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3.1.1消失模涂料介绍

    首先，我们通过将普通砂型铸造涂料与消失模涂料进行简要对比，进而了解消失模涂料在消失模铸造中的作用。

    在普通铸造工艺中，涂料是涂在铸型型腔表面上的。但在消失模铸造中，涂料涂在泡沫塑料模型上。消失模铸造涂料的主要作用是：

（1）提高泡沫塑料模型的强度和刚度，防止在运输、填砂振动时模样被破坏或变形。泡沫塑料在埋型操作过程中，无论你多么的注意，都难以避免其因为所承受冲击力的变形影响，既然我们无法阻止这一现象的发生，那么我们就只能降低这一现象带来的后果，消失模涂料在相同的厚度下要比其它的涂料更加经受得住冲击力，能在最大程度上保护泡沫塑料，以至于其变形的程度大大的降低，甚至于无法看见。图1是泡沫塑料模型有、无涂料时受力与其变形的关系曲线，由图可见涂料可大大减小泡沫塑料模型受力后的变形。

图1 泡沫塑料模型有无涂料时受力与其变形的关系曲线

1-B部无涂料；2-A部无涂料；3-A部有涂料；4-B部有涂料

    （2）在浇注时，涂层将金属液与铸型分开，防止金属液渗入干砂中，以保证得到表面光洁的铸件，无粘砂。同时，防止干砂流入金属液与泡沫塑料模型的间隙中，造成铸型塌箱。

一些消失模在铸造过程中由于莎莉空隙间的反压力要小于制造过程中的金属液渗压，从而会造成机械粘砂的现象，如果在消失模表面涂上一层消失模涂料，就能够防止这学空隙，从而阻止了机械粘砂的现象发生；而有的在制作过程中需要经过高温处理，一旦，该消失模不能经受高温就会出现热化学粘砂的现象，而消失模涂料正好具有很好的耐火性，因此阻止了热化学粘砂的现象发生。

    （3）涂料层能让泡沫塑料模热分解的产物（大量的气体或液体等）顺利的排逸到铸型中去，防止铸件产生气孔、碳缺陷等。

    在浇注铝合金时，其涂料还应具有良好的绝热性，防止因塑料模燃烧吸热造成铝液温度下降过快，而产生浇不足等缺陷。

3.1.2消失模涂料组成（材料）

    消失模涂料一般由耐火材料、粘结剂（溶剂）、表面活性剂、悬浮剂、触变剂以及其他附加物组成。

  1. 耐火材料

耐火材料是涂料中的骨干，它决定涂料的耐火度、化学稳定性和绝热性能。

常用的耐火材料有刚玉、锆英石、石英、铝矾土、高岭土熟料、氧化镁、硅藻土等。表1是几种常用耐火材料的物理化学性能。

表1 几种常用耐火材料的物理化学性能

*为耐火度

  生产不同合金的消失模铸件时，应选用不同的耐火材料制作涂料。这是因为不同合金对耐火材料耐火度要求不同，对涂料化学稳定性要求不同，对涂料的绝热性要求也不同。通常生产铝铸件时其消失模涂料要用硅藻土、滑石粉等耐火材料；铸铁件常用石英粉、铝矾土、高岭土熟料、棕刚玉粉等耐火材料；铸钢件常用刚玉、锆英石、氧化镁等耐火材料。

  配制消失模涂料除要正确选择耐火材料种类外，还应正确选择耐火材料的粒度粗细和分布，以及耐火材料颗粒形状。因为粒度粗细和分布及颗粒形状将影响涂料的透气性。据报道，消失模涂料用耐火材料颗粒以圆形为好，粒度偏粗而集中较为合适。

2.粘结剂

如前所述，为保证消失模涂料既有高强度又有高的透气性，要合理地选择有机和无机粘结剂，同时使用多种粘结剂，以确保涂料性能符合要求。

（1）无机粘结剂：使用最多的无机粘结剂为膨润土、水玻璃、硅溶胶、磷酸盐等。这里着重介绍一下膨润土。

铸造用粘土分普通粘土和膨润土两大类。涂料常使用钠膨润土作为无机粘结剂，效果较好。

膨润土主要由蒙脱石矿物组成，化学表示式为Al₂O₃.4SiO₂.H₂O.nH₂O，其中H₂O为结构水，nH₂O是层间水。在电子显微镜下它呈不规则的薄片或绒毛状，为层状组织。粘土颗粒表面常带负电，从而能吸附阳离子，而这些阳离子又影响膨润土的性能。吸附Na+1、Ca+2离子的膨润土分别称为Na膨润土和Ca膨润土。国产钠膨润土较少，钙膨润土能用适量的碳酸钠处理转化为钠膨润土。两种膨润土的特性见表2。

表2 钠膨润土和钙膨润土的特性比较

  （2）有机粘结剂：铸造中常用的有机粘结剂有糖浆、纸浆、聚乙烯醇、聚醋酸乙酯乳液、聚乙烯醇缩丁醛、羧甲基纤维素（CMC）、淀粉、糊精等。这里只介绍其中的几种。

  聚乙烯醇（PVA）为有机高分子化合物，是一种水溶性树脂。它是一种非电介质的表面活性剂，成膜性能好，不为霉菌所破坏，它可作为铸造粘结剂。聚乙烯醇的牌号不同，其性能也不同。有的可溶于水，有的仅能溶胀。铸造粘结剂用聚乙烯醇牌号为PVA17-88（聚合度为1700，醇解度为88％），外观为白色粒状。

  淀粉是一种碳水化合物，化学式为 (C₆H₁₀O₅)n，其分子结构有直链和支链两种。支链淀粉分子量较大，可达直链淀粉的6倍。支链淀粉含量越高，淀粉的粘性就越大。根据其原料种类，可分为玉米淀粉、马铃薯淀粉、甘薯淀粉、木薯淀粉、糯米淀粉等。根据其颗粒结构形式淀粉分为α、β两种。β淀粉即天然淀粉大都为圆形或多角形有复粒和微晶结构。将天然淀粉与水混合，在一定温度、压力下进行预糊化处理，使它的体积膨胀，分子链断裂、微晶结构破坏，颗粒相互缠绕而形成α淀粉。各地粮食部门均有淀粉供应。

  糊精是淀粉加水后在酸和热作用下产生水解反应（糖化）的一种中间产物。反应后形成的产物含有糊精和还原糖等。糊精一般糊化度在70％以上，还原糖在15％以下。糊精大多为淡黄色粉状，也有白色糊精，但其粘结力较差。糊精是一种湿强度和干强度都比较高的有机水溶性粘结剂，在冷水中几乎可完全溶解，但露置时易吸潮结块。

3.载体（溶剂）

  消失模涂料有水基涂料和醇基涂料之分，但生产中使用较多的为水基涂料。国内外消失模商品涂料多是直接配成水基膏状涂料；或是购买时为粉状，使用时加水配制成水基涂料。

4. 表面活性剂

  为改善水基消失模涂料的涂挂性，需要在涂料中加表面活性剂。表面活性剂的分子一般由两种性质不同的原子基团组成：一种是非极性的、亲油（疏水）的基团；另一种是亲水的基团。两种基团分别处于一个分子的两端，形成不对称结构。因此，表面活性剂的分子是既能亲水又能亲油的双亲分子。将表面活性剂加入到消失模涂料中，它的亲水基与水基涂料中的水结合，而亲油端则被泡沫塑料模吸引，从而它定向的排列在泡沫塑料模的表面，好像一个桥将塑料模和水基消失模涂料拉在一起。

  常用的表面活性剂如JFC，又称渗透剂EA，全名为聚氧乙烯烷基醇醚。

5. 悬浮剂、触变剂

  为使涂料中耐火粉料能与粘结剂充分混合，能处于悬浮状态，可加入悬浮剂。膨润土是粘结剂，也是很好的悬浮剂。另外，可用CMC等有机化合物作水基涂料的悬浮剂。CMC按其粘度分为高、中、低三种，其中中粘度的CMC配成2％的水溶液，其粘度在300到600厘泊范围内，使用方便，成本又较低。CMC因电荷效应或氢键结合等作用可吸附于粉料颗粒表面，其架桥作用，提高涂料的悬浮性。由于CMC是一种高分子阴离子型电解质与粘土表面电荷相同，所以与粘土合用，尤其是和钠膨润土配合使用效果最为理想。

  为提高消失模涂料的触变性，也可在涂料中加入稠化触变剂。膨润土、CMC都是稠化触变剂。此外，聚乙烯醇、海藻酸钠、凹凸棒土、田菁胶、SN（多种无机材料配制而成）、活性累托石土等都是稠化触变剂。

6.其他附加物

  为了提高涂料某方面的性能可加入附加物。如为防止消失模涂料中有机物变质，可加入防腐剂福尔马林等。又如英国Foseco公司提出在涂料中加入少量的冰晶石（NaAlF₆），使其在高温下形成活性高的NaF、AlF₃等，来吸附泡沫塑料模热分解出来的碳，使之不沉淀在铸件表面，以消除铸铁件上的皱皮、碳等缺陷。

3.1.3涂料的性能技术要求（厚度、强度、透气性等）

  为使涂料能够起到以上所述的作用，消失模涂料应控制下列性能：强度、透气性、耐火度、绝热性、耐急冷急热性、低的吸湿性、好的清理性、涂挂性、滴淌性、悬浮性等性能。

也可以把众多的性能归纳为两类性能：工作性能和工艺性能。

涂料强度、透气性、耐火度、绝热性、耐急冷急热性等性能均为其工作性能。其中最主要的工作性能为强度和透气性。消失模涂料要求有高的强度，又要求有高的透气性，这是它与其他铸造涂料所不同的。

  涂料的涂挂性、滴淌性和悬浮性等性能则属于其工艺性能。消失模铸造常采用水基涂料，因水基涂料与有机的泡沫塑料模不润湿，需要改善涂料的涂挂性，这是消失模涂料的一个主要的工艺性能。另一个主要的工艺性能是涂料的滴淌性。模样在上涂料后，一般将其悬挂干燥，希望涂料能流平，并尽快的不滴不淌，以确保得到一定厚度的均匀涂层，充分利用涂料又不污染环境。

下面着重讨论涂料强度、透气性、涂挂性和滴淌性等四个性能及其测试方法。

1.涂料强度

  涂料强度包括室温强度、高温强度和残留强度等三种性能。室温强度将保证泡沫塑料模型在运输、填砂振动时模样不变形、不破坏。高温强度则防止金属液浇注时和成形过程中涂层破坏，造成塌箱、粘砂等缺陷，保证得到表面质量好的铸件。残留强度则是决定浇注后涂层清理性的好坏。

涂料强度最主要取决于涂料粘结剂种类及加入量。室温强度是由有机粘结剂和无机粘结剂共同组成的，影响最大的是有机粘结剂。高温强度则取决于无机粘结剂。此外，耐火材料种类、粒度分布对涂料强度也有影响。

  涂料强度测定方法很多，这里仅介绍两种容易而简单的方法。

方法1：用一定配方的型砂100g，捣制标准砂型试样，注意在砂样上方空出1.5mm以涂敷涂层，见图2（a）。待涂层干燥后，小心去除砂样，然后测定涂层的强度。见图2（b）。

  涂料层的强度σ用下式计算：

       (式1)

  式中：G—加载总重量，kg；

  F—涂层面积，cm²

图2 涂层强度测试示意图

方法2：用稠状（膏状）涂料做成长方形涂层试样，见图3（a）。

干燥后放在抗弯强度测定仪的支架上（见图3（b）），从试样中部加载直至试样断裂为止。涂料的抗弯强度σ可用下式表示。

       (式2)

  式中：G—加载总重量，kg；

   b—试样宽度，cm；

  h—试样厚度，cm。

图3 涂料抗弯强度测定示意图

涂料室温强度测定方法如上。要测定涂料的高温强度，需将测定装置放在高温炉中，以便测定一定温度下涂料的高温强度。残留强度可将试样放在高温炉内烧后，冷却到室温再加以测定。

2. 涂料透气性

涂料的透气性也分室温透气性和高温透气性两种。其中高温透气性对铸件质量的影响更大。  

影响涂层透气性的因素很多，如涂料中耐火材料的粒度及分布、有机和无机两种粘结剂的种类和含量、附加物的种类和含量、混制工艺、涂层厚度、涂料的密度或涂料中固体含量多少等。

涂料中耐火材料粒度越粗、分布越集中，则涂层的透气性就越高，如用相同配方和配制工艺方法时，用图4（a）和图4（b）两种粒度分布的耐火材料所配涂料，其透气性相差近一倍，粗粒耐火材料粒度配制的涂料透气性高。

图4 耐火材料粒度分布曲线

  图5为相同粘结剂，不同耐火材料配制的涂料、耐火材料粒度与涂层透气性的关系。可见，两种耐火材料配制的涂料，其透气性均随耐火材料的粒度变化而增大。

图5 耐火材料粒度与涂料透气性的关系

实验研究表明，涂料中无机粘结剂含量增加则透气性下降，而一些有机粘结剂在一定范围内增加时，可使涂料常温透气性稍有上升，使高温透气性有较大的提高。也有资料报道，粘结剂种类对涂层透气性有不同的影响，见图6。图6是用两种粘结剂（A、B）和同种耐火材料（200目氧化铝）配制的涂料的透气性。随着粘结剂A的增加，因涂层产生微裂纹，反使涂层透气性增加（见图6（a））。粘结剂B很易分散，能均匀包覆在耐火材料表面，因而随着粘结剂B的增加，涂层中空隙减少，透气性减小。

此外，涂料的密度、固体含量及涂挂次数均会影响涂料的透气性。一般来说，涂料中固体含量增加则其密度提高，而涂层厚度则随涂料密度和涂挂次数增加而增厚，所以涂层透气性随涂层厚度增加而降低，见图7和图8。

图6 粘结剂含量与涂层透气性的关系

图7 涂料密度与涂层透气性的关系

   从图7可见，当涂料密度在1.41～1.56g/cm³之间时，上1次涂料的涂层厚度为0.10～0.23mm，上2 次涂料时涂层厚度增至0.25～0.60mm，上3 次涂料所得涂层厚度达0.33～0.84mm。图8表明，上相同次数的涂料时，涂料透气性随涂层厚度增加而降低；但对于相同涂层厚度而言，透气性随涂挂次数增加而降低。

图8 涂层厚度与涂层透气性的关系

   到目前为止，国内外尚没有标准的涂层透气性测定方法。不少单位和资料提出了很多涂料透气性测定方法，这些方法用的试样、仪器和原理也不相同。从测试原理上可分为以下三大类：

（1） 按透气性的原理进行测定。

              （式 3）

其中V—通过试样的空气体积；

H—试样高度；

F—试样面积；

P—气体通过试样前的压力；

t—一定气体通过试样的时间。

   这一大类的涂层透气性测定方法很多。例如直接利用型砂透气性仪测定涂层透气性。或将上式改造为，测出一定压力P的气体通过涂层试样时，由气体的流量V/t，计算出K值。或测定气体通过涂层时压力从一个值降到另一个值所需时间等等。这一大类方法使用较多。

  (2)逐渐增加通过涂层试样的气体压力，直到涂层试样破裂为止，用气体压力的大小来表示涂层透气性的大小。

  （3）测定涂层孔隙大小来表示涂层透气性的大小，可使用光学显微镜等来测定涂层孔隙大小及分布。

  三类透气性测定方法，因测试原理不同，数据不相同。这里只介绍按原理（1）测定的一种方法，它是把涂料制成一个圆形薄片试样，安放在图9（a）的试样座中，用图9（b）的透气性测定仪测定其透气性。

图9 涂层透气性测定仪的示意图

   具体操作步骤为，打开无油空压机开关，提供两个大气压的压缩空气，再调整减压阀使压力表的压力值稳定在一定值上，打开两通阀，让气流经流量计流到试样座上的涂料片上。读出压力表上压力值及流量计值，代入下式计算涂料的透气性K：

            （式4）

式中：θ/t——气体流量，cm3/min；

δ——涂料层厚度，cm；

F——涂料层的透气面积，cm2；

P——作用在涂料层上的气压，g/cm2。

高温透气性可将涂料在高温下烧后，冷却到室温再测。

3. 涂料涂挂性

涂料的涂挂性可用板状的泡沫塑料模片加以测定，手握泡沫塑料模片或玻璃片的一端，将其浸入涂料中，取出后用肉眼观察涂料是否所有地方都已挂上涂料，厚薄是否均匀。

4. 涂料的滴淌性

  涂料的滴淌性可用涂片重、滴淌量和滴淌时间来综合评定。测试需用快速天平、秒表、涂片和支架。先用快速天平称出涂片（40´40´20mm的不锈钢片）和支架重（G1）。把涂片浸到待测涂料中，取出将涂片挂在支架上，支架下方放着薄膜以承接涂片上滴下的涂料。用秒表记下涂料滴淌的时间，2min时再称出涂片加涂料和支架的重量（G2）、滴下涂料（G3）。则：

涂片重是涂片上附着的涂料重，G=G2－G1；

滴淌量是涂片取出后滴到薄膜中的涂料重，为G3；

滴淌时间则是涂片取出后到涂料不滴所用的时间t。

滴淌量越小，滴淌时间越短，涂料的滴淌性就越好。

涂料的滴淌性是与涂料的流变性—－触变性有直接关系的，涂料触变性好则其不滴不淌。而涂料的触变性又与涂料的组成、特别是膨润土、稠化触变剂有关，还与涂挂时涂料是否处于搅拌状态等有关。

3.1.4消失模涂料种类及选取原则

消失模涂料的种类有：灰铁、高铬灰铁、球铁、锰钢、碳钢、铸铝、铸铜、不锈钢。

选取原则主要是依据各个材质消失模铸造所需耐火度（高温强度）、透气性、剥落性等性能不同而选取。即使同一种材质，铸件的壁厚、重量甚至是铸件的质量要求等级等因素不同，所选取的涂料种类也会有所差异。下面依次举例说明：

实例1、因材质而异所选取的涂料种类不同

灰铸铁消失模铸造浇注所最高需温度在1480℃-1500℃，而消失模做碳钢件所需的浇注温度在1600℃左右，因此，这两种材质对涂料的耐高温强度性能的要求不同，所以一般碳钢消失模涂料的耐火度会比灰铁高，当然涂料的主要骨料也会不同。

实例2、相同材质的铸件因为铸件的形状尺寸不同所选取的涂料种类也不同

  消失模浇注所需温度会因铸件的壁厚程度而定，壁厚越薄浇注温度应该越高，例如拖拉机的变速箱体，最薄处6mm，所需浇注温度为1460℃-1480℃左右。而同样是灰铁的机床床身铸件，因整体壁厚尺寸较大，浇注温度一般选择在1400℃一下。虽同为一种材质，但因铸件的形状尺寸不同所对应的浇注温度不同，进而要求涂料的耐火温度不同，所以对应涂料会做相应调整。

实例3、相同材质的铸件因重量不同涂料选取也不同

消失模是由铁液置换EPS模型的工艺，因此不同重量的铸件所需的EPS模型的体积和重量也不同。不同的EPS模型在气化的过程种发气量也会不同，所以要求消失模涂料的透气性能也不一样。

3.1.5涂料的现场控制

  涂料控制的性能较多，见前所述。但在生产现场主要可控制涂料的密度，涂层重量和涂料的pH值。

1. 涂料密度

涂料密度可用密度计（比重计）加以测定，也可以用容量法加以测定。

  涂料密度反映其稀稠状态，在一定的涂敷方法下，它实际上也反映出涂料在泡沫塑料模上的厚薄，即涂料的涂层厚度，因而这是涂料的一个重要性能，应加以控制。

  很多铸造涂料在现场常常测定其流杯粘度，用流杯粘度来控制其稀稠程度。但消失模水基涂料是具有高触变性的带屈服值的假塑性流体，其流杯粘度很难测定。因而，在生产现场用涂料密度来控制其稀稠。

2. 涂层重量

生产现场可测定白模（泡沫塑料模）重量（G1），上完涂料，等涂料干燥后再测定白模和涂料的总重量（G2），G2-G1则为涂层重量G。在生产某一种产品时知道G，就可以估计出涂料的厚度。也可直接在烘干的模型上取涂料片层，使用游标卡尺测量厚度。

涂层重量也可用本文前面介绍的方法加以测定。

  3. 涂料pH值

  消失模水基涂料多使用膨润土作无机粘结剂，同时加入各种有机粘结剂。涂料的pH值反映着涂料的稳定性和性能，应加以控制。

  涂料的pH值可以用pH试纸加以测定。

3.1.6 涂敷方法及涂敷厚度

上涂料的方法一般有刷、浸、淋和喷四种。单件小批量生产的中大型模样采用刷涂法。对批量较大和形状复杂的小型模样选用浸涂法和淋涂法。对薄壁、易变形或易损坏的模型不能浸涂，必须采用喷涂法。实际生产中几种方法也可结合使用。

浸涂法生产效率高，涂层均匀，但因泡沫塑料模比重轻，浸涂时的浮力大，要注意防止模型变形。为克服浮力，可采用卡具，将泡沫塑料模放在卡具中固定，然后让涂料从底部压入，由下而上的淹没整个模型后，撤压，使涂料自动下落。

浸淋结合可以解决模型浮力问题，但效率及涂敷的均匀性不如浸涂法。涂层应均匀，厚度由件大小决定，壁厚30mm重20kg以下的件一般涂层不大于1.5mm，大件可以较厚一些。

涂层厚度应根据铸件的合金种类、结构形状及尺寸大小来决定。涂层过薄，对模型的强化作用小；过厚则使透气性下降，且涂层易开裂剥落，增加烘干时间。

对于小件和薄壁件，尽量采用2次涂挂，涂层厚度约0.8~1.2mm，厚大铸铁件和铸钢件，可采用2次，甚至3次涂挂，涂层厚度为1.5~2mm。

3.1.7 浸涂注意事项

 1．连续搅拌并控制温度

  消失模铸造用水基涂料都是触变性涂料，即在搅拌过程中涂料粘度下降，搅拌停止后粘度则上升。图10为停止搅拌后触变性引起的涂料波美度的变化。

  为得到均匀的涂层厚度，应使涂料在搅拌下涂敷。这点也可以从图11中看出，相同模型的试样（内径3in，外径3.5in，长4in的管）在搅拌与不搅拌状态下涂敷涂料，烘干后涂层涂料重量变化情况。连续缓慢搅拌下涂料重量变化小，即涂层厚度均匀。无搅拌状态下涂敷的涂层重量变化很大，涂层不均匀。

图10 停止搅拌后触变性对涂料波美度的影响

图11 有关模型烘干后涂层均匀性和搅拌状况的关系

2. 慢速搅拌，防止卷气

  搅拌涂料时转速不宜过慢，否则涂料会沉淀；但转速也不能过快，否则涂料易卷气。图12为叶片式搅拌桶设备外形，图13为L型搅拌桶，可实现慢速搅拌。图14为涂料搅拌槽的示意图。

   3. 浸涂方向，防止变形

涂料浸涂时，应合理选择模型浸入涂料的方向、部位，有利于防止模型变形。

   4. 涂敷均匀，不得暴露

模型涂敷的涂料要全面、均匀，不得有未上涂料的模型暴露部位。

5. 操作平稳，防止变形

图14 涂料槽结构示意图

1-涂料槽 2-滑轨 3-涂料 4-搅拌叶片 5-移动小车 6-减速器 7-电机

  模型从涂料中取出、运送、放置均要考虑防止模型变形问题。

3.1.8 烘干规范及注意事项

模型涂层烘干受EPS模型软化温度的限制，常采用低温或常温烘干。

大量生产中，常在40～60℃下，每次涂刷后干燥8～12h。烘干过程中要注意 以下事项：

（1）烘干过程中注意模型的合理放置和支撑，防止模型变形。

（2）必须烘干烘透。

（3）干燥后的模型应放置在湿度较小的地方，防止吸潮。