铸造涂料新技术及发展趋势
苏州兴业材料科技股份有限公司 宋会宗
铸造涂料是铸造业中非常重要的材料之一，对铸件的外观质量及内部质量有很大的影响。近年来，铸造涂料技术发展迅速，涂料的性能不断提高，功能不断扩展，涂料的品种越来越丰富。本文将对铸造涂料近年来出现的一些新技术如预处理涂料、防脉纹涂料、防硫涂料、整体浸涂涂料、非锆质涂料、粉状涂料以及施涂工艺及设备、质量控制等方面的新技术等做一简单归纳总结，并对铸造涂料的发展趋势进行探讨。
一、涂料新品种
1. 预处理涂料
砂型芯表层砂粒之间存在很多孔隙，孔隙的大小由原砂粒度及紧实度决定。孔隙越大、越多，金属液就越容易渗入其中而形成机械粘砂。对于一定粒度的原砂，砂粒之间孔隙大小主要取决于紧实度。由于受砂型芯的结构差异、造型或制芯操作者的习惯、型芯砂的流动性等因素的影响，铸造生产实践中砂型芯各部位的紧实度很难做到一致，特别在转角、突出或薄壁砂芯等难以紧实的部位极易出现紧实不良，在型芯疏松部位容易发生图1所示的金属液渗透（机械粘砂），砂粒间的空隙清晰可见并已被金属填充。
图1 显示了砂粒之间的空隙及渗入的金属 图2 硅砂颗粒之间渗入的预处理涂料
为了克服这个问题，涂料要能够渗透砂芯表面一定深度并在空隙中填充足够的耐火骨料颗粒，有效地进行密封，从而消除或减少金属渗透。普通涂料通常只能渗入1-2个砂粒，当金属压力较高或浇注温度较高时，不能有效地阻止金属液的渗入而产生机械粘砂。特殊设计的预处理涂料含有比普通涂料更细的耐火骨料及表面活性成分，其渗透深度可达到5~20mm,可有效地堵塞砂型芯表面的孔隙，从而可有效地防止机械粘砂的出现。通常采用刷涂或喷涂将这些涂料直接用于容易发生金属渗透的区域。使用预处理涂料后的砂芯表面结构如图2所示。SEM影像显示出硅砂颗粒旁边渗入的涂料粒子填充砂粒间隙的状态。
目前预处理涂料主要用于大型铸铁件、铸钢件关键砂芯、细长或盲孔砂芯、汽车铸件关键砂芯等，可有效地防止烧结或机械粘砂。图3~图8 显示了该类涂料的一些主要应用实例。图3为预处理涂料用于柴油机曲轴箱砂芯；图4为预处理涂料用于柴油机牵引锚砂芯。图5为该涂料用于铸钢件以代替铬铁矿砂。图6 为预处理涂料用于风电铸件，在汽车铸件的关键砂芯上也用于防止局部粘砂、烧结（图7）。特殊设计的预处理涂料用于涡壳用液压件的脉纹防止。该涂料含有氧化铁等防止脉纹的活性成分，同时还含有磷片石墨等防粘砂材料。涂料浸涂时氧化铁等活性成分可渗入砂芯表面5-10mm, 抗粘砂材料留在砂芯的表面。因此，该涂料可有效地防止脉纹和粘砂（图8）。
图 3 预处理涂料用于柴油机曲轴箱砂芯 图4预处理涂料用于柴油机牵引锚砂芯
图5预处理涂料用于铸钢砂芯（代替铬铁矿砂） 图6预处理涂料用于风电铸件
图7预处理涂料用于发动机缸盖关键砂芯 图8 预处理涂料用于防止涡壳铸件的脉纹
2. 防脉纹涂料
脉纹缺陷是发动机铸件生产中的典型铸造缺陷。其中冷芯盒砂芯产生脉纹的倾向最大。发动机铸件在水套、油道、进排气道部位经常会出现脉纹缺陷，这种缺陷会阻碍发动机内腔气液涡流特性，从而影响到发动机的工作性能。大量的研究和长期的铸造实践表明,铸件表面产生脉纹缺陷的根本原因是硅砂在573℃相变膨胀引起的热应力导致砂芯表层开裂,铁水渗入裂纹中所致。脉纹的产生有两个基本条件：一是相变膨胀产生的热应力大于砂芯表面的强度；二是铁水呈液态并且具有足够的流动性。因此，凡是能减少热应力的因素都会减少脉纹的产生,如加入铬铁矿砂或宝珠砂能减少砂芯在浇注时的膨胀，故可以减少热应力；凡是能提高砂芯高温强度及韧性的因素也会减少脉纹的出现，如加入氧化铁或脉克星等可改善砂芯在高温时的热塑性及高温强度,也是覆膜砂芯、无机粘结剂不出现脉纹的主要原因；凡是能加速铁水凝固的因素也会减少脉纹的产生。比如浇注温度越高，铁水凝固越慢，出现脉纹的机率越大。目前国内外针对脉纹缺陷所采取的措施无外乎以上三个方面。防脉纹涂料是最为经济有效的防脉纹措施,目前在国内外汽车铸铁件中已获得广泛的应用。如苏州兴业公司研发了水基及醇基系列防脉纹涂料，综合性能极佳，主要用于缸体缸盖的水套、油道、进排气道、差速器等关键砂芯，可以有效地防止铸件内腔常见的脉纹、烧结、粘砂等缺陷，大大提高铸件内腔的清洁度。该涂料可以代替或减少防脉纹添加剂，降低成本。该涂料具有良好的隔热性，可以推迟砂粒的相变膨胀和砂芯粘结剂的分解；涂料中含有氧化铁红等具有防脉纹作用的活性成分；涂层在浇注时有适度烧结，从而提高了涂层和砂芯表面的强度。图9是采用不同涂料时砂芯表面的温度随时间的变化曲线。从曲线可以看出，防脉纹涂料具有良好的保温性能，可使砂芯表面的温度大大降低，减低硅砂相变的发生速率及相变产生的应变量。同时也使铁水处于液相线温度以上的时间大大缩短，使铁水钻入砂芯产生脉纹的机率明显降低。图10为几种涂料的防脉纹效果。图11~12是防脉纹涂料在缸盖及气道砂芯上的应用实例。
图9 涂料对砂芯表面温度的影响
图10 涂料的防脉纹效果
图11 防脉纹涂料在缸盖上的应用
图12 防脉纹涂料在气道芯上的应用
3. 整体浸涂涂料
汽车发动机缸体缸盖是铸造技术的一个至高点。缸体缸盖的砂芯是铸造行业中最复杂的一类砂芯。随着汽车技术的发展，对缸体缸盖的尺寸精度及内腔质量的要求越来越高。如何提高缸体缸盖的尺寸精度及内腔清洁度，减少脉纹、烧结、粘砂等铸造缺陷是摆在广大汽车铸造工作者面前的一项重要课题。目前国内缸体缸盖铸件的质量与欧美发达国家还有很大的差距。汽车发动机缸体缸盖类砂芯的整体浸涂可以大大提高发动机铸件的尺寸精度及生产效率，代表了新一代汽车铸造技术的发展方向，但对涂料的综合性能提出了更高的要求。一方面由于组合后的砂芯立体空间结构及形状的复杂程度大大增加，使得浸涂工艺的难度大大增加，对涂料的流变性能提出了非常苛刻的要求。涂层厚度在砂芯不同部位要保持一致，不能有滴痕、流痕及堆积等缺陷；另一方面，为了保证优良的内腔清洁度，涂料还应具有良好的抵抗粘砂、脉纹、烧结等性能。XY-SY-660是新研制的高性能水基整体浸涂涂料，该涂料在上柴等铸造厂已获得非常成功的应用。该涂料具有优异的流变性能和良好的综合工艺性能，且通用性较强，可用于缸体缸盖等各种发动机铸件。铸件具有很强的抗粘砂及抗脉纹能力，铸件的内腔清洁度高。
4. 非锆质铸造涂料
锆英粉一直是性能最好、应用最广的涂料耐火骨料。但由于锆英粉资源紧张及开采时环保的限制，近年来锆英粉的价格像过山车，最高时价格达到23~25元/KG。另外锆英粉具有一定的放射性，长期大量使用锆英粉对生产工人的健康及环境造成很大危害。随着环保意识的加强，锆英粉的使用将受到越来越多的限制。摆脱对锆英粉的依赖，开发非锆质涂料是非常迫切的，也是非常有意义的。广大铸造工作者在锆英粉的代用方面已做过大量的试验研究工作，也取得了一些成果。如以高铝矾土、莫来石、铬铁矿、铬刚玉或棕刚玉等材料为基的涂料用于生产中小型碳钢件。但是由于缺乏理论上的指导，加上某些原材料本身的质量波动较大，这些涂料的质量稳定性及其应用范围十分有限，往往当铸件的材质、结构及壁厚等因素变化较大时涂料的应用效果差异很大。单单从耐火度来看，铝矾土、刚玉、莫来石、铬铁矿、镁砂粉等常用的骨料都在1700℃以上，远远高于各种铸钢件的浇注温度。但是从实际的使用效果及质量稳定性来看，却并不是很理想。利用不同耐火材料的复合或添加烧结助剂等在理论上可以达到取长补短、改善涂料烧结性能等目的。实际上在这方面也确实取得了很多可喜的成果，但是对复合的比例或烧结助剂的种类及添加量的把握十分困难，往往需要大量的试验来确定。而且在不同壁厚的铸件上效果有较大差异，到目前为止，就涂料的通用性和剥离性而言，没有一种涂料能够完全达到锆英粉涂料的水平。但是经过长期的努力和大量的试验，目前可以针对不同铸件使用几种（2-4种）不同的涂料而实现锆英粉涂料的完全代用。个别涂料在合金钢铸件上的使用效果甚至超过了传统的锆英粉涂料。图14是利用某种复合天然矿物材料配制的涂料在泵壳类碳钢件上使用效果。图15是一种非锆质复合涂料在水轮机不锈钢叶片上的应用。以前采用锆英粉涂料生产时在浇口附近一直存在严重的粘砂。采用新研制的非锆质涂料后，较好地解决了浇口部位粘砂这一问题。目前此涂料在核电、水电、火电类铸件上也取得了很好的应用效果。图16为复合非锆质涂料在铁路碳钢件上应用效果。图17是非锆质涂料涂刷的汽轮机大型 铸钢件铸型及砂芯。这几种涂料基本覆盖了碳钢、低合金钢及高合金钢等以前使用锆英粉涂料的大部分铸钢件。在大型铸铁件上目前也可实现锆英粉涂料的完全替代。
图14 非锆质涂料生产的铸钢泵壳
图15 非锆质涂料用于汽轮机不锈钢叶片
图16 非锆质涂料用于铁路碳钢件
图17 非锆质涂料用于汽轮机铸件
5. 防硫涂料
高质量的球铁件近年来发展很快，产量不断增加，典型铸件如风电轮毂及高铁轴箱等。目前生产这类铸件大都采用呋喃树脂自硬砂工艺，在生产中由于固化剂中的磺酸或硫酸等含硫材料在浇注过程中分解出含硫有害气体，与铁水接触后会导致球铁铸件表面石墨衰退形成一定深度的片状石墨层，降低铸件的机械性能。用呋喃树脂生产铸钢件时也常常出现硫引起的表面微裂纹等缺陷。国内外均已研制出具有防硫功能的涂料并在生产中等到较为广泛的应用。但应当注意的是，当旧砂中的硫含量积累到0.15%以上时，涂料的防硫作用将大打折扣。这时应考虑增加新砂或采用优质低硫固化剂高潮降低体系中的硫含量。
6. 新型激冷涂料
目前常用的激冷涂料为醇基碲粉涂料，可防止缸盖等铸件由于缩松引起的渗漏。但是使用碲粉涂料经常会出现一些副作用。如涂刷部位会出现严重的烧结或粘砂。碲粉涂料增大烧结或粘砂风险的原因是碲（Te）元素会强烈降低铁水的表面张力，会明显增加铁水对砂芯表面的润湿及渗透。另外，碲粉涂料在加热时会产生有毒蒸气，对操作工人的建康造成伤害。新型激冷涂料不含碲粉，具有良好的导热性能及耐火度，既有良好的激冷效果，又不会引起粘砂。
7. 粉状涂料
近年来,粉状涂料发展很快, 目前已在汽车发动机、铸铁件、高锰钢件、V法及消失模铸件上得到应用。粉状涂料由于不含溶剂，可大大降低涂料的包装运输成本。特别是醇基粉状涂料，运输更加安全快捷。我国安全法规将更加严格，对易燃易爆危险品的生产运输储运的安全要求将越来越高，也将使醇基涂料的运输成本大大提高，这将大大促进粉状涂料的广泛应用。
二、涂料应用新技术
高质量的涂料，还要加上正确地使用及质量控制才能保证良好的使用效果。
1. 涂料的正确使用
涂料的正确使用需考虑下列多个方面的因素：
• 涂料的稀释：搅拌均匀、稀释剂、水质影响
• 涂料槽中的搅拌：连续、间断或从不
• 施涂工艺：刷涂、浸涂、流涂、喷涂
• 施涂设备：手工、机器人、半自动机械
• 烘干工艺及设备：温度、时间、设备效率
• 微生物的影响：涂料槽、管道及稀释用水中细菌的控制
• 气候、地域：温度、湿度的变化
• 涂料槽的清理维护、涂料颗粒、散砂的过滤去除
• 砂芯的预处理：修补、密实、预涂、预热
比如，涂料在使用前往往需要稀释。醇基涂料所用的稀释剂为乙醇、甲醇或异丙醇。市售工业酒精往往含有较高的甲醇，用于低档甲醇涂料没有问题，但不能用于优质乙醇或异丙醇基涂料。水基涂料稀释用水对涂料的性能也有很大影响。水的硬度、pH值、电导率等影响涂料的流变性能，进而影响涂层厚度、滴痕、流淌。水中细菌的含量也需要引起关注。细菌的滋生和繁殖会引起涂料在使用存放过程中变质，严重影响涂料的涂敷质量。
涂料在使用前和使用中的搅拌工艺对涂料的性能也有很大影响。持续的高剪切高速搅拌会造成涂料粘度下降、滴痕、流淌、涂层变薄、气泡等问题。但搅拌强度太低，涂料的均匀性难以保证。既要保证涂料的均匀性，又要避免长时间、高速的剪切及卷气。
涂料的施涂工艺及设备要根据铸件及砂芯的特点、生产规模等因素合理选择。大批量生产的铸件如汽车铸件宜采用自动化程度高的机器人浸涂，较大的砂芯及单件小批可采用流涂或刷涂。如果采用机械化或智能机器人浸涂时要设定正确的动作参数如浸入速度、时间、出离速度、悬停角度及时间、旋转速度及时间等。要在调试过程中确定最佳的参数。
涂料槽的定期维护也很重要。涂料在连续的生产过程中会有散砂甚至砂块、杂质不断进入涂料槽中，另外槽壁上粘附的涂料也会再次脱落进入涂料中，这会影响涂层的外观。因此，需要通过过滤及定期清理涂料槽去除涂料中的外来杂质。
另外，砂芯往往存在局部疏松，在浸涂涂料前应用修补膏对该部位进行必要的修补或预涂，否则这一部位可能涂层过薄或或根本盖不住砂芯表面。
2. 质量控制
涂料在使用过程中要控制一些指标如波美度、粘度、密度。波美度是最常用、最简单有效的控制方法。但要注意的是波美度受操作者、波美计、读数时间、温度及容器等很多因素的影响，有时会出现较大的偏差。有的采用比重计控制，与波美度存在相似的问题。采用密度（称重法）控制会更加精确，因为密度受人为的因素及检测仪器的影响较小。目前国外先进的生产线采用在线自动测定并控制密度的方法控制涂料质量。控制密度的另一好处是涂料的密度与涂层的厚度有良好的线性关系。另外，流杯粘度在流涂和浸涂涂料的控制中其灵敏度或准确度优于波美度。但要注意不同的流杯（如福特杯、DIN杯、ISO杯等）其检测结果差异很大。
涂层厚度的控制非常重要。波美度、密度及粘度的控制其实最终是要控制一定的涂层厚度。目前常常采用的是湿态涂层厚度规。湿态厚度规也有多种形式，如方形、六角形、圆形等。方形及六角形厚度规需要一定宽度的平面。而圆形厚度规则不需要平面，可用于曲面上的涂层厚度测定。
5. 涂料在线精确质量控制技术
全自动涂料工作站是国外开发的最新涂料应用设备，由FOSECO公司开发，适用于高品质铸件自动化生产线中涂料使用参数的全自动精确控制。该工作站通过实时、连续测定涂料的密度及粘度将涂料的配制及质量控制实现全自动过程控制，可有效地消除人为因素的影响，使涂料涂敷质量更加稳定一致。工作站集涂料配制及质量控制一体化，可实现自动加料、输送、循环及在线、实时、连续、自动测定涂料的密度及粘度，控制精度及可靠性高，环境及人为因素影响小。配有超声波清洗器可自动清洗传感器探头，双联过滤器可滤除涂料中的杂质。测量数据记录并保存在专用数据库中，可生成定制化报告。工作站还可与全球技术服务中心连接，实现远程控制。适用于各种水基涂料及醇基涂料，可适用于浸涂、流涂及喷涂。可实现一机多用，可同时供给多个涂料浸涂或流涂槽工位。但国内目前尚无应用涂料工作站。
三、涂料的发展趋势
伴随着机械和铸造业的发展，铸造涂料已经并还将不断涌现出很多新技术、新产品及新的理念，然而其总体上的发展趋势不外乎技术上的进步和绿色环保这两大主线。归结起来主要有以下几个方面：
1. 发展防缺陷涂料
随着铸造涂料技术的不断发展，涂料的功能也在不断地扩展。利用特殊设计的涂料防止铸件的某些典型缺陷成为铸造涂料的一个重要发展趋势。其实，最早的涂料就是防止粘砂这一铸造缺陷的。碲粉涂料也是一种防止缩松（渗漏）缺陷的一种涂料。近年来发展起来的防脉纹涂料是其中的较为成熟的一种新型防缺陷涂料，在国内外汽车铸铁件中已获得广泛的应用。含有氧化铁的防气孔涂料也是一种新型的防缺陷涂料，目前在铸铁件及铸钢件上均有成功的应用案例。随着各种高档球铁件如风电及汽车铸件的增加，呋喃树脂砂特别是再生砂中硫的问题越来越突出。呋喃树脂固化剂中的有机磺酸在浇注时会分解出含硫气体，进而被铸件表面的铁水吸收，导致铸件表面的石墨球变异，出现一定深度的片状石墨或蠕虫状石墨层。目前国内外已开发出多种具有防硫作用的涂料。该涂料一般被设计成烧结隔离型、碱性吸收型或混合型防硫涂料。铸钢件也容易受硫的影响。目前国内已开发出能够防止铸钢件表面微裂纹的阻硫涂料，并在铁路铸件上得到应用。
防缺陷涂料是通过影响或控制涂料与金属液的界面反应达到防止某种缺陷的目的，这一类涂料将有非常好的发展潜力及更加广泛的应用前景。可以预见，能够防止更多铸造缺陷的涂料品种将会不断涌现。
2. 发展水基涂料
水基涂料的环保优势、质量优势及成本优势都很明显，将是未来涂料的一个重要发展趋势。水基涂料在大型铸铁件如风电铸件及大型铸钢件上具有非常好的发展前景。目前在国内外一些厂家已获得非常成功的应用。如某风电铸造厂采用水基流涂涂料生产大型风电球铁件。涂料的烘干采用热风炉，而其热风炉的热量来自于铸件浇注后的废热。这是一个非常值得借鉴或推广的技术。又如某铸钢厂采用水基涂料生产大型铸钢件。涂料主要靠自干，合箱后采用热风进一步烘干涂料及铸型内的残余水分。水基快干涂料也将是一个很有前景的发展方向。
3. 发展非锆质涂料
由于锆英粉的资源紧张、价格波动大以及开采锆英砂对环境的严重破坏，加上锆英粉有一定放射性，锆英粉的使用将受到限制，非锆质涂料将是一个明确的发展方向。非锆质涂料的主要研究方向是复合骨料，主要需考虑以下几个方面的因素：
（1）不同金属材质具有不同的酸碱性，这取决于金属中合金元素的种类及含量。各种耐火材料的酸碱性要和金属材质的酸碱性相适应；
（2）涂料的烧结性能决定涂料的剥离效果。烧结性能一般可以通过不同材料的复合或加入烧结助剂来实现。材料的复合及烧结助剂的选择及加入量的确定要考虑材料之间高温的矿相反应产物及动力学因素，还要考虑低熔点玻璃相的种类、数量及粘度特性；
（3）耐火骨料在浇注及冷却过程中的体积及线膨胀特性将会影响涂料的剥离效果。耐火骨料自身的相变、矿相反应产生的新相以及烧结产生的收缩都应考虑在内。
这些考虑将有赖于涂料抗粘砂及自动剥离理论及试验方法方面的突破，今后应加大这方面的研究力度。
4. 发展高性能、高精度、高效率的新型施涂及控制技术和设备
汽车铸造中将向数字化、自动化、机器人浸涂方向发展，逐渐淘汰手工或机械化程度较低的施涂方式。同时将越来越多地采用自动在线涂料质量控制技术如全自动涂料工作站等，使涂料的施涂质量及稳定性达到更高的水平。单件或小批量生产线如各种树脂砂生产线将更多地采用流涂涂料。流涂可提高施涂效率和涂层质量、消除刷痕。
5. 发展粉状涂料
随着我国安全环保意识的加强和安全法规的更加严格，醇基涂料的生产运输将面临很大的压力，因此粉状涂料将得到快速的发展。粉状涂料技术难度较大，质量性能等还有待进一步提高。
四、结束语
提高涂料综合性能、增加涂料附加功能、改善涂料的环保特性将是涂料发展的永久课题。通过吸收相关行业的先进技术、先进材料以及最新的理论不断丰富铸造涂料的理论和产品创新，铸造涂料的发展潜力将是巨大的。
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