铸造涂料的性能控制与技术发展

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铸造涂料的性能控制与技术发展
" [' k$ z, `/ k: r5 U: z# W& k      铸造涂料是涂覆于铸型或芯子表面上的辅助材料，对提高铸件的表面质量有重要的作用。我国早期的铸造工匠，在3000多年前就已经配制并成功地使用铸造涂料(以下简称涂料)，为铸造技术的发展做出了重大的贡献。
　　但是，直到第二次世界大战结束为止，铸造行业中并没有把‘上涂料’视为一项重要的工序，一般都由负责造型的工人自行处置，涂料的配制和应用随意性很大。
　　随着生产、技术的发展，对铸件质量的要求日益提高，不少铸造厂为增强其产品的竞争力，针对生产中的问题致力于涂料的研究。在各种化学粘结砂推广使用后，传统的涂料与新的造型材料和工艺不相适应，对新型涂料的要求就更为迫切。于是，在20世纪50年代各铸造厂自行研制专用涂料的基础上，进入了涂料研究和生产专业化的新阶段。
　　近年来，由于人们对可持续发展方针的认同，环保意识的增强，又对涂料的研究开发提出了许多新的课题，涂料也已成为铸造生产中的一项重要辅料。
, W( @6 Y5 @# E2 J: d; ?) x　　以下就有关铸造涂料的几个问题做一下探讨。
　　一、涂料的固体含量和强度
2 P, i* I$ W, ?　　现在，用于树脂粘结砂的涂料，都要求其固体含量高、强度高，这主要是出于两方面的考虑。
　　1.与砂型(芯子)的特性相适应
& ~) S9 v' R: [　　过去，粘土砂湿型不用涂料，只用于粘土砂干型。由于粘土砂干型的强度很低，而用以制造的铸件都是重要铸件或大型铸件，对涂料的要求不仅要形成隔离层，且要求涂料渗入铸型的表层以下，最好涉及3～4个砂粒，使铸型表面有所增强，如图1所示。为此，涂料的粘度不能太高，其中的固体含量也就不能太高。
　　由于粘土砂干型的强度不高，一方面希望涂料施涂后能适当增强铸型的表面层，但另一方面涂料层的强度必须与所依附的砂型匹配，不能太高，否则，在涂料干燥过程中发生体积变化时，其所依附的砂型不足以制约其变形，涂料层就会开裂，甚至剥落。
5 ?% P: g. v) m! t# u0 r: u8 C　　现在，各种树脂粘结砂的特点是：强度很高，而砂粒之间的粘结桥很细，对各种溶剂又非常敏感。
　　粘土干型砂中，粘结剂(粘土)的用量很高，粘土和型砂中的泥分在型砂中所占的体积分数在15%以上，砂粒之间的粘结桥相当粗，且粘土是亲水的，因此水基涂料渗入砂型只会增强砂粒之间的粘结，不会有负面的影响。而各种树脂粘结砂的强度比粘土干型砂高得多，树脂和硬化剂的用量却很少，总量一般不超过2%，粘结桥当然就很细，且水基涂料中的水或醇基涂料中的醇，都会使砂粒之间的树脂粘结桥的强度明显降低。因此，应该避免涂料过多地渗入砂型，这就要求采用固体含量及粘度高的涂料，其渗入深度以不超过一个砂粒为宜，如图2所示。
8 P+ ~7 R3 I) z& f! X' {) j0 @. z3 x8 l　　由于树脂粘结砂型的强度高，与此相应也要求涂料的粘结强度高，即使渗入砂型表面很浅，也能得到坚固的涂料层。
　　2.节能、环保，降低生产成本
　　涂料中所用的液态载体，主要是水和醇类。20世纪70～80年代，曾采用不需烘干或点燃、能自行挥发的氯代烃类(如二氯甲烷)作为涂料的载体。由于其具有毒性，挥发到大气中对环境的负面影响很大，且价格昂贵，现已基本上不用。
　　载体的作用是将耐火骨料和粘结剂运载到铸型表面，使之形成致密的涂料层。完成运载任务之后，需将其完全脱除。
- r8 I+ o  n: q9 r　　水基涂料涂覆后需烘干，固体含量高、水分低，干燥所需的能耗减少，CO2排放量也相应减少。
9 o  q" u) u  v4 |　　醇基涂料涂覆后需点燃，使之干燥，固体含量高，醇的耗用量减少，不仅生产成本降低，点燃时对环境的影响也随之减少。
　　二、控制涂料的流变性能
　　要使涂料的固体含量高，渗入砂型的深度浅，因此现在的涂料都是高粘度的胶态分散体。由于涂料粘度很高，就提出了如何便于施涂的问题。
　　对胶态分散体流变性能的研究，为解决这个问题提供了途径。在一定的条件下，可以使胶态分散体具有剪切稀释的特性，即在剪切作用下，分散体的粘度可大幅降低。
　　这就是说，尽管涂料的初始粘度很高，如果使其具有剪切稀释的特性，则在搅拌作用下或施涂过程中(刷、喷、抹等操作都对涂料有剪切作用)，涂料的粘度可以变得很低，易于施涂。而施涂后剪切作用停止，粘度又可恢复。
　　“流变学”是一门学科，即使把范围缩小到“涂料的流变性能”，笔者也没有能力进行较全面的评述。这里要谈到的，只是与剪切稀释作用有关的一小部分，且只能是概略的、示性的，不是严格的论述。
2 a; p, ^- v2 Z# T! T　　1.牛顿流体
! r9 A: D2 j! ]4 l. G8 o. M　　相邻两层流体之间有相对的滑移时，层间会产生剪切应力以抵抗这种相对的滑移。流体的剪切应力与相对滑移速率(剪切速率)之比，称为动力粘度，即我们通常所说的粘度。
  w; I$ `+ H. J) b　　普通的流体，服从牛顿的内摩擦定律，即：在温度不变的条件下，剪切应力与剪切速率之比tanα 是常数(即流体的粘度η )，见图3。这种流体通常称为牛顿流体，只要温度不变，无论剪切速率的高低、剪切时间的长短，粘度都是不变的。
; ^# }2 s+ C  U2 a( _　　不服从内摩擦定律的流体，通称为非牛顿流体。非牛顿流体的情况相当复杂，在温度不变的条件下(以下的讨论都以此为前提)：有粘度与剪切持续时间无关的，可称之为“非时间相关的非牛顿流体”;也有粘度随剪切持续时间的延长而改变的，可称之为“时间相关的非牛顿流体”。

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2.假塑性流体和醇基涂料
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2 S) t  L) |7 ~& f9 t　　假塑性流体是有剪切稀释特性的、非时间相关的非牛顿流体，其流变特性可以用剪切应力-剪切速率图来描述，见图4。下面只就无屈服值的情况加以说明。
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- G& Q' {; R! \: v4 k6 v　　施以外力，流体即开始流动。流变曲线是通过原点的、向下弯曲的曲线。剪切速率增大，剪切应力也增大，但其增量小于牛顿流体的增量。剪切速率增大，流变曲线上相应点的切线与水平轴线的夹角减小，流体的粘度降低，这就是所谓的“剪切稀释”特性。因而，假塑性流体有以下两个特点：

7 h  G; u2 t! s( j$ a9 F　　(1)一经搅拌，其粘度就降低。在匀速搅拌下，粘度是定值，不因搅拌时间的延长而改变。搅拌停止，粘度立即恢复。
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　　(2)流体所受的搅拌越强烈(即剪切速率高)，其粘度下降的幅度越大。

　　归纳起来，假塑性流体的粘度随剪切状况而改变的特点可用图5说明。
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　　有的假塑性流体有一定的屈服值，如图4中的曲线b 所示。在此情况下，曲线不通过原点，只在剪切应力达到某一数值τ0后，流体才开始流动。但是，流体受剪切作用时，粘度变化的特性是相同的。

8 Y1 ^5 K$ x- Q! `; B　　颗粒不带电荷的胶态分散体，欲使其具有剪切稀释特性，只能使其成为假塑性流体。笔者曾就美国、日本和比利时等国家制造的醇基涂料，以及自行研制的醇基涂料做过多次试验，除个别品种外，大都具有假塑性特征。

2 P3 Y0 O" D0 y1 \　　醇的极性很小，醇基涂料难以使颗粒带有电荷，因而大都具有假塑性流体的特征。其优点是：尽管涂料的固体含量很高，初始粘度大，但施涂过程中在外力作用下，粘度大幅下降，便于施涂。

' v# j/ ~1 _* C/ V$ m- v0 J　　醇基涂料的缺点：施涂时，涂料的运动一停止，粘度立即恢复，因此施涂后的刷痕、流痕等很难避免。

; k  z. B. k- i" {6 ^# p　　3.触变性流体和水基涂料
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　　触变性流体也有明显的剪切稀释特性，但与假塑性流体有重要的差别。不仅剪切速率增大，粘度降低，且在剪切速率不变的条件下，粘度还将随剪切作用时间的延长而逐渐降低，达到某一极限值后才趋于恒定。
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　　停止剪切以后，其粘度也不像假塑性流体那样立即恢复，而要经一段时间才能逐步恢复。因此，触变性流体的流变特性是与时间相关的，不能用剪切速率-剪切应力二元坐标描述，必须用剪切速率-剪切应力-作用时间三元坐标。
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, F& n$ C6 F( I- {　　触变性流体的粘度因剪切条件而改变的情形如图6所示。
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0 h' O: K  g! ]* O　　在水基涂料中，如加入具有离子交换能力的膨润土、适当的电解质和有机处理剂，且经过认真的混合，可使悬浮的颗粒都带有负电荷。这样，不仅颗粒因都带相同的电荷，互相排斥，不易聚结下沉，使涂料有很好的悬浮稳定性，而且还可以使涂料具有触变性特征。

6 n2 ^" v5 p4 E% O% X# I　　具有触变性特征的水基涂料，既有剪切稀释的特性，便于施涂，又因为施涂后粘度的恢复需经一定的时间，刷痕和流痕大部分可自行消失，从而具有很好的流平性。

　　4.涂料流变性能的检测

　　准确测定流体的流变性能是非常困难的。对于铸造涂料，可以用简单的方法检测，以粗略地了解其流变特性。

　　(1)检测涂料的剪切稀释特性 采用旋转粘度计，转子相同，以不同的转速(如6 r/min、12 r/min、30 r/min)测定同一涂料的粘度。
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　　如果在不同的转速下测得的粘度相同，就说明涂料无剪切稀释特性。
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6 z) s: C& G9 W; V& P- \　　如果转速高时测得的粘度低，转速低时测得的粘度高，就说明涂料具有剪切稀释特性。由转速最低时的粘度值与转速最高时的粘度值的比值，可以知道涂料剪切稀释特性的强弱。
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　　(2)检测涂料粘度变化的时间相关性 如果在匀速搅拌时，粘度随搅拌时间的延长而降低，一直到达一定的极限值，或经充分搅拌后，粘度随静置时间的延长而提高(见图6)，就可判定其具有时间相关性。
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; _! }) ~8 P' |0 ^; t* ]* p　　由于在匀速搅拌条件下用旋转粘度计测定涂料的粘度很难得到稳定的数据，因此测定图6曲线的左半部是不容易的。但将涂料充分搅拌后，经不同的静置时间测定其粘度，即测定图6的右半部，则是可行的。
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" j/ d, W6 B2 q* R' @* m9 b; W　　笔者在实验室所用的方法是：取足够数量的涂料置于高速搅拌机下搅拌10min后，将涂料分置于多个小烧杯内，然后每经一段时间取一杯涂料，用旋转粘度计测定其粘度，并将粘度随静置时间而改变的情形画出曲线，则很容易判断其流变性能是否具有时间相关性，以及触变性的强弱。图7就是对笔者研制的FFD-T01水基涂料所作的测定。