鑄造涂料在船用鑄件上的應(yīng)用

王連杰

鑄造涂料是涂刷在鑄型表面的一層耐火涂層，從而改善鑄型表面的耐火度、化學(xué)穩(wěn)定性，以及抗沖刷、粘砂的特性。根據(jù)鑄件的要求不同，涂刷厚度也有所區(qū)別。

鑄件生產(chǎn)過程中，砂型芯的工作表面質(zhì)量直接影響到鑄件的外觀質(zhì)量，而澆注過程中砂型工作表面的強(qiáng)度對(duì)鑄件表面質(zhì)量的影響更突出。

造型過程中保證砂型工作表面質(zhì)量的基本措施有：一是面砂使用特種砂，保證造型、制芯過程中型砂的緊實(shí)度，以及采用合理的固化方式；二是根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)的不同在砂型表面合理地選用涂料，并且保證涂料的涂刷效果。

通過樹脂砂生產(chǎn)過程中大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，合理地涂刷耐火涂料可以保證鑄件質(zhì)量，在一定程度上可以縮短后續(xù)鑄件清理落砂工期，降低材料消耗成本。

1.涂料的分類及作用

根據(jù)不同鑄造合金可分為鑄鋼、鑄鐵、鑄銅、鑄鋁及鑄鎂等用涂料；根據(jù)耐火材料不同可以分成石墨粉、石英粉、鎂砂粉及鋯砂粉等涂料；根據(jù)不同載液可分為水基涂料、有機(jī)溶劑快干涂料、水基自干涂料、有機(jī)溶劑自干涂料等。

涂料的作用：在型芯表面制造一層保護(hù)氣氛，有利于減少鑄件機(jī)械粘砂和化學(xué)粘砂；降低金屬液對(duì)砂型的熱輻射，保證型芯質(zhì)量；防止砂型中有機(jī)添加物的分解導(dǎo)致N、P、S等有害元素對(duì)鑄件不良影響；提高后續(xù)清理落砂效率。

2.涂料防止粘砂的機(jī)理

涂料防粘砂的主要機(jī)理是：涂料中耐火粉料要比型砂顆粒細(xì)的多，涂料涂覆后，封閉鑄型表面孔隙，阻擋金屬液滲透鑄型表面內(nèi)層，減少液態(tài)金屬滲入鑄型間隙的深度，防止機(jī)械粘砂；通常情況下涂料中加入的附加物在高溫情況下析出足夠的還原性氣氛，提高粘砂層與鑄件之間的剝離性，減少化學(xué)粘砂。

在涂料中添加適宜的耐火粉或助熔劑，使耐材在金屬液的熱作用下燒結(jié)成玻璃體并在冷卻時(shí)能夠剝離下來，或添加能形成強(qiáng)氧化性的材料在鑄型表面創(chuàng)造強(qiáng)氧化性氣氛，在鑄件表面獲得強(qiáng)氧化性易剝離燒結(jié)層，從而防止化學(xué)粘砂。

3.生產(chǎn)船用鑄件時(shí)的實(shí)際生產(chǎn)過程

我公司為某船舶企業(yè)生產(chǎn)的鑄件輪廓尺寸為1650mm×2210mm×1962mm；工藝重量36t，鋼液量58.7t，最大橫斷面1773mm×1650mm。采用呋喃樹脂砂組芯造型，可以確保鑄件整體外觀的尺寸要求以及船檢過程中的認(rèn)證要求。

在初次制作過程中使用國內(nèi)某單位的醇基鋯砂粉涂料，因其鋯砂粉含量及附加物的性能導(dǎo)致鑄件大面積粘砂，特別是軸孔位置粘砂嚴(yán)重，粘砂部位清理時(shí)因局部過熱造成軸孔位置產(chǎn)生裂紋。經(jīng)過研究分析認(rèn)為，該鑄件粘砂主要原因?yàn)殍T件截面較大，冷卻凝固過程中大量的熱量傳遞時(shí)，因型砂表面耐火度較低導(dǎo)致型砂過熱燒結(jié)粘砂。鋼液充滿型腔后，隨著鋼液液面的升高，砂型表面受到的壓力增大，部分鋼液滲入砂型的孔隙中被氧化，形成化學(xué)粘砂。而刷涂的涂料不能加固砂型表面，砂型表面刷覆涂料后，涂料不能很好地滲透鑄型表面充填砂粒之間的孔隙，且涂料本身強(qiáng)度較低，不能改善砂粒表面的粘結(jié)力和涂層的致密度，對(duì)鑄型的表面強(qiáng)度沒有明顯改善。

通過對(duì)原因的確認(rèn)，在保證原有鑄造工藝的前提下，我們用石灰石砂代替樹脂砂對(duì)內(nèi)腔軸孔芯的制作進(jìn)行了改良。由于石灰石砂潰散性好，落砂清理容易，并且能保證鑄件表面質(zhì)量，同時(shí)改用福士科涂料代替以前使用的涂料。

通過對(duì)類似產(chǎn)品試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，因石灰石砂粒度較粗，表面孔隙較大，而該涂料能向鑄型內(nèi)部充分滲透，形成高滲透性、高耐火度的涂層，避免了鑄件粘砂，且高溫下涂層與鑄型不剝離。若澆注時(shí)涂層從砂型上剝離，會(huì)導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生夾雜涂料的缺陷，特別是涂層厚或施涂多層涂料時(shí)此缺陷更容易產(chǎn)生。使用福士科涂料改善了鑄件因石灰石砂導(dǎo)致的表面粗糙度差的缺陷，耐火填料顆粒很細(xì)，可充分侵入到砂型的孔隙中，涂層表面光滑。

（1）造型過程 通過對(duì)其他類似產(chǎn)品的多次試驗(yàn)，采用福士科ISOMOL300型醇基涂料對(duì)鑄件進(jìn)行生產(chǎn)，操作時(shí)對(duì)砂芯的表面質(zhì)量嚴(yán)格控制，涂刷涂料的過程中采取三層2.0mm的操作要求統(tǒng)一進(jìn)行涂刷。

涂刷過程中，第一層將涂料進(jìn)行稀釋，保證第一次涂刷時(shí)多數(shù)的骨料會(huì)同載體一起滲透到砂型的縫隙里面，利用涂料的特性增加砂型的強(qiáng)度及耐火度，點(diǎn)燃后將表面燒損的涂料及滴痕、刷痕進(jìn)行打磨；第二層將涂料的黏度增加，以確保涂層的厚度，因?yàn)橥克涌梢云鸬侥突鹱饔?，這是鑄件產(chǎn)生粘砂與否的關(guān)鍵序；第三次涂刷時(shí)將涂料黏稠度調(diào)整到介于第一、第二層之間，此次涂刷的主要目的是對(duì)整體涂層進(jìn)行調(diào)整，使砂型表面的光滑平整，以保證鑄件的外觀質(zhì)量。

刷涂過程控制要點(diǎn)：首先將涂料桶中的涂料在攪拌機(jī)中攪拌均勻，然后按規(guī)定比例加酒精稀釋。再次攪拌均勻，待涂料靜止后，用波美計(jì)檢測涂料的波美度至適宜值。使用過程中每隔2h必須攪拌10min。刷涂時(shí)波美度控制在75～85，密度在1.81～1.85kg/L即可。將攪拌好的涂料倒入專用容積中，便于攜帶。

根據(jù)鑄件表面的大小或形狀選擇不同的刷子，涂刷時(shí)要選擇正確的涂刷順序，杜絕出現(xiàn)堆積和刷不勻現(xiàn)象，對(duì)于死角或容易堆積的臍子、筋板等地方，應(yīng)多刷幾次，確保砂芯表面光滑平整、棱角清晰、尺寸形狀正確。杜絕出現(xiàn)刷痕、流淌痕。涂層厚度要保證0.5～1mm，易粘砂部位至少應(yīng)涂刷三遍涂料。

刷涂完成的砂芯經(jīng)過組裝合箱后，對(duì)整體型腔進(jìn)行烘烤，因鑄型在合箱過程中難免有部分涂層會(huì)吸潮而影響涂料的性能，所以必須在砂型澆注前24h采用電熱烘干裝置對(duì)型腔進(jìn)行烘烤。第一階段150～170℃烘干8h，以確保型腔中的水分隨熱量遷移到型外，同時(shí)也避免溫度過高導(dǎo)致涂料層因急速受熱導(dǎo)致局部涂料從砂型剝離。第二階段180～200℃烘干12h，提高烘干溫度的原因是將鑄型表面深層的水分進(jìn)行烘干，由于型腔具備一定的溫度，避免了急劇受熱剝離現(xiàn)象。第三階段100～130℃烘干4h，此階段的主要目的是為了確保澆注前型腔不至于急速冷卻影響涂層的溫降，保證了型腔的溫度，同時(shí)也保證了涂層不會(huì)因急速冷卻吸收空氣中的水分。

圖1 砂型局部

在保證其他所有工藝技術(shù)參數(shù)相同的前提下進(jìn)行澆注。圖1～圖3為造型過程中鑄件局部型腔及型腔表面的涂刷層。

圖2 型腔局部表面涂層

（2）清理落砂 在鑄件打箱后進(jìn)行清理，觀察鑄件的外觀發(fā)現(xiàn)與以往的產(chǎn)品相比，該鑄件的表面質(zhì)量有很大的改善，以往鑄件落砂后表面需要進(jìn)行碳弧氣刨對(duì)表面粘砂進(jìn)行清理，嚴(yán)重時(shí)還需要使用氧乙炔焰焙燒，但嚴(yán)重焙燒會(huì)導(dǎo)致鑄件局部缺肉。

圖3 型腔表面涂層

通過改進(jìn)措施后，該鑄件表面較好，在清理過程中節(jié)省了生產(chǎn)時(shí)間，降低了清理材料的消耗。圖4是從各個(gè)角度觀察鑄件落砂后的外觀表面。

圖4 鑄件初步清理后外觀

（3）清理打磨 因鑄件外觀表面要求較高，需對(duì)鑄件進(jìn)行整體打磨，從圖5中可以看到初步打磨的情況，因樹脂砂造型鑄件表面的精度較高，再加上對(duì)涂料的使用進(jìn)行了控制，該鑄件的表面質(zhì)量得到很大提高，打磨量較之前相對(duì)減少，節(jié)省了1/3的工期，降低了一半的人工成本。

圖5 鑄件初步打磨

4.結(jié)語

根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，正確合理地使用涂料能將鑄件的總成本大幅度降低。根據(jù)我公司鑄造分廠數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于大型鑄鋼件砂型鑄造生產(chǎn)上鑄件時(shí)，使用涂料前鑄件消耗材料總成本1800～1900元/t，鑄件清理一般為150～170元/t，使用涂料后清理成本為110～130元/t。采用涂料能降低鑄件生產(chǎn)成本30～40元/t，同時(shí)降低了鑄件的廢品率。涂料的合理使用提高了鑄件的表面質(zhì)量，降低了清理落砂的工期，保證了交貨期和客戶滿意度。