熔模鑄造水玻璃面層涂料的配制與管理

潘玉洪

1 引言

熔模鑄造面層涂料的質量，國內外熔模鑄造工作者做了大量的實驗研究，提出了一些新的控制方法；然而，現場又是如何控制的呢？

實際上生產車間操作工配置水玻璃型殼的面層涂料時有兩種方法：

一是按照工藝規(guī)定：在磅秤上事先稱量水玻璃和石英粉的重量，邊攪拌水玻璃邊加入石英粉，加入全部石英粉后再加入適量的添加劑并攪拌30分鐘，靜置1～2分鐘；用粘度計檢測其粘度。

二是操作工憑借經驗：操作工不稱量水玻璃和石英粉的重量，直接把水玻璃倒入涂料桶，邊攪拌水玻璃邊加入石英粉，認為差不多時，用粘度計檢測粘度；根據測量的粘度再適量添加水玻璃或石英粉，再加入適量的添加劑并攪拌30分鐘，靜置1～2分鐘；粘度在工藝范圍就可以了。

影響面層涂料質量的主要因素有哪些？上述配置涂料的方法是否合理？生產中如何配制面層涂料？生產中如何控制和管理涂料，穩(wěn)定涂料的質量？為此，筆者做了大量的驗證實驗。

2 影響涂料粘度的因素

2.1 水玻璃的粘度

水玻璃的粘度與其模數、比重和溫度有關，為此，做了如下的三組實驗。

實驗一

【實驗目的】

探討水玻璃模數與粘度的關系。

【實驗條件】

選用四種不同模數的水玻璃。

水玻璃的比重d=1.28；

T=14℃；

粘度計：V=100ml，φ=6mm。

【實驗過程和結果】

用粘度計分別檢測四種不同模數水玻璃的粘度，結果見表1和圖1。

【實驗分析】

在水玻璃的比重和溫度相同的情況下，水玻璃的粘度隨著模數的增加而提高。

實驗二

【實驗目的】

探討水玻璃比重與其粘度的關系。

【實驗條件】

選用六種不同比重的水玻璃；

水玻璃的模數M＝3.2；

T＝13℃；

粘度計：V＝100ml，φ＝6mm。

【實驗過程和結果】

用粘度計分別檢測六種不同比重水玻璃的粘度，結果見表2和圖2。

表2 水玻璃比重與其粘度的關系

圖2 水玻璃比重與其粘度的關系

【實驗分析】

在水玻璃的模數和溫度相同的情況下，水玻璃的粘度隨著比重的增加而提高。

實驗三

【實驗目的】

探討水玻璃溫度與其粘度的關系。

【實驗條件】

選用六種不同溫度的水玻璃；

水玻璃的模數M＝3.4；

水玻璃的比重d＝1.28；

粘度計：V＝100ml，φ＝6mm。

【實驗過程和結果】

用粘度計分別檢測六種不同溫度水玻璃的粘度，結果如表3和圖3。

表3 水玻璃溫度與粘度的關系

圖3 水玻璃溫度與粘度的關系

【實驗分析】

在水玻璃的模數和比重相同的情況下，水玻璃的粘度隨著溫度的提高而降低。

【實驗小結】

綜上所述，水玻璃的粘度與其模數、比重和溫度有關；并且隨著模數和比重的增加而提高，隨著溫度的升高而降低。

2.2 石英粉

涂料粘度與加入石英粉的粒度、粒度分布、粒形以及含水量等因素有關；為此，筆者做了如下三組實驗。

實驗一

【實驗目的】

探討石英粉粒度與涂料粘度的關系。

【實驗條件】

水玻璃模數M=3.2，d=1.28；

T=14℃；

配比為1：1.15；

使用200目、240目和270目三種篩；

粘度計。

【實驗過程與結果】

選用同一產地、不同批次的3種石英粉（270目），按照水玻璃：石英粉=1：1.15配置涂料，攪拌30分鐘后，靜置1～2分鐘，用粘度計檢測3種涂料的粘度，結果如表4。

表4 石英粉粒度與涂料粘度的關系

【實驗分析】

同樣是270目的石英粉，其粒度越細，粘度越高。

實驗二

【實驗目的】

探討石英粉的粒度分布對涂料粘度的影響。

【實驗條件】

選用不同產地、商品目數均為270目的7種石英粉；

水玻璃M=3.4；d=1.28；

配比為水玻璃：石英粉=1：1

T=22℃；

粘度計。

【實驗過程與結果】

選用上述7種石英粉，都用270目篩過后（條件所限，無法準確檢測其中具體的粒度分布）再按照上述配比，配置7種涂料，分別攪拌30分鐘后，靜置1～2分鐘，用粘度計檢測其粘度；結果見表5。

【實驗分析】

表5 石英粉的粒度分布與涂料粘度的關系

目前國內的生產條件還不能人為地控制石英粉的粒形和粒度分布，盡管商品目數相同，配置的涂料粘度仍然差別很大。生產中應事先驗證、再選用合適的石英粉。

實驗三

【實驗目的】

石英粉的含水量對涂料粘度的影響。

【實驗條件】

選用商品目數為270目、人為調配不同含水量的3種石英粉；

水玻璃M=3.4；d=1.28；

配比為水玻璃：石英粉=1：1

T=21℃；粘度計。

【實驗過程與結果】

選用不同含水量的3種石英粉，按照上述要求配置3種涂料，分別攪拌30分鐘后，靜置1～2分鐘，用粘度計檢測其粘度；結果見表6和圖4。

表6 石英粉的含水量與涂料粘度的關系

圖4 石英粉的含水量與涂料粘度的關系

【實驗分析】

從上述實驗中可以看出：石英粉的含水量≤1%時，對涂料粘度的影響很小；含水量＞1%時，影響很大。所以一般工藝規(guī)定石英粉的含水量≤1%。

國內有的企業(yè)為了改善生產工人的勞動條件，經過事先計算，將水加到石英粉中再配置涂料；然而也有個別的企業(yè)是隨意添加的，從而降低了型殼的質量和強度。

據資料介紹：在體積粘度相同時，球形粒子的有效流體體積較小，故粘度較小；片狀、棒狀及其它不規(guī)則形狀的粒子，有效流體體積增大，粘度增大。

2.3 配比

為了探討涂料配比對涂料粘度的影響，筆者做了如下的實驗。

【實驗條件】

選用水玻璃的M=3.4；4種不同比重的水玻璃；

T=14℃；

四種不同配比；

粘度計。

【實驗過程和結果】

用4種不同比重的水玻璃與8種不同配比，配置27組涂料。分別攪拌30分鐘后，用粘度計檢測其粘度，結果如表7和圖5。

【實驗分析】

表7 涂料配比對涂料粘度的影響

圖5 涂料配比與涂料粘度的關系

從圖5可以看出：

（1）隨著配比的增加，涂料粘度提高；當配比＞1.0后，涂料粘度呈指數增加；

（2）配比相同時，涂料粘度隨著水玻璃比重的增加而提高；當配比＞1.0后，涂料粘度提高特別顯著。

2.4 溫度

為了探討涂料溫度對涂料粘度的影響，做了如下的2組實驗。

實驗一

【實驗目的】

涂料溫度對涂料粘度的影響。

【實驗條件】

選用水玻璃的M=3.4；d=1.28；

270目的石英粉；

恒溫水浴，溫度計；

粘度計。

【實驗過程與結果】

用上述水玻璃與石英粉配置涂料。分別攪拌30分鐘后，靜置1～2分鐘，放在恒溫水浴中；用溫度計檢測涂料溫度與恒溫水浴的溫度一致時，再用粘度計檢測其粘度。

【實驗結果】

實驗結果見表8和圖6。

【實驗分析】

從上述實驗可以看出：涂料溫度對涂料粘度的影響很大，隨著涂料溫度的提高，涂料粘度很快降低。

實驗二

【實驗目的】

在涂料粘度一定的條件下，涂料溫度對涂料配比的影響。

表8 涂料溫度與涂料粘度的關系

圖6 涂料溫度與涂料粘度的關系

【實驗條件】

水玻璃M=3.4；d=1.28；

270目石英粉；

恒溫水浴，溫度計；

粘度計。

【實驗過程和結果】

在13℃時，按照水玻璃:石英粉=1∶1.0的配比，往水玻璃中邊攪拌、邊加入石英粉；攪拌30分鐘、靜置1～2分鐘，再檢測涂料粘度為55秒。

把裝有上述涂料的玻璃杯放在恒溫水浴（溫度調整為28℃）中，用攪拌器攪拌涂料。檢測到涂料溫度為28℃時，保溫5分鐘，再檢測涂料粘度為42秒；即隨著涂料溫度的提高，粘度降低。

又實驗：在13℃時，按照水玻璃:石英粉=1∶0.8的配比，往水玻璃中邊攪拌、邊加入石英粉；攪拌30分鐘、靜置1～2分鐘，再檢測涂料粘度為41秒。

【實驗分析】

通過上述實驗可知：如果生產中配置涂料僅僅依靠檢測涂料粘度，那么在涂料粘度相近（41～42秒）時，在28℃，其配比為1∶1.0；而溫度在13℃，其配比只有1∶0.8。

再實驗：

【實驗目的】實驗涂料粘度相近、配比不同，對型殼表面質量和鑄件表面質量的影響。

【試驗過程】

選用上述兩種涂料，即涂料粘度相近（41～42秒）時，在28℃，其配比為1∶1.0；而溫度在13℃，其配比只有1∶0.8；

把員工分為兩個組，全部手工制殼。一組員工利用生產線現有的涂料（13℃，配比為1∶1.0）制殼，一組員工利用保溫桶內的涂料（28℃，配比1∶0.8）制殼；均制出5組型殼，做好標識，分別存放；其余制殼過程完全相同。

每種澆注3組型殼。澆注后使用噴砂機專人、單獨噴砂、檢驗，結果見表9。

表9 檢驗結果

【試驗分析】

涂料配比為1∶1.0的型殼表面和鑄件表面質量都滿足要求；而涂料配比為1∶0.8的鑄件表面有很多的金屬刺（見圖7）；型殼表面殘留著很多的“蟻孔”（見圖8）和“蠕孔”（見圖9）。

圖7 金屬刺

2.5 攪拌涂料

涂料是由粘結劑和耐火材料組成的膠體——懸浮液。配置涂料時的攪拌可以加速兩者之間的潤濕，并排除粉料粒子間吸附的氣體等，使涂料趨于均勻；從而獲得比較穩(wěn)定的涂料配比/比重和粘度。

與攪拌因素有關的是：攪拌速度和攪拌時間。為此，筆者做了如下的實驗。

圖8 型殼內表面殘留的“蟻孔”

圖9 型殼內表面殘留的“蠕孔”

實驗一

【實驗目的】

探討配置涂料時，攪拌速度對涂料粘度的影響。

【實驗條件】

水玻璃M=3.2；d=1.30；270目石英粉；

配比為水玻璃:石英粉=1:1.20；

生產使用的攪拌機；

粘度計。

【實驗過程和結果】

在8℃時，按照水玻璃:石英粉=1:1.20的配比，往水玻璃中邊攪拌、邊加入石英粉；采用兩種攪拌速度，攪拌30分鐘、靜置1～2分鐘，再檢測，涂料粘度見表10。

【實驗分析】

表10 攪拌速度與涂料粘度的關系

在其它條件不變的情況下，攪拌速度對涂料粘度有影響；涂料粘度隨著攪拌速度的提高而降低。

實驗二

【實驗目的】

探討不同配比的涂料，攪拌時間對涂料粘度的影響。

【實驗條件】

水玻璃M=3.2；d=1.30；

270目石英粉；

涂料配比為水玻璃：石英粉分別為1:1.0；1:1.10；1:1.15和1:1.20。

生產使用的攪拌機；

粘度計。

【實驗過程和結果】

在8℃時，按照水玻璃與石英粉的4種配比，往水玻璃中邊攪拌、邊加入石英粉；攪拌30分鐘，靜置1～2分鐘，再檢測，涂料粘度見表11和圖10。

表11 涂料的攪拌時間與涂料粘度的關系

圖10 涂料的攪拌時間與涂料粘度的關系

【實驗分析】

在其它條件不變的情況下，攪拌時間對涂料粘度有影響；并且，涂料粘度隨著攪拌時間的延長而降低。2～3小時后，涂料粘度趨于穩(wěn)定。

2.6 添加物

為了降低粘結劑和粉料的界面張力，使粉料更好的潤濕和分散，降低硅酸溶膠的自發(fā)凝聚能力，使涂料粘度較為穩(wěn)定，以及改善涂料的涂掛性和再分散性而往涂料中加入適量的添加物：農乳、洗滌劑（也有加入JFC）。

筆者做了如下實驗：

【實驗條件】

水玻璃M=3.2；d=1.30；

270目石英粉；

配比為水玻璃：石英粉分別為1:1.0；1:1.10；1:1.15和1:1.20；

農乳；洗滌劑；

生產使用的攪拌機；

溫度計；粘度計。

【實驗過程和結果】

在不同的溫度下，按照水玻璃與石英粉的4種配比，往水玻璃（M=3.2；d=1.30）中邊攪拌、邊加入石英粉（270目）；同時加入農乳0.05%和洗滌劑0.25%，攪拌30分鐘、稍微靜置1～2分鐘，再檢測，涂料粘度見表12。

表12 添加物對于涂料粘度的影響

【實驗分析】

涂料中加入農乳0.05%和洗滌劑0.25%后，對涂料粘度的影響較大；當涂料配比≥1.0后，其粘度下降9～10秒。

2.7 存放時間

【實驗目的】

探討配置涂料后，存放時間對涂料粘度的影響。

【實驗條件】

水玻璃M=3.2；d=1.30；T=18℃；

270目石英粉；

配比為水玻璃：石英粉=1:1.0；

生產使用的攪拌機；

粘度計。

【實驗過程和結果】

在18℃時，按照水玻璃:石英粉=1:1.0的配比，往水玻璃中邊攪拌、邊加入石英粉；攪拌30分鐘、靜置1～2分鐘，檢測涂料粘度；再分別靜置20小時、50小時和80小時，檢測涂料粘度，見表13和圖11。

表13 涂料存放時間與涂料粘度的關系

圖11 涂料存放時間與涂料粘度的關系

【實驗分析】

在其它條件不變的情況下，涂料存放時間對涂料粘度有影響；并且，涂料粘度隨著存放時間的延長而升高。

據資料介紹：配置涂料后存放8～12小時其性能較佳，也稱涂料的回性時間；存放7天后性能下降，型殼試樣的常溫強度比新鮮涂料降低約1/3。

2.8 其它因素

涂料粘度還與其水分蒸發(fā)、受環(huán)境污染程度等因素有關。

綜上所述：由于涂料為一種不均勻、不穩(wěn)定的多成份體系，在生產中只控制涂料粘度是不恰當的；應該在確定涂料合理配比和合適使用溫度的條件下，再確定涂料的粘度范圍。

3 檢測面層涂料質量的方法

3.1 制定標準

3.1.1 配比/比重

涂料配比與涂料比重有著比較穩(wěn)定的關系。因此，在生產中用檢測涂料比重的方法來評價涂料的配比。涂料比重直接影響到型殼的面層質量、強度和透氣性；因此，檢測涂料比重就作為控制涂料配比和涂料質量的重要基礎數據。

（1）比重：當水玻璃M=3.0～3.4，d=1.26～1.30，石英粉為270目時，水玻璃:石英粉=1:1.0時，其涂料比重在1.74～1.78g/cm3的范圍內為宜。

（2）溫度

溫度對涂料粘度影響很大，一般控制在20～35℃為宜。

3.1.2 粘度

在原材料穩(wěn)定、涂料使用溫度和攪拌條件一定的條件下，粘度能體現配比；當配比＞1.0時，涂料配比對涂料粘度的影響非常大。

粘度影響到涂料的涂掛性和流動性，因此粘度應控制在一定的范圍內。比較合理的做法是：在確定涂料的配比和使用溫度的前提下，涂料的粘度一般以20～45秒為宜。

3.2 檢測方法與過程

3.2.1 檢測器具

天平（稱重能力為1kg，精確到1g）；

三角燒杯（容積≥250ml，容積越小計算涂料的誤差越大；容積太大，實驗時不方便；以容積為250～350ml為宜）；

量筒（容積1000ml）；

粘度計（V=100ml，φ6mm）；

塑料杯或玻璃杯若干；

秒表；

溫度計等。

3.2.2 檢測過程

（1）確定三角燒杯的標準容積V

先稱量三角燒杯沒有裝涂料時的重量P1，再往空杯中加入水（蒸餾水），使燒杯中的水平面剛好與杯沿齊平，再稱重（往燒杯中反復添加3次，取其3次重量的平均值）P2，則燒杯的標準容積V

取蒸餾水的比重為1g/cm3

（2）確定燒杯中涂料的重量P

當涂料攪拌均勻后，靜置1～2分鐘；立即用塑料杯或玻璃杯把涂料倒入三角燒杯中，使燒杯里的涂料與杯沿齊平，放在天平上稱量總重或涂料重量（往燒杯中反復添加涂料3次，取其稱重后的平均值）。涂料重量P=總重Q-燒杯重量P1，即

（3）涂料比重d

（4）用粘度計和溫度計分別測出涂料的粘度和溫度，并做好數據的記錄。

3.2.3 舉例

為了便于生產中使用，筆者進行實驗，結果見表14，并由此繪制了一條曲線（見圖12），只要稱量出涂料重或總重（涂料+燒杯的重量），由表14和圖12就可以直接查出被檢測的涂料比重（實驗用的三角燒杯重P1=70g，至杯沿的標準容積V=305ml）。

4 涂料的配制與管理

4.1 涂料的配制

4.1.1 事先稱量法

將事先稱量好的石英粉緩慢地加入到不斷攪拌的水玻璃（事先稱量）中，加完粉料后繼續(xù)攪拌30分鐘；此時的涂料比重會稍大點，再按工藝規(guī)定補加農乳或JFC，達到預先規(guī)定的標準容積后再攪拌一定的時間（視涂料的多少而定），靜置1～2分鐘，檢測涂料的比重、粘度和溫度。

表14 涂料比重與涂料重量的關系

圖12 涂料比重與涂料重量的關系

4.1.2 習慣操作法

據《習慣的力量》一書介紹，人們每天高達90%的行為是出自習慣的支配?；蛘哒f，人們每天做的事情幾乎都是習慣支配的?？上攵淖兞晳T是何等之難。

在配置涂料時，有那么多人已經形成了習慣。是否可以在這些習慣的基礎上找到一條辦法，既符合面層涂料的質量要求，又可延用現有的習慣做法呢？

4.2 涂料的調整

筆者先在“實驗室”里按照自己的思路繼續(xù)實驗。

配置涂料時不稱量水玻璃和石英粉的重量，而是邊攪拌水玻璃邊加入石英粉。這種方法，可能使涂料的配比忽高忽低，則用下述方法予以調整：

（1）用水玻璃降低涂料的比重，加入量為P水，把配置的涂料放在天平上稱量總重或涂料重量（Q-P1），則涂料的比重為

將溫度計插入裝滿涂料的燒杯中測量涂料的溫度，記錄數據。

要求調整后的涂料重量d0（V+P水/d水），等于調整前涂料的重量d1V加上補加的水玻璃重量P水，即

式中d0——調整后的涂料比重

V——涂料的容積

P水——水玻璃加入量，kg

d水——水玻璃比重，g/cm3

d1——調整前的涂料比重

（2）用石英粉提高涂料的比重，同理

式中P石——石英粉加入量，kg；

d石——石英粉的比重，取2.62g/cm3，其余用公式（5）。

4.3 舉例

從公式（5）、（6）中可以看出：當預先確定V、d0、d水、d石后，只要測出d1就能計算出P。

某廠使用的水玻璃比重為1.26～1.28，計算時取d水=1.27。涂料預先規(guī)定的容積V=105升，d0=1.76g/cm3，為了便于生產，通過表15和表16分別繪制了兩條曲線，只要測出d1就能從圖13中找出補加水玻璃的重量P水，使涂料比重下降到規(guī)定的范圍。同理，從圖14中找出補加石英粉的重量P石，使涂料比重提高到規(guī)定的范圍。

例如：實測d1=1.84，則從圖13中可以查出：需補加28 kg的水玻璃能使涂料的比重下降到d0=1.76。

表15 實際比重與補加水玻璃重量的關系

圖13 實際比重與補加水玻璃重量的關系

表16 實際比重與補加石英粉重量的關系

圖14 實際比重與補加石英粉重量的關系

如果實測d1＝1.67，則從圖14中可以查出：需補加28 kg的石英粉能使涂料的比重上升到d0＝1.76。

這樣就使配料和調整工作大大簡化，有利于生產的實際操作。

4.4 使用與管理

（1）涂料是一種不均勻、不穩(wěn)定的多成份體系，影響涂料粘度的因素很多，生產中只控制涂料粘度是不恰當的，無法保證涂料、型殼以及鑄件的質量。

（2）生產中應該在確定涂料合理配比和合適使用溫度的條件下，再確定涂料的粘度范圍；為此,應該使用涂料桶保溫，以保證涂料的質量。

（3）每天工作之前，應檢測涂料比重。在工藝規(guī)定的范圍內，并酌情適當地調整，以獲得優(yōu)質的涂料質量。

（4）為了保證涂料的分散性、懸浮性，生產中應采用二次攪拌，即：配料時使用高速攪拌，使用時采用低速攪拌。

（5）涂料在使用過程中，不宜一次配置過多，應該邊使用邊補加。如果涂料的粘度上升，是因水玻璃結膜，則撈出水玻璃結膜補加適量的水玻璃，是因水分蒸發(fā)，則補加適量的水。

（6）實際比重與補加石英粉或水玻璃重量的關系曲線，使配料和調整工作簡化，有利于生產中的實際操作。

5 結論

（1）面層涂料是一種不均勻、不穩(wěn)定的多成份體系，面層涂料的質量直接影響型殼的面層質量、透氣性，以及鑄件的表面質量。

（2）對影響面層涂料質量的諸因素，如水玻璃、石英粉、配比、溫度、攪拌、添加物，以及存放時間等進行了多次反復實驗，認為影響面層涂料質量的三項關鍵因素：配比、溫度和粘度，三者之間有著密切的關系。

（3）提出了在生產中如何配制面層涂料、檢測涂料質量，以及有效的管理途徑。

（4）建議使用《涂料卡片》，記錄有關的工藝參數，為以后完善工藝提供可靠的依據。

（5）本文對加固層涂料同樣有著現實的指導意義。

[1]第三屆國際熔模精密鑄造會議文集翻譯小組.第三屆國際熔模精密鑄造會議文集[M].北京：國防工業(yè)出版社，1978.

[2]李慶春等.熔模精密鑄造涂料控制[J].北京：國外航空技術（材料、熱處理類），1981（3）.

[3]全國鑄造學會特種鑄造及有色合金學組.第一屆年會熔模鑄造論文集[J].1981.