（材料科學(xué)與工程專業(yè)論文）非占位涂料精密制芯法基礎(chǔ)材料及工藝理論研究.pdf

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 潤濕性 首次提出了能夠更準確 更直觀地反映熱態(tài)潤濕性且具有更廣泛可比 性 的新參量 一熱態(tài)潤濕角 并給出了該參量的測定方法及其與模具溫度 溶劑種類 及液滴蒸發(fā)時間之間的數(shù)學(xué)表達式 x u n l a r c c t g t n l t二 一 氣 11 實踐證明該參量對壓鑄 金屬型 離心鑄造等工藝中的熱態(tài)涂敷也有較好的理 論 指 導(dǎo) 意 義 于 丫 關(guān)性詞 非占 位涂料精密制芯 樹脂覆膜砂聚丙烯酸樹脂過渡層 熱態(tài)潤濕 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 abs tract t h i s s t u d y i s a p ro j e c t s u p p o rt e d b y t h e t e c h n i c a l d e v e l o p i n g f u n d o f ma c h in e ry i n d u s t ry w i t h a p u r p o s e t o d e v e l o p a n e w p r e c i s i o n o r s e m i p r e c i s i o n f o u n d ry p r o c e s s o f s a n d m o u l d b y c o m b i n i n g t h e n o n o c c u p 婦 n g c o a t i n g t e c hn o l o g y a n d r e s i n c o a t e d s a n d r c s t e c h n o l o g y a im e d a t t h e k e y p rob l e m s o f t h e p r o c e s s a s y s t e m a t ic a n d d e t a il e d i n v e s t i g a t i o n h a s b e e n c a r r i e d o u t f o r th e f i r s t t i m e o n t h e f u n d a m e n t a l t h e o r i e s a n d m a t e r i a l s o f t h e h o t d i e n o n o c c u p y i n g c o a t i n g p r e c i s i o n c o r e m a k i n g p r o c e s s a f te r t h r e e y e a r s e n d e a v o r a b re a k t h r o u g h h a s b e e n m a d e i n r a i s i n g t h e c o a t in g s a n d b o n d i n g s t r e n g t h a n d i m p r o v i n g t h e h o t w e t t i n g a b i l i t y o f t h e c o a t i n g t o t h e d i e s u r f a c e t h e m e c h a n i s m a n d l a w s o f t h e c o a t i n g t r a n s f e r r i n g a n d t h e in t e r f a c i a l i n t e r a c t i o n b e t w e e n c o a t i n g s a n d a n d h o t d ie a re re v e a l e d f o r t h e fi r s t t i m e a t y p i c a l n o n o c c u p y i n g c o a t i n g c o m p o s i t i o n s u i t a b l e f o r t h i s p r o c e s s h a s b 0 e n d e v e l o p e d p r e c i s i o n c o r e s w e re m a d e i n f o u n d r y f ie l d w i t h t h i s c o a t i n g s m o o t h a n d a c c u r a t e c a s t i n g s o f d i e s e l c y l i n d e r b lo c k w e re p r o d u c e d ma i n a c h i e v e m e n t s a re l i s t e d a s f o l lo w s i t h r o u g h t h e a n a l y s e s o n t h e c o a t i n g s a n d a n d c o a t i n g d ie a d h e s i v e i n t e r f a c e s a n d f r a c t u r e s b y u s i n g a d v a n c e d i n s t r u m e n t s u c h a s s c a n n i n g e l e c t r o n mic r o s c o p e s e m e l e c t r o n p ro b e a n a l y z e r e p a l i t lu w f a c i e s a n d i n f r a r e d a n a l y z e r i r a c o m b i n e d w i t h t h e o re t i c a l c a l c u la t i o n a n d a n a l y s i s m e c h a n i s m a n d la w s o f s o m e k i n d s o f i n t e r a c t i o n s i n c l u d i n g p h y s i c a l a d h e s i o n c h e m i c a l c o m b i n a t i o n i n t e r f a c i a l w e t t i n g a n d i n t e r f a c i a l s t r e s s b e t w e e n t h e i n t e r f a c i a l c o m p o n e n t s i e c o a t i n g s a n d h o t m e t a l d ie a n d r e s i n i n te r m e d i a t e l a y e r h a v e b e e n r e v e a l e d f o r t h e f i r s t t i m e w h i c h e n r i c h e s g r e a t l y t h e f u n d a m e n t a l t h e o r i e s o f t h e n o n o c c u p y i n g c o a t i n g t e c h n o l o g y me a n w h i le t e s t i n g m e t h o d s a n d c o m p re h e n s i v e e v a l u a t i o n o f t h e m a i n p ro p e rt i e s a n d t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s o f n o n o c c u p y i n g c o a t i n g h a v e b e e n w o r k e d o u t w h i c h p r e p a r e t h e g o o d g ro u n d t o f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n p o p u l a r iz a t i o n a n d a p p l ic a t i o n 2 a c c o r d i n g t o t h e r e s u l t s o f t h e m i c r o s c o p i c a n a l y s e s a n d th e o r e t i c a l c a lc u l a t i o n t h e c o n t r a d i c t i o n b e t w e e n t h e a d h e s i o n a n d t r a n s f e re n c e o f t h e c o a t i n g h a s b e e n s e t t l e d s u c c e s s f u l ly f o r t h e f ir s t t i m e b y u s i n g t h e r e s i n in t e r m e d i a t e l a y e r t e c h n i q u e t h a t n o t o n l y m u l t i p l i e s t h e c o a t i n g s a n d b o n d i n g s t re n g t h b u t a l s o r e t a i n s t h e a d v a n t a g e s o f i n o r g a n i c c o a t in g s u c h a s g o o d s t r i p p i n g p r o p e rt y h i g h r e f r a c t o r in e s s l o w g a s e v o l u t i o n a n d f u r t h e r m o r e a v o i d s a s e r i e s o f h a r m f u l e f f e c t s s u c h a s h i g h g a s e v o l u t i o n h i g h c o s t a n d d i e s t ic k i n g o f c o a t i n g re s u l t e d fi o m i n c r e a s i n g t h e r e s i n l e v e l i n r c s a n d o r c o a t i n g c o a t in g s a n d b o n d i n g s t re n g t h i s f u r t h e i i n c r e a s e d t h r o u g h t h e e s t e r i f i c a t i o n l i n k i n g r e a c t i o n b e t w e e n p o l y h y d r i c a l c o h o l a n d p o l y a c ry l i c a c i d m 一 一 目 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 3 t h e o p t im u m c o m p o s i t i o n o f n o n o c c u p y i n g c o a t i n g w a s d e s i g n e d a n d o p ti m i z e d a c c o r d i n g t o t h e h o t w e t t i n g t h e o r y a n d i n t e r f a c i a l s t r e s s a n a l y s i s a n e w c o m p o s it e in o r g a n ic b i n d e r o f s o d i u m h e x a m e t a p h o s p h a t c a l u m i n u m s u l f a t e w a s d e v e l o p e d f o r t h e f i r s t ti m e w h i c h res o l v e t h e c o n t r a d i c t i o n b e t w e e n c o a t a b i l i t y a n d t r a n s f e r a b i l i t y o f t h e c o a t i n g i t ma k e s t h e c o a t i n g a p p l i e d e v e n l y o n t o t h e h o t d i e s u r f a c e s p r a y e d s t r ip c o a t a n d t r a n s f e r r e d s m o o t h ly d u r i n g s t r ip p i n g b y u s i n g t h i s a t t h e f o u n d r y k i n d o f c o a t w ith 川9 s a n d c o res o f j i b a n d c r a n k c a s e w e re p r o d u c e df i e l d a n d c y l i n d e r b l o c k c a s t i n g s f o r d i e s e l e n g in e w e re p r o d u c e d b y u s i n g t h e s e c o re s w it h a s u r f a c e r o u g h n e s s o f r a 3 2 6 3 ii m a n d d im e n s i o n a l a c c u r a c y o f g r a d e c t 6 7 4 a i m e d a t t h e c u r l o r p e e l o ff d e f e c t s i n t h e n o n o c c u p y i n g c o a t i n g p r o c e s s s y s t e m a t i c s t u d y w a s c o n d u c t e d o n t h e w e t t i n g a b i l it y o f t h e c o a ti n g t o t h e h o t d i e a n e w p a r a m e t e r i e t h e h o t w e t t i n g a n g l e w a s r a i s e d f o r t h e f i r s t t i m e t o re p r e s e n t t h e h o t w e t t i n g a b i l i t y m o re a c c u r a t e l y i n t u i ti v e l y a n d c o m p a r a b l y t h e m e a s u re m e n t o f t h i s p a r a m e te r a n d m a t h e m a t i c a l e q u a ti o n o f t h e r e l a ti o n b e t w e e n t h e p a r a m e t e r a n d t h e d ie t e m p e r a t u r e s o l v e n t s a n d d r o p l e t e v a p o r a t i n g t i m e h a v e b e e n g i v e n f o r t h e f i r s t ti m e 二 2arcctgen k t t i t h a s b e e n p ro v e d勿 p r a c t i c e t h a t t h is p a r a m e t e r a l s o p r o v id e s a g o o d t h e o re t i c a l 州d e f o r t h e h o t c o a t i n g p r o c e d u r e s i n d i e c a s ti n g p e r m a n e n t m o u l d a n d c e n t r i f u g a l c a s ti n g p r o c e s s e s k e y w o r d s n o n o c c u p y i n g c o a t i n g p r e c i s i o n c o r e m a k i n g r e s i n c o a t e d s a n d i n t e r m e d ia t e l a y e r o f p o ly a c r y l i c a c i d r e s i n h o t w e t t i n g 山一 目 叫 目 曰 叫 叫 禪 一 由 目 響 州 叫 目 叫 一 衡 份 一 t v 一 一 一 一 一一 一 尸 尸 一 一 一一一 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 第一章緒論 1 1 課題的背景和意義 提高鑄件表面質(zhì)量和尺寸精度 實現(xiàn)少無切削 近凈成形是鑄造技術(shù)發(fā)展的必然 趨勢 1 z 3 傳統(tǒng)的 精密鑄 造技 術(shù)源遠流長 如 熔模鑄 造d 4 1 陶瓷 型15 等工藝 在 現(xiàn)代 鑄造中占有十分重要的地位 然而傳統(tǒng)的精密鑄造方法工藝復(fù)雜 成本高昂 制作 周期長 而且不能制造較大的鑄件 長期以來 廣大鑄造工作者一直致力于提高砂 型鑄造的精密度 力圖 用砂型鑄造這種低成本高 效率的工藝方法實現(xiàn)精密或半精密鑄 造 6 1 1 近年來砂型半精密鑄造技術(shù)發(fā)展迅速 取得了 許多可喜的成績 如殼型法 消失模 e p c 法 非占位涂料及 v法等 殼型法發(fā)展較早 工藝水平不斷提高 被廣泛 應(yīng)用于汽車 拖拉機 柴油機 液壓件模具及閥門等行業(yè)以獲得表面光潔 尺寸精 確的 鑄件 8 13 e p c 鑄 造工 藝是目 前 較為熱門 的 砂型 精密 鑄造新工藝 近 幾年發(fā)展 極 快 1a 23 1 v 法造 型 亦 能生 產(chǎn)出 精 密 光 潔的 鑄 件 3 川 非占 位 涂料 亦 稱 轉(zhuǎn) 移 涂 料 技 術(shù) 亦 是 一 種 新 穎 的 砂 型 精 密 鑄 造 技 術(shù) 己 弓 起 廣 大 鑄 造 工 作 者 的 興 趣 3 1 36j 普通砂型鑄造為了防止粘砂 提高鑄件表面質(zhì)量在制造好砂型芯后在其表面需 涂刷一層耐熱涂料 但是 由于涂料是在無模具約束下涂敷固化 涂層厚度占 據(jù) 型腔有效空間位置 涂層表面的刷痕 流淌 堆積等均會復(fù)制在鑄件表面 影響鑄 件表面質(zhì)量和尺寸精度 在內(nèi) 腔尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高的汽車 液壓 模具 等行業(yè)這一問 題顯得格外突出 例如 涂料厚度最薄也有 0 2 5 m 涂料堆積和厚薄 不均的部位涂層厚度達 0 5 1 m n 因此生產(chǎn)中極易造成局部尺寸超差 而精密液壓閥體要求尺寸精度要小于 f 0 2 5 m m 造成廢品 3 6 1 士 0 1 0 2 m n 表面光潔度為 r a 3 2 6 3 11 有些表面質(zhì)量要求較高的閥體件 無論 刷 再如某些模具要求尺寸偏差為4 0 0 普通砂型鑄造無法達到上述要求 浸涂等工藝均不能滿足要求 不 m噴 一 一 一 一一 一一 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 得不在刷涂后用砂紙將涂層打磨光滑 平整 費時費力 非占位涂料技術(shù)的出現(xiàn)使上述問 題從根本上得到解決 其基本原理是將涂料直 接噴涂到芯盒表面 然后填砂 緊實 涂層和砂芯在芯盒的約束下同時固化 起模 時涂料能從芯盒表面轉(zhuǎn)移到砂芯表面 從而制得帶有涂料的精密砂芯 山于涂層不 占 據(jù)型腔有效位置 故稱為 非占位涂料法 因而不會影響尺寸精度 涂層可完美 地復(fù)制出芯盒表面 不存在刷痕 流淌 堆積等涂料表面缺陷 能獲得精密光潔的 鑄件 可與熔模鑄造相媲美 而其成本相當(dāng)或略高于砂型鑄造 生產(chǎn)效率也大大提 高 表 1 1歸納了各種鑄造工藝中涂料的涂敷模式及鑄件質(zhì)量 3 1 4 7 通過表中的對 比我們不難發(fā)現(xiàn) 非占位涂料法與熔模鑄造 陶瓷型 pc等精密或半精密鑄造工 藝有一 共同的特點 即它們都使用了耐熱涂料 而且涂料都是在模具的約束下涂敷固 化 涂層不占 據(jù)型腔的有效空間位置 在這種情況 涂層能精確復(fù)制出 模具的表面 結(jié)構(gòu) 因而能獲得表面光潔 尺寸精確的鑄件 因此 非占 位涂料是一項非常有前 途的鑄造技術(shù) 它突破了 先制芯后上涂料 的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式 代表了 鑄造技術(shù)的 發(fā)展方向 但是 目前國內(nèi)外對非占位涂料的研究很少 而對熱模法非占位涂料的 研究則兒乎是空自 因此 系統(tǒng)研究 作 占位涂料技術(shù)是一項刀 拓性的工作 具有非 常重要的意義 1 2涂料 進展 及涂敷方 法綜合 評述 1 2 1 涂 料的 研 究現(xiàn) 狀及 新 進 展 在型芯表面使用涂料是防止金屬滲透 粘砂 降低鑄件表面粗糙度的有效手段 近年來 對鑄件表面質(zhì)量的要求越來越高 因此 涂利受到國內(nèi) 外鑄造工作者的重 視 并為此作了 大量的研究工作 4 8 6 9 為提高涂料的杭粘砂性能 不少研究者對高 溫下涂料與鑄件的界面反應(yīng)及涂料高溫?zé)Y(jié)規(guī)律進行了 研究 提出了各種抗粘砂機 理 6 4 1y 這對合理選 擇耐火 粉料及 涂料配比 無 疑 有很大 的 指導(dǎo) 意義 耐火 骨料是 砂 型涂料的主體 決定著涂料的抗粘砂性 越來越多的耐火材料被用于砂型涂料 從 一一一 一一一 一一 一 一一 一 2 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 表 卜1不同鑄造工藝時涂料涂敷模式及鑄件質(zhì)量對比 刃 鑄造工藝涂敷模式特點鑄件質(zhì)量 普 通 鑄 造 工 藝 潮棋砂 油砂 合脂砂 殼型 熱芯盒 氣硬冷芯盒 自硬砂 先制芯再涂敷涂 料 涂料在無約束下 涂敷 固化 涂層占 據(jù)型腔有效空 t a7 位置 一 a 型腔 b 鑄 件 表面粗糙 尺寸精度 較差 精 密 及 半 精 密 鑄 造 工 藝 非占 位涂料法 k y法 自 硬轉(zhuǎn)移涂料法 精密涂法 涂敷和制芯一次 完成 涂料在模具的約 束下涂敷 固化 涂層不占據(jù)型腔有效 空間位置 骨 a 型 腔t b 鑄 件 表面光潔 尺寸精確 負壓造型 消失模鑄造 熔模鑄造 陶瓷型 涂敷成型一次完 成 涂料在模具的約 束下涂敷 固化 涂層不占據(jù)型腔有效 空間位置 0 a 42腔 b 鑄件 表面光潔 尺寸精確 原來的錯英粉 鋁釩士 剛玉粉 鎂砂粉 鉻鐵礦粉 石墨 石英粉等到鎂橄欖石 粉 鉻剛玉粉 錯剛玉粉 地開石粉 年來 一些高級耐火材料如純氧化錯 葉 蠟石等 均被用于涂 料的 耐火骨料 w e s 7 近 氮化姍 氮化硅 碳化欽 碳化硅等也被用 一一 一 月 月 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 于 砂型涂料 a s w 1 這些材料的突出 特點是耐火度高 與金屬及其氧化物不潤濕 因 此有極好的抗粘砂性 另外 采用復(fù)合耐火骨料也是涂料的一個發(fā)展趨勢1 6 8 9 0 為 適應(yīng)水玻璃砂 樹脂砂工藝的要求 對醇基快干涂料也 作了不少研究 研制出有膨 潤土漿 理基膨潤土等高效懸浮劑19 1 9 4 1 較好地解決了醇基涂料的懸浮問題 最近 有人將納米技術(shù)引入了 涂料懸浮劑19 5 1 為了 提高涂敷質(zhì)量 國內(nèi) 外均作了 大量工作 特別是用流變學(xué)理論指導(dǎo)涂料的研究成效顯著 使涂料的觸變性 流平性等工藝性 能 得到了 大大改善 有效地減少了 流淌 刷痕 破水等缺陷19 6 9 9 胡邦紅1 9 9 1 詳細地 研究了 涂料工藝性能與流變學(xué)的關(guān)系 確定了涂料主要操作工藝性能與涂料流變學(xué) 參數(shù)的定量聯(lián)系 并在此基礎(chǔ)上建立了涂料操作工藝性能專家系統(tǒng) 為解決生產(chǎn)實 際問 題及時調(diào)整涂料配方創(chuàng)造了條 件 近幾年 粉料粒度級配也 受到重視 1 10 0 1 0 1 1 研 究結(jié)果表明 粉料粒度級配合理時 不僅會it 止或減少涂料在常溫和高 溫時的裂紋 提高涂料的含固率 而且還可以改善涂料的流變 l 隨著一些鑄造新工藝如 v法 消失模法的出現(xiàn) 各種專用涂料也 應(yīng)運而生 孫萬良 u 0 1 1o l 等對鑄鋼及鑄鐵件用消 失模涂料的配比及測試方法進行了系統(tǒng)研究 另外 國外近年來在金屬型涂料的性 能及其對鑄件的影響等方面做了大量的研究工作 1 a 3 現(xiàn)代鑄造涂料的功能正在不斷擴展 鑄造涂料既可用米防止鑄件粘砂 提高鑄 件表面質(zhì)量 又可通過配入一些特殊成分 u 其有某種特殊功能13 3 1 3 3 13 4 1 例如 在涂 料中加入錫 銻 鋅等元素可增加鑄件表面的珠光體含量 加入磅 銘 鉻等元素 可使鑄件表面形成較多的碳化物 提高鑄件表面的耐磨性能 含有諦粉的涂料被成 功地用于防止耐壓鑄件的滲漏 在液壓閥等小型復(fù)雜鑄件的 l 產(chǎn)中 經(jīng)常因涂層局部過厚而引 起鑄件尺寸超差 針對這一問 題 沈陽鑄造研究所1 1 發(fā)了一種不含耐火骨料的抗粘砂涂料 即無骨料 涂料 由于不含耐火骨料 涂料不形成涂層厚度 因而涂料不會降低鑄件的尺寸 精度 該涂料在澆注時可使砂芯表面適度燒結(jié) 在金屬渺 型界面形成還原性氣氛并 析出少量的亮碳膜 從而可有效地防 1 鑄件枯砂 用此涂料澆注了 r e x r o t h 4 0 9及 r e x r o t h t d l i h 6 5 等閥 體 鑄件 獲得了良 好的效果 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 醉基涂料屬易燃危險品 運輸費用高 周期長 而且由于醇基涂料的懸浮穩(wěn)定 性較差 在長途運輸和存放過程中易產(chǎn)生死沉淀 因此 開發(fā)醇基粒狀或粉狀涂料 是涂料的一個發(fā)展方向 1 3 6 13 8 1 英國 h e lp w o r t h公司即有此種產(chǎn)品 國內(nèi) 有些廠家如 沈陽鑄造材料廠 圣泉公司也開發(fā)了粒狀涂料 粒狀涂料不含易燃溶劑 故可用編 織袋內(nèi)襯塑料袋包裝 比漿狀涂料所用產(chǎn)塑料桶便宜得多 粒狀涂料可按普通貨物 口 運輸 運輸周期短 費用也大大降低 最近 日本新技術(shù)研究所研制成功新一代抗粘砂涂料 1 39 1該涂料可用于鑄鋼 鑄鐵及有色合金鑄件 可代替現(xiàn)有的鑄造涂料如錯英粉涂料 石墨粉涂料 剛玉粉 涂料等 其涂層厚度只有現(xiàn)有涂料的四分之一 該涂料是用一種特殊的合金粉末配 制的醉基涂料 可用噴 刷 浸等方法進行涂敷 在澆注時 這種合金粉末會發(fā)生 化學(xué)反應(yīng) 形成具有極高耐火度的涂層 可有效地防止金屬滲透及粘砂 在涂料的 性能方面國內(nèi) 外也作了 大量的研究工作 1 14 r 14 1 1 另外 為了 提高管理水平 穩(wěn)定涂料的質(zhì)量 對涂料的質(zhì)量保證體系也越來越 重視11 4 3 1 44 1 1 2 2涂料的涂數(shù)方法 一種涂料要想達到最佳的使用效果 除了 涂料本身要具備優(yōu)良 的性能以 外 正 確的涂敷方法及有效的涂敷設(shè)備也十分重要 傳統(tǒng)的涂料涂敷方法有刷涂 浸涂 和噴涂 近年來國內(nèi)外在涂敷方法及設(shè)備方面取得了許多新進展 涂方法有了很大改進 新的涂敷方法如流涂 如出現(xiàn)了低壓熱空氣i噴 涂及高壓無氣噴涂 一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的噴 另一方面 一些 靜電粉末噴涂 轉(zhuǎn)移涂敷及環(huán)繞粉末噴涂等也相繼出現(xiàn) 為 鑄造車間提供了 較多的選擇余地 下面對幾種涂料涂敷方法的 特點及涂敷設(shè)備進行 綜合評述 1 2 2 1 刷涂法 b r u s h i n g s w a b b i n g 刷涂是應(yīng)用最早 最簡單的施涂方法 操作簡單 方便 靈活 適合于各種形 狀 大小不同的砂型及砂芯 其缺點是施涂效率低 勞動強度大 涂層表面易留下 一一一 一一一 5 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 刷痕 尤其是溶劑滲透較快的醇基涂料及流平性差的水基涂料 要求操作者有一定 熟練程度及技巧 所用涂料應(yīng)有較高的屈服值和優(yōu)良的觸變性 流平性 所用工具 宜采用毛軟而細的刷子 刷涂含固率較高的水基涂料時可采用毛較硬的油漆刷 刷 涂法一般用于手工造型及單件小批生產(chǎn) 1 2 2 2浸涂法 d i p p i n g 浸涂是將砂芯直 接浸入涂料槽中 稍 停后提起 讓多余的 涂料自 然流下或用振 動 一旋轉(zhuǎn)甩動或刷子去掉多余的涂料 浸涂法施涂效率高 節(jié)省涂料 易得到光滑 的涂層表面 而且施涂操作易實現(xiàn)機械化 自 動化 浸涂適于砂芯 不適于砂型 對涂料的流變性能要求較高 控制不當(dāng)時易出現(xiàn)流淌 堆積缺陷 若使涂料具有一 定觸變性并在涂料槽中增加攪拌裝置 使涂料處于低粘度態(tài) 砂芯提起后涂料粘度 又逐漸上升 則可防止流淌 堆積的產(chǎn)生 1 2 2 3噴涂法 s p r a y i n g 噴涂法是利川壓縮空氣及噴槍使涂料霧化的涂敷方法 u g 涂法施涂效率高 操 作靈活方便 適用于生產(chǎn)線連續(xù)噴涂作業(yè) 目前采用的噴槍一般為油漆噴槍或自 制 簡易噴槍 山于鑄造涂料密度高 粘度大 完全靠負壓吸入徐料很困難 所以應(yīng)以 一定壓力進入噴槍 常用方法有重力法 氣壓法 泵壓法等 國外的有氣噴涂機大 多帶有氣泵 使用效果較無泵者好 最近國內(nèi)也研制出帶有氣泵的噴涂機 高壓無 氣噴涂機在國外己 被廣泛采用 其原理是用增壓缸將涂料的壓力增至 2 0 m p a 通過 特殊噴咀噴出 由于壓力突然釋放而使徐料霧化 無氣噴涂污染小 無深腔返氣現(xiàn) 象 涂敷效率高 國內(nèi)已廣泛用于v法線 重型機械及大型鋁合金鑄造 國內(nèi)使用 的無氣噴涂機有進口 的 b i n k s無氣噴涂機及國產(chǎn)無氣噴涂機1 1 4 5 14 6 無氣噴涂的速 度較高 要求操作者有一定的熟練程度和技巧 另外無氣噴涂機對機器維護保養(yǎng)要 求較高 價錢也較貴 1 2 2 4 流 涂 法 伍 o w in g fl o o d in g o v e r p o u r in g 114 7 15 1 流涂法是用泵將貯罐中的涂料澆到砂型或砂芯的表面 多余的涂料從砂型流下 后經(jīng)回收槽返回涂料貯罐中 這種 藝施涂效率高 涂層光滑平整 無刷痕 操作 州 州 口 曰 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 巴 巴 巴 二 巴 竺 竺 巴 巴 竺 巴 巴 巴 巴 竺 二 環(huán)境好 該工藝在國外已被廣泛采用 國內(nèi)兒家樹脂砂生產(chǎn)線上也采用了流涂工藝 流涂法在消失模鑄造中應(yīng)用亦有增加的趨勢 因為泡沫塑料密度極低 涂料對它的 浮力大 強力浸入時易發(fā)生變形或斷裂 采川流涂則沒有上述問題 而且施涂效率 高 流涂所用涂料應(yīng)具有合適的流變性能 張啟富對流涂工藝及流涂涂料進行了系 統(tǒng)深入的研究 提出流涂用水基鉆英粉涂料的流變參數(shù) 普通刷涂和浸涂涂料很難 或基本不能簡單地通過流杯粘度的調(diào)整而用于流涂 1 2 2 5靜電 粉末噴涂法 e l e c t r o s t a t i c p o w d e r s p r a y i n g 一 5 4 3 靜電粉末噴涂法是用專用靜電噴涂設(shè)備使涂料干粉帶上靜電從而吸附在砂型或 砂芯表面 進而用紅外等加熱方法使涂層固化 國外己 將該法 t r i b o n d 用于潮模砂 生產(chǎn)線 取得了良 好的效果 國內(nèi)也對此工藝 進行了研究 研制出無溶劑涂料 但 目 前該 法還不太成熟 某些深凹部位不易上涂料 邊角處又易出 現(xiàn)涂層過厚的現(xiàn)象 1 2 2 6涂層轉(zhuǎn) 移法 t r a n s f e r r i n g c o n v e y i n g 131 7 1 i s s 19 1 涂層轉(zhuǎn)移法是將涂料直接噴涂到芯盒表面 填入芯砂后使涂料與砂芯一起固化 起模時 涂料從芯盒表面轉(zhuǎn)移到砂芯表面 涂層能精確復(fù) 制出芯盒表面的 結(jié)構(gòu)形狀 這種方法可實 現(xiàn)砂型精密 鑄造 涂層轉(zhuǎn)移法在日 本稱為k 一丫 法 該法 采用微波加 熱使涂層及砂芯固化 訓(xùn) 目 前該法己 用于生產(chǎn)汽缸蓋 渦輪機匣 三角刀刃 液壓 件 模 具 等 對 表面 質(zhì) 量 和 尺 寸 精 度要 求 較高 的 鑄 件 而 且己 形 成 生 產(chǎn) 線 規(guī) 模 川 習(xí) 國 內(nèi) 也 研制出以 水玻 璃 及 磷酸 鹽 為 粘結(jié) 劑 的白 硬 轉(zhuǎn) 移 涂 料 16 6 16 8 1 用自 硬涂 料 加 抽真 空 氣 體 硬 化 法 生 產(chǎn)出 精密 光潔 的 輪 胎 摸 具 命 屬 模 板 及 金 屬 型 鑄 件 表面 粗 糙 度 達k a 6 3 3 2 a m 尺 寸 精 度 達4 0 0 土 0 1 0 2 n u n 11 16 此 外 還 研 究了 微 波 硬 化的 水 玻 璃 覆膜砂轉(zhuǎn)移涂料法ti 飛 1 2 2 7粉 末 環(huán) 繞 噴 涂 法 u n t s p u l e n c i r e a n i s p r a y i n g 粉 末 環(huán) 繞 噴 涂 法 是 年 德 國l a m p 公 司 發(fā) 明 的 一 種 涂 料 涂 數(shù) 方 法 用 來 防 止 有 機 粘 結(jié) 劑 分 解 產(chǎn) 物 進 入 型 腔 引 起 的 氣 孔 及 粘 砂 缺 陷 首 先 將 附 火 粉 料 與 一 定 比 例 的 干 砂混 合 將 此 混 合 物 裝 入噴 涂室 中 通 過 裝 在 底 部 的 振 動 器 壓 縮 空 氣 通 過 透 氣 板使混合物疏松并運動起來 對放在混合物上的砂芯進行環(huán)繞噴射 通過撞擊和摩 一 一 一 一 一 一一一一 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 擦作用使混合物中粉末嵌入砂芯表面的空隙之中 混合物中具有中等粒度的砂子比 粉末具有更高的動能 使粉末更深 更牢固地嵌入砂芯表面的孔隙之中 而砂粒本 身攜帶粉末撞擊砂芯后落下重新被加速 重復(fù)上述撞擊 將更多的粉末嵌入砂芯表 面 混合物中的粉末逐漸減少 需及時補充 這種方法設(shè)備較簡單 適合于強度較 高的中小型樹脂砂樹脂砂芯的噴涂 表 1 一對比了各種涂敷方法的涂敷模式及特點 從表中 可看出 涂層轉(zhuǎn)移法 即 非占 位涂料法 不占 型腔有效位置 因此可從根本上消除了普通涂敷方法中涂層對 鑄件尺寸精度及表面質(zhì)量的影響 表 1 一 不同涂敷方法時涂料涂敷模式及鑄件質(zhì)量對比 涂 敷 方 法涂 敷 模 式特點涂 層 質(zhì) 量 刷涂 涂料在無約束 下涂敷固化 涂層占據(jù)型腔 有效空間位置 刷痕 流淌 厚薄不均 較光 有麻點 厚薄不均噴涂 光滑 有堆積 厚薄不均浸涂 光滑 有堆積 厚薄不均流涂 光滑 涂層均勻靜電噴涂 涂料嵌入砂粒孔隙 較光粉末環(huán)繞噴涂 涂層轉(zhuǎn)移法 涂料在模具約 束下涂敷固化 涂層不占型腔 有效空間位置 光滑 厚薄不均但不影響鑄 件尺寸精度 1 3非占 位涂料國內(nèi) 外研究現(xiàn)狀 非占位涂料技術(shù)最早出現(xiàn)于70 年代中日本小松制作所發(fā)明的小松一山西 k o m a t s u y a m a n i s h i 法 簡 稱k 一y 法 15 7 15 8 該 法的 工藝 過程為 首 先 在噴 涂有 分型劑并己預(yù)熱的金屬模具上涂敷粉狀涂料 然后加入樹脂覆膜砂 加熱固化后由 頂桿將殼型頂出 涂料粘附于樹脂覆膜砂上 形成光潔的鑄型表面 用該 法制造的 鑄件其表面質(zhì)量可與傳統(tǒng)的失蠟法相媲美 而成本介于精密鑄造和砂型鑄造之間 然而 此法采用粉狀涂料 砂型 芯 的形狀受到限制 難以用于制造通常的型芯 八十年代初 小松制作所對原來的k一y 法進行了改進 發(fā)展成為有機系新k y 法 3 1 1 5 6 1 新k 一y 法的 工藝過 程如圖1 1 所示 首先 將液態(tài)涂料澆入帶 有硅橡膠面 一一一 一 一一一 一 一一 8 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 竺 巴 巴 巴 巴 巴 巴 巴 層的芯 盒內(nèi) 使涂 料潤 濕整 個芯 盒內(nèi) 表面 然后 傾出 多 余的 涂 料 此時 芯 盒表 面留 下 一薄 層涂料 接著填入由 樹 脂粉和原 砂混合而 成的 干態(tài) 砂 將芯 盒放入 微波爐內(nèi) 使 涂料 和芯子一起硬化 將固化后的 砂芯 從芯盒中 取出 便可制 得帶有涂 料的 箱密 砂芯 跟舊的k 一丫 法相比 新k一丫 法有許多 優(yōu)點 由于芯盒表面是相當(dāng) 光滑且 富 彈性的耐熱橡膠 所以 從芯 盒中 取出 砂芯 不需 拔模斜 度 由 于芯盒能 透射微 波 所以芯盒本身不發(fā)熱 有利于提高芯子的精度和延長 芯盒壽命 由于填砂在室溫進 行 所以不必用樹脂夜膜砂 只用粉狀樹脂與原砂混合即可 由于涂料是液態(tài)的 所以 對芯子的形狀幾乎沒有限制 為了 進一步 擴大k y法的使用范圍 1 9 8 7 年日 本 又開發(fā)了 無機系的新k 一 y法p s s 其工藝過程與有機系新玲y法相同 只是所用芯 砂為水玻璃搜膜砂 無機系新k y法的硬化機理如下 將無機系水基涂料涂敷在芯 盒表面 充填包攝有水玻璃等無機粘 結(jié)劑的干態(tài)砂 在微波照射下 涂料 中介質(zhì)損失系數(shù)大的水分被選擇加 熱 變成水蒸汽向芯盒外逸出 此 時 包搜在砂粒表面的無機粘結(jié)劑 被再次溶解 進而又干燥硬化 這 樣便可制得帶有涂料的無機系精密 砂芯 芯子中殘留水分極低 可立 刻進行澆注 目前日本對 k y法研 究較多 己有 k y法專用涂料及 芯盒制作專利1 1 5 9 1并且己形成圖 1 2所示的 機械化生產(chǎn)線i i s s j 有 機系的新k y法已被用來制造柴油 機汽缸蓋 進氣道和排氣道芯子 及某些建筑零件 無機系的新k y 澆 入 徐 料 b 傾 出 事 系 涂 料 c 煩人芯砂 山微波硬化 e 取出砂芯 圖曰 新k 一法生產(chǎn)工藝示意圖 一一一 一叫 一一 戶 一 一 一一 一 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 法已被用來生產(chǎn)葉輪 導(dǎo)葉 汽缸蓋 渦輪機匣 三角刃刀頭鑄件 取得了良 好的 效果 新舊k y 法與殼型法在不同鑄造合余時鑄件表而粗糙度的比較見表 1 3 0 名止令口匆壓 浪里 圖卜2新k 一 丫法生產(chǎn)線示怠圖 表1 3 新 舊 k y 法 與 殼 型 法 在 不 同 鑄 造 合 余 時 鑄 件 表 面 粗 糙 度 的 比 較 材 質(zhì) 制芯 方法 表面粗糙度 p 扣 平均有效值 0 2 5 4 5 0 8 7 6 2 1 0 1 6 1 2 7 鋁 殼 一l 下ii 日 韶拙韶韶邵韶匕 韶 留 招韶 新 灰 鑄 鐵 殼 ll i i i 韶搶 比 韶韶 欲 找 新 曰 不 銹 鋼 殼 日 韶 韶 韶 韶 口 韶邵招別留 新 口曰 一 八十年代初 原蘇聯(lián)也對非占位涂料技術(shù)進行了研究井稱之為 精密涂法 該 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 巴 二 竺 二 巴 二 巴 二 竺 巴 巴 二 巴 巴 巴 二 法是將水基涂料噴涂到預(yù)熱至 2 4 0 c 的芯盒上 然后填入含有干樹脂的芯砂 能制 得帶有涂料的精密砂芯 a a hrt a r 創(chuàng)16 3 對精密涂法的工藝性能進行了 研 究 用顯微鏡觀察了涂層的微觀形貌 發(fā)現(xiàn)涂料表面光滑 但是涂料內(nèi)部存在微孔 這是水分快速蒸發(fā)所致 文章指出 要實現(xiàn)涂料的轉(zhuǎn)移 需使用分型劑 而且芯砂 中樹脂加入量要 4 帶有涂層的砂芯其熱強度和冷強度比不帶涂層的普通砂芯 要高20 另外 這層堅固的涂料膜殼還可減少砂芯在芯盒內(nèi)因固化及取出時有毒 物質(zhì)的折出最25 一30 改善了 制芯機操作工人的勞動衛(wèi)生條件 h b m x 0 1 6 4 1 研究了 精密涂法中抗粘砂涂料與砂芯的附著強度作者根據(jù)脆性強 度統(tǒng)計學(xué)原理對涂料附著強度進行了公式推導(dǎo) 給出了 涂料附著強度的計算公式 h c w 一 一 一 一 一 一 一 1 一 式中 h 涂料膜應(yīng)力狀態(tài)及涂層厚度決定的系數(shù) c 由芯砂中樹脂加入量決定的系數(shù) w 由芯砂中 水分含 量決 定的系數(shù) s 涂 叫沙 界面面積 n 由芯砂粒度決定的混合料均勻系數(shù) 當(dāng)采用干砂并加入4 樹脂時 w二1 c 1 則 1 1 式可寫成 h r 二 一一一一一一一一 c 1 一a s 萬 h n 可由 試驗確定 該式可預(yù)測涂料附著強度 但是 該文獻給出的公式由 一些均需要實測的系數(shù)組成 公式中各項的物理意義很不確切 很難用它來分析涂 料附著強度的影響因素 公式未考慮涂料粘結(jié)劑與砂芯粘結(jié)劑的匹配等重要影響因 素 我國從9 0 年代初開始研究非占 位涂料技術(shù) 袁壽民研究了加熱硬化的轉(zhuǎn)移涂 料 1 6 5 1涂料采用以白 膠為粘結(jié)劑的 水基石m 涂料 芯砂采用吠喃i 型熱固 樹脂砂 樹脂砂 文章研究了轉(zhuǎn)移涂料的配比 性能 樹脂加入量及原砂粒度對涂一砂結(jié)合 一一一一 一 一 一一一一 1 1 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 強度的影響 用轉(zhuǎn)移涂料澆注了d 2 2 0 1 液壓閥體 z l 1 0 2鋁合金芯盒 原加工工時 為 1 3 2小時 改用轉(zhuǎn)移涂料后只需 2 3小時 鑄件表面粗糙度達 3 2 a m 尺寸精 度達g 8 1 8 0 4 7 9 j s 1 3 級 但是 該 法在涂料 及芯 砂中 含有很高 的有機粘結(jié)劑 涂 料中白 膠的加入量為 2 0 4 0 致使涂料發(fā)氣量高達 6 0 1 0 0 ml g 芯砂中樹脂加 入量也達4 6 加熱硬化的轉(zhuǎn)移涂料需金屬模樣或金屬芯盒 并需要加熱裝置 為此 作者 1 6 6 1 在 9 0年代研究了 可以 在常溫下自 硬的轉(zhuǎn)移涂料 其工藝過程為 在涂有脫模劑或 硅橡 膠的芯 盒內(nèi) 表面 噴涂磷酸鹽自 硬涂 料 然后 填入 水玻 璃砂 吹c o 2 0 3 0分 鐘后取出砂芯 研究了自 硬涂料配比 性能及其對涂砂結(jié)合強度涂模結(jié)合強度的影 響 研究了各種脫模劑及硅橡膠面層對涂模結(jié)合強度的影響 指出硅橡膠可明顯降 低涂料對模樣表面的附著強度 使轉(zhuǎn)移易于實現(xiàn) 研究中發(fā)現(xiàn)自 硬轉(zhuǎn)移涂料存在著 溶劑遷移 阻礙涂砂界面附近的芯砂硬化 形成低強度薄弱層 這是自 硬轉(zhuǎn)移涂 料難以 在對水分或溶劑敏感的 樹脂自 硬砂上實 現(xiàn)的主要 原因 孟 爽芬 1 6 7 對自 硬轉(zhuǎn)移 涂 料也 進行了 研究 該 法用水玻璃和有機醋配成鋁 磯上水基自 硬涂 料 芯 砂采用c 0 2 硬化水玻璃砂及真空氣硬水玻璃砂 v r 法 研究了 涂料轉(zhuǎn)移的最佳時間 研究 了 涂料與不同芯盒材料的接觸角及涂料與芯盒表面的附著強度 用該工藝澆注了碳 鋼試塊及球鐵花齒盤農(nóng)機件 尺寸精確 表面光潔 自硬轉(zhuǎn)移涂料法存在著溶劑遷移對芯砂硬化的影響 而且自 硬涂料需現(xiàn)配現(xiàn) 用 涂料可使用時間一般只有 1 0分鐘左右 為了 避免這些問 題 丁文江等 1 6 1 1 6 2 1 對 自 硬轉(zhuǎn)移涂料法進行了改進 發(fā)明了 液固相變精密鑄造法 該法是先在芯 盒表面噴 封閉劑 脫模劑 再將固化劑噴到芯盒表面 然后再噴涂料 固化劑和涂料在芯盒 表面進行化學(xué)反應(yīng)而固化 填砂緊實后將芯盒放入反應(yīng)固化容器內(nèi) 抽真空1 0 m p a 保持 5 3 0 料充分固化 分鐘 以促使涂料中的溶劑揮發(fā) 然