材料的消失速度(不论是气化还是燃烧)要与液态金属充型同步或先于液态金属充满型腔之前消失。这样，泡沫型的消失对液态金属的充型毫无影响。所以，我们在总结消失模铸造浇注系统设计原则时，提出了要控制直浇道的截面积，平衡液态金属的给进速度和泡沫型的气化速度。最好的方法就是先把泡沫模型烧掉或是先点燃。

江西丰远铸钢赵光总经理在浇注不锈钢铸件时，大胆的尝试了先把泡沫模型烧一下，继而浇注钢水的方法获得了成功，开创了国内消失模铸造先烧后浇方法的先河。这种方法的目的是创造液态金属置换泡沫模型的时间差，我们称之为空壳铸造。

2.3 消失模铸造模的消失量

这个问题会在其它文章中专门讨论。本文只综述几个概念，在消失模铸造工艺中，我们希望泡沫型彻底的消失，不留下任何痕迹。消失模铸造的气孔缺陷，增碳缺陷，皱皮缺陷等特有缺陷，都是消失模铸造的模，在消失过程中留下的痕迹。我们通称为：气化缺陷。

气化缺陷克服的措施是一致的，概括的说是七个字：一低、二高、三透气。即：使用密度较低的泡沫模型，温度较高的铁水和通透性能良好的涂料。

在这段文章里我们概述了消失模铸造发展到今天所产生的三种工艺方法和理论基础，三种方法是：

1)消失模铸造气化法“封闭式浇注”;

2)消失模铸造排碳法“开放式浇注”;

3)消失模铸造空壳法“先烧后浇”。

介绍三种工艺方法的目的，是要说明消失模铸造发展至今已不是单一的方法，方法不同对涂料性能的要求不同。

传统铸造型砂靠粘结剂定型，形成型腔。粘结剂及其它辅助材料在接触高温金属液后，会瞬间产生高压气体，充满型砂间隙并在液态金属和型腔壁之间形成一层气膜，阻挡液态金属进入型砂间隙。微观环境下，这一瞬间液态金属不能接触到型砂，只能接触到气膜，称之为液气浸润。因此，在传统的铸造中，型腔的型砂表面可能很粗糙，铸件的表面却很光滑，就是有气膜存在的缘故。

消失模铸造浇注过程中抽真空，尽管泡沫模型气化，涂料中的有机粘结剂遇热碳化和型砂中结晶水气化都可以产生大量气体，由于受负压的牵拉无法形成砂粒间隙的气体高压和液体金属与涂层间的气膜，液态金属直接与涂层紧密接触，称之为液固浸润。所以消失模铸造可以克隆出泡沫模型表面的细微结构。珠粒间融合的不甚好的龟背纹结构和气塞的痕迹都可以清晰铸造出来，形成与传统铸造截然不同的消失模铸造铸件的表面特征。因此，有人戏称消失模铸造和人不一样，在人类有时丑妈妈可以生出漂亮的孩子，消失模铸造要想提高铸件的表面质量，必须提高模具的精度，首先做出理想的泡沫模型，劣质模具，做不出漂亮的铸件。

消失模铸造不能形成砂间隙的气体高压和气膜，如果没有涂层屏蔽，在负压的牵拉下液态金属必然会渗入砂子间隙，包裹型砂，产生严重的铁包砂，无法形成与泡沫相一致的精细铸件。同时，如果没有涂层的屏蔽，也无法形成型腔和砂子间隙之间的压力差，干砂就会垮箱。所以，消失模铸造的涂料主要功能是：屏蔽型砂形成型腔。

我们都知道，泡沫模型(特别是薄壁壳体类模型)自身强度不高，容易受到损伤和发生变形。刷过涂料并烘干以后，泡沫模型如同穿上一层装甲，强度提高很多，通常能够有效的克服自身强度不够而发生变形的缺点。所以，消失模铸造涂料的辅助功能是：提高泡沫模型的强度，保护模型，防止受到损坏和发生变形，提高消失模铸造的可操作性能。

为了获得良好的涂层，消失模铸造的涂料在涂挂制作过程中必须具备如下的性能(工作性能)：

(1) 涂料的悬浮性能;

(2) 涂料的触变性能;

(3) 涂料的流动性能;

(4) 涂料的粘着性能;

(5) 涂料的强度(低温强度或干强度)。

浇注过程中，消失模铸造涂层要接受高温金属液的强力冲刷，泡沫模型材料猛烈气化和燃烧，产生大量的可燃气体和游离碳及碳束。高温下的涂层既要保持良好的强度，又要净化型腔使泡沫型的气化产物排出，又不能使液态金属透过涂层，从而获得无内在缺陷的高品质铸件，在如此恶劣的工艺条件下，要求涂层又必须具备如下性能(工艺性能)：

1) 良好的高温强度;

2) 恰当的通透性能;

3) 较小的热膨胀系数;

4) 隔冷保温性能;

5) 合金化性能。

浇注结束，铸件清整过程中，涂层还必须具备：

1) 自剥脱(溃散)性能;

2) 易抛丸清理特性。

消失模铸造涂料的特有性能的优劣，源自正确的配方，优质材料和合理制作。三个环节缺一不可!

3.1 消失模铸造涂料的配方

消失模铸造水基涂料价格低廉，安全可靠，性能稳定，运输方便，清洁少污染，易于制作和涂挂操作，应用广泛，是消失模铸造的首选。本文讨论的是消失模铸造水基涂料。

消失模铸造水基涂料由耐火骨料和辅助材料两个部分组成。其中骨料占90-92%，附料占8-10%。附料中除商品涂料需加消泡剂和防腐剂，主要成分只有三种：

(1) 粘结剂;

(2) 悬浮剂;

(3) 润湿剂。

粘结、悬浮、润湿三剂的分类或者划分，其实是学者们的主观行为。客观上已入围消失模铸造涂料附材的物质中，个体的作用都不是单一的。比如：膨润土和羧酸基纤维素(CMC)，通常是做粘结剂使用，但在消失模铸造水基涂料中，因为它们不能克服聚苯乙烯泡沫模型光滑表面的憎水性，用它们做粘结剂，涂料无法涂挂在泡沫模型的表面上。但是，膨润土的细小颗粒在水中膨胀，形成水化膜，粘浮在CMC的大分子链上，搭接成立体网状结构，阻止耐火骨料颗粒堆积下沉，从而提高了浮料的悬浮性能，所以，把这两种有粘结功能的物质作为悬浮剂使用。

作为粘结剂的物质，首先必须具有对泡沫模型光滑表面的亲和力，同时要有良好的低温强度和高温强度。不管国内涂料还是国外涂料，首选的粘结剂是：聚乙酸乙烯乳液(俗称白乳胶)。白乳胶能显著提高涂料粘度的同时，会降低涂料的悬浮性。但是，白乳胶对泡沫模型表面有轻微的腐蚀作用，提高了涂料的润湿性，从而提高了涂料的附着性能，也就是提高了涂料的涂挂性能。这是其它任何粘结剂不能与之相比的。依据这一特点，乳白胶的加入量要根据泡沫模型表面的粗糙程度来确定。光如境面的泡沫模型，涂料中白乳胶的加入量可以高达5-6%，电阻丝切割拼接的泡沫型，涂料中白乳胶的加入量可以少至1%以下。

消失模涂料粘结剂的选择不仅要考虑低温强度，也要重视涂料高温强度。白乳胶有很好的低温强度，但在300℃-400℃时就会发生焦化，失去粘结剂作用，因此，选用白乳胶作粘结剂的同时，要辅助加入高温粘结剂。

诸多的高温粘结剂中，磷酸盐类物质，特别三聚磷酸钠不仅有很好的高温性能，还是一种润湿剂，能降低涂料的表面张力，提高涂挂性能和流动性能。三聚磷酸钠的高温强度表现在能促进耐火骨料低温烧结陶瓷化，形成极具抗高温金属液冲刷的陶瓷壳。

三聚磷酸钠可以使耐火骨料聚集沉淀，破坏涂料的悬    浮性能，在配比上宜少不宜多。

涂料中的各种辅料是有交互作用的，有的是正交互作用，适当的配比可以起到协同增强的效果，有的是负交互作用，配比失衡会起到拮抗抵消的作用。所以，涂料配方的效果，不是各种辅助材料独立效果、效应之和。合理的配方总效应大于独立效应之和，不合理的配方的总效应小于独立效应之和。

几乎所有关于消失模铸造涂料的文章，都把消失模铸造涂料的“涂层通透性能”狭隘的说成“透气性”。

生产实践中我们可以观察到，浇注后的涂料改变了颜色，成了花花脸或黑脸包公，这是因为泡沫模型在型腔内猛烈燃烧产生的游离碳透过了涂层，排出了型腔，附着在涂层表面所致。

我们还可以看到，当涂层通透的孔隙的截面积大的时候(许多文章描述的是透气性强)，或真空的绝对值抽得过高，或液态金属温度高，表面张力小的时候，液态金属会透过涂层渗入到砂粒间隙里，形成消失模铸造特有的粘砂现象：铁包砂。

消失模铸造特有的铁包砂的特点是：涂层依然完整存在，液态金属是透过涂层孔隙渗入砂粒间隙的，不是从涂层的裂缝钻出而进入砂粒间隙。后者可以铲除掉，铲除粘砂后可以在铸件表面看到清晰的裂缝痕迹。前者则无法清除掉。笔者曾有过经历，在第一次浇注大型冷冲模底板时，为防止塌箱，把真空度抽到了0.08Mpa，铁水温度也很高，结果整个铸件浇成了刺猬状，发生了严重的铁包砂。

上面的现象告诉我们，消失模铸造的涂料不仅能使气体通过，也能使固态的游离碳和液态金属通过，我们称之为通透性能比称之为透气性能更贴切，更准确!

消失模铸造在浇注过程中，涂层内自下而上是三种物态，最下部分是液态的金属，最上的部分是未液化和气化燃烧的泡沫，中间部位是混杂着游离碳和可燃气体的空间，称做气隙间隙。如果用温度来描述三种物态区域，自下而上分别是高温区，中温区和低温区。(见图)有了这种区分的方法，我们可以得出下述的结论：

(1)涂层的通透性在低温区没有意义;

(2)中温区的通透性决定了涂层是否能排出泡沫消失过程中产生的气体和游离碳;

(3)高温区的通透性只有害处，没有益处，如果涂层的通透性在高温区不能封闭，就会使液态金属溢出，导致或发生“铁包砂”。因此我们说中温区的通透性才有实际意义，才是应该研究的课题。

中温区的通透性是如何产生的呢?

对涂料的配方的描述中，我们讲到了消失模铸造的涂料中要加入一定量的有机粘结剂。涂料在烘干过程中水分得以挥发，水分子在挥发过程中留下了细微的、纳米级的孔隙，形成了涂料的低温(常温)的通透性，涂料呈半透膜状态，如同包糖块的蜡纸，只可以使气体分子通过，不能使大于水分子的物质通过。

在浇注过程中，液态金属首先通过辐射和气体对流向泡沫材料传递热量，泡沫遇热收缩成胶样物质，被真空牵拉吸附在涂料壁上(附壁效应)，继而在高温作用下气化，形成了气体间隙。当气体间隙的温度达到300-400℃以上的时候，有机粘结剂变性焦化，在混制涂剂过程中有机粘结剂形成的交叉网状结构，形成了网状的通道，涂层就产生通透性能。

涂料的通透性能具备两项工艺参数：

1) 通道孔径截面积的大小;

2) 孔径分布的密度。

两项指标的综合，决定了涂层的通透性能。所以，对涂料通透性能的调节，包括对孔径截面积和密度两项指标的调节。

对通透孔径的调节，是对有机粘结剂的选择来实现。有机粘结剂水解和搅拌后形成的网络结构的粗细(相对而言)决定了通透性孔径的大小。

对通透孔密度的调节，由有机粘结剂加入的量来调节。加入量的比例高，单位面积形成的通透孔道数量就多，反之就少。

在具体应用上，铸铁的流动性好，表面张力低，穿透性强，所以要求涂层通透孔隙截面积小一些，防止发生铁包砂，相对应，铸钢的流动性差，表面张力大，穿透性低，通孔的截面积可以大些。当然这种调整还要配合浇注温度和真空度的高低。

铸件的表面积和重量的比值，我们称之为模数。薄壁件的表面积和重量的比值，比厚大件的比值大。涂层单位面积的通过量，薄壁件要比厚壁件少，所以，在涂料的配制中，薄壁件的有机粘结剂的加入量，在保证涂挂性能的前提下，可以减少加入量。在涂料的配方中，有些粘结剂的加入就是为了调整涂层的通透性能。比如我公司涂料的配方中的BY粘结剂，就是此作用，有些专业的配方中加入的黄麻纤维也是调整涂料通透性的。

转载自《中国铸造网》

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