精铸硅溶胶涂料工艺性能的控制

一、前言：
长期生产实践证实：“制壳”是影响精铸件质量的主要工序。型壳质量的优劣和稳定除与采用的原辅材料、制壳生产环境及操作者技术水平有关外，其决定性的因素是对“涂料工艺性能”的管理和控制。
精铸件常见的表面缺陷：毛刺、麻坑，结疤、流纹、飞翅、气孔、分层及型壳的质量事故——渗钢、漏钢、开裂、变形等均与涂料工艺性能的管理和控制缺失有关。
我国精铸业无论是有60年历史的传统水玻璃型壳或已近25年的硅溶胶型壳生产企业，至今未对涂料工艺性能实行有效的管理。绝大多数工厂仍只限于用一个“流杯粘度计”来控制涂料质量。虽然早在1985年国内就颁布了“熔模铸造涂料试验方法”的行业标准（JB4007-85及JBT4007-1999），但长期以来未能全面贯彻和执行。无疑，这正是我国精铸件质量稳定性差，返修率及废品率高，一次合格率低及质量事故频发的主要原因之一。
国外同行十分重视涂料质量的管理和控制，其铸件一次合格率达到85%-95%以上，而国内平均仅为50%-70%。涂料工艺性能的有效控制是保证型壳（铸件）质量提高和稳定的必要条件及关键因素。
二、涂料工艺性能的内容：
涂料工艺性能包括以下六项
（1）流动性  （2）覆盖性  （3）致密性  （4）稳定性  （5）均匀性 
（6）悬浮性。生产现场必须检测和控制的主要项目有四项：覆盖性（涂料层的平均厚度δ ），流杯粘度（涂料的条件粘度ηΦ4），致密性（粉液n比或粉料在涂料中的体积浓度K%)，稳定性（涂料的“老化”胶凝速度ρ液或ρ涂值的增大）。
三、涂料工艺性能间的关系：
1、定性关系
（1）涂料的流动性（L）主要与涂料内部的结构阻力屈服值Zy有关。其次还与涂料的条件粘度ηΦ4关联。屈服值Zy越高，涂料流动性越差（L值小）。在相同Zy时，粘度ηΦ4越大，流动性越低，反之ηΦ4小则流动性好（L值大）。【6】屈服值Zy大小与涂料平均厚度δ呈正比关系。【2】面夹角，90°时，sinθ=1）
涂层厚度δ主要决定于粉料中微粒（粒径小于0.2-10µm）的含量W0%（表五）。W0%含量越高，屈服值越大，相应δ值越厚，流动性L值就越小。
涂料的流动性（L）可由涂料平均厚度δ及粘度值ηΦ4两个指标决定。当δ值相同（在一定范围内）时，ηΦ4与L呈反比关系。由此可见，仅靠控制涂料粘度值ηΦ4不能代表其流动性高低，也不能保证δ值一致。
2、定量关系
四、涂料工艺性能的测定方法：
１、覆盖性δ——
采用60*60*2（MM）不锈钢片（图一）（参考JB4007-85）浸入涂料10秒，取出后滴流60秒（涂片垂直于水平面）。称重（电子天平，称重1000g，d=0.01g)

式中G——涂料层质量（g） S——涂料层总表面积  ρ涂——涂料密度（g/cm3）
ρ涂可用100ML容量瓶（口径Φ20mm的钢铁元素分析用）测定。
新配涂料之ρ涂也可用公式（1）计算，与实测误差不大（≦1.3%）
2、粘度ηΦ4——
采用V=44ML，孔径Φ4.27美国詹氏4#流杯粘度计（也可用5#杯或6#中国标准流杯）。三种流杯值换算见表一。
3、涂料流动性L可用“流动长度法”测定【6】（JB4007-85)流槽倾角为8°（硅溶胶涂料用）。滴入涂料容积1ML。生产现场可用测定δ及ηΦ4值来代表涂料流动性L，更方便和快捷。【3】
4、致密性（n或K%）对于密度（ρ液）相同的硅溶胶，因粉料密度（ρ粉）不同在相同粘度值ηΦ4时，其粉液比n值虽不相同，但其致密性K%则基本一致（表二）注  1.硅溶胶密度ρ液=1.21(g/cm3)
2.涂料粘度ηΦ4=50（S）（ηΦ6=40±5（S））
3.涂料平均致密性K=47.5%
由上可知：用K%值代表涂料的致密性比用n值更具代表性、通用性及可对比性。
5、稳定性（ρ涂或ρ液）
涂料的老化即稳定性恶化，实质是其中硅溶胶出现固态SiO2凝胶（失水或胶粒自发凝聚及24小时涂料连续搅拌和硅溶胶粒子的布朗运动的结果）。其硅溶胶溶液密度（ρ液）会增高。同时粉料中的杂质也会与SiO2反应使涂料密度ρ涂增高。国内外同行实践已证实，当ρ液由原1.21增至1.27g/cm3时，涂料开始老化（SiO2由30%增至35%）。型壳质量，强度及涂料工艺性能均会恶化，铸件表面缺陷增多，型壳易变形、漏裂。
通过测定ρ液的增高可以得知涂料是否“老化”。传统的离心分析法较费时，建议用测定涂料ρ涂值方法或通过公式（1）或（3）计算出涂料ρ涂及ρ液值的增高来判断“老化”的程度。既准确又实用。
实例“某锆英粉-硅溶胶面层涂料
n=3.7, ρ粉=4.6，ρ液=1.21增至1.27（g/cm3）时，其ρ涂按公式（1）计算
ρ涂1=2.88（g/cm3）(ρ液=1.21g/ cm3)
ρ涂2=2.95（g/cm3）ρ液=1.27 g/ cm3)
ρ涂2-ρ涂=0.07（g/cm3）
经过测定发现：正常生产时表面层涂料每日（24小时）其ρ涂会增高约0.02g/cm3，故4天后若不加新涂料，涂料开始“老化”。若每日补充加入占原涂料容积的1/4以上新涂料，则可长期使用，保持不“老化”（ρ涂及ρ液变化极小）【3】。老化的涂料不能用于各层涂料中但可倒入加强层（最后一层沾浆层）使用。
五、涂料工艺性能的控制方法及要点:
（一）控制方法
1.进厂前各类涂料用耐火粉料（锆英粉，高岭石粉等），应按批次（号）与标准硅溶胶（或本厂现生产用硅溶胶）配制成涂料并检测其工艺性能参数。锆英粉等表面层涂料用粉每批次最多5吨，过渡层或背层用高岭石粉每批次不超过10吨。每批次（号）应测定一次涂料工艺性能参数：必须符合表四中规定方准用于生产。
2.取100g±0.01硅溶胶，置于容积为250ML塑料杯内（有尖嘴出口）加入0.3g润湿剂（JFC等）及0.05g消泡剂。用玻璃棒充分搅匀，按粉液比（表三）由小到大，加入粉料，手工搅拌涂料至均匀。绘出n-ηΦ4曲线（图三）。分别测定各粉液比（n）时的各工艺参数：粘度ηΦ4，涂层（片）重G及涂料密度ρ涂值，通过公式（5）计算出涂层平均厚度值δ（见表三实例）。根据（表四）要求，正确选择δ，ηΦ4，n（K%）三项工艺性能要求。必要时在配料后，还须对个别性能进行“微调”。因每批次粉料粒度及级配不尽相同。
3.实例：某锆英粉-硅溶胶涂料的n-ηΦ4关系曲线。