鑄造用砂芯粘結(jié)劑粘度研究及應(yīng)用

馮月雪，李 娜，季 托，姜愛龍，陳海東

（1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力(濰坊)鑄鍛有限公司，山東濰坊 261061）

0 前言

在鑄造組芯過程中，為避免浸涂涂料和澆注過程中出現(xiàn)砂芯掉落、漂芯等問題，砂芯和砂芯的結(jié)合面間，需要用粘結(jié)劑進(jìn)行粘結(jié)。目前常用的粘結(jié)劑根據(jù)材料特性和使用方式可分為兩種：一種粘結(jié)劑需要進(jìn)行預(yù)加熱，使粘結(jié)劑熔融到一定溫度變?yōu)榱鲃?dòng)的粘性液體，涂覆到砂芯表面后溫度下降即產(chǎn)生粘結(jié)強(qiáng)度，即我們通常所說的熱熔膠，此過程需要通過熱熔膠機(jī)設(shè)備進(jìn)行操作；另外一種粘結(jié)劑是在常溫進(jìn)行涂抹，通過放置一段時(shí)間或加熱烘干產(chǎn)生粘結(jié)強(qiáng)度，此種粘結(jié)劑的涂覆方式，傳統(tǒng)上是采用人工涂覆，隨著工業(yè)化的發(fā)展，人們對自動(dòng)化的需求越來越高，也逐漸出現(xiàn)了自動(dòng)打膠設(shè)備[1]。

自動(dòng)打膠設(shè)備的出現(xiàn)，使現(xiàn)場組芯的自動(dòng)化程度更高，更加便捷，極大的提高工作效率，而且，自動(dòng)打膠設(shè)備可以更加精確的控制粘結(jié)劑的流量，使粘結(jié)劑的涂覆更加均勻。但與此同時(shí)，對粘結(jié)劑材料也提出了更高要求：采用人工打膠的方式時(shí)，相對比較靈活，工人可以根據(jù)對粘結(jié)劑的手感，判斷粘結(jié)劑的情況，隨時(shí)調(diào)節(jié)打膠的力度，工藝人員對粘結(jié)劑材料的關(guān)注度，也僅僅主要集中在粘結(jié)劑在砂芯間是否能夠建立足夠的粘結(jié)強(qiáng)度；而自動(dòng)打膠設(shè)備，無法像人工一樣自動(dòng)判斷粘結(jié)劑狀態(tài)，在設(shè)定了壓力或流量的情況下，只會(huì)按照固定的程序進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，粘結(jié)劑材料波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)劑流淌過快形成堆積，或過慢膠量較少形成不了強(qiáng)度，甚至堵塞打膠設(shè)備的噴嘴。因此除了粘結(jié)強(qiáng)度外，還要關(guān)注粘結(jié)劑流淌穩(wěn)定性這一使用過程參數(shù)。

對于鑄造砂芯粘結(jié)劑材料，目前行業(yè)內(nèi)還沒有形成一致的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)查閱相關(guān)資料，考慮可以通過粘度來表征粘結(jié)劑流淌的穩(wěn)定性。

粘度測量常用方法有毛細(xì)管法、落球法、旋轉(zhuǎn)法、振動(dòng)法等[2]。其中，旋轉(zhuǎn)粘度法，因設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、方便使用，是目前各種流體粘度測量中應(yīng)用比較廣泛的一種方法。旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的正確應(yīng)用，有許多需要關(guān)注的注意事項(xiàng)，如被測液體溫度、被測液體容器選擇、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速選擇、轉(zhuǎn)子進(jìn)入液體深度等[3]。為了使鑄造用砂芯粘結(jié)劑材料更好的穩(wěn)定應(yīng)用，我們開展相關(guān)試驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注以上因素等對砂芯粘結(jié)劑粘度測試結(jié)果的影響，為粘結(jié)劑采用機(jī)器人自動(dòng)涂覆的穩(wěn)定應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

采用Fungilab 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，對砂芯粘接劑材料的粘度進(jìn)行測試，試驗(yàn)內(nèi)容如下：

（1）轉(zhuǎn)子選擇；

（2）操作方式對粘度的影響分析；

（3）轉(zhuǎn)速對粘度測試結(jié)果的影響分析；

（4）溫度對粘度測試結(jié)果的影響分析；

（5）粘結(jié)劑放置時(shí)間對粘度的影響分析。

1.1 轉(zhuǎn)子選擇

對于轉(zhuǎn)子的選擇，首先考慮的是測量量程，一般粘度計(jì)設(shè)備廠家均會(huì)提供轉(zhuǎn)子和量程的對應(yīng)表，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇即可，在此不做過多試驗(yàn)和探索。除考慮量程外，另外需要關(guān)注的是所測量流體的狀態(tài)。

如圖1a 所示圓盤形轉(zhuǎn)子，其測試砂芯粘結(jié)劑后的狀態(tài)如圖1b 所示，砂芯粘結(jié)劑未能完全覆蓋住粘度計(jì)轉(zhuǎn)子，主要是由于轉(zhuǎn)子進(jìn)入砂芯粘結(jié)劑時(shí)，在圓盤底部形成了較大的空腔，而由于砂芯粘結(jié)劑的流動(dòng)性較差，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，空腔很難復(fù)原，最終影響粘度測量的準(zhǔn)確性。因此在測量砂芯粘結(jié)劑時(shí)，應(yīng)盡量避免選用圓盤形的轉(zhuǎn)子，而選用如圖1c 所示轉(zhuǎn)子，此時(shí)粘結(jié)劑材料在轉(zhuǎn)子上的附著狀態(tài)較好（如圖1d 所示），對粘度的測試也會(huì)相對穩(wěn)定。

圖1 轉(zhuǎn)子形狀及材料附著狀態(tài)

1.2 操作方式對粘度的影響

在測量性能時(shí)，為確保測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，通常我們會(huì)對同一樣品進(jìn)行重復(fù)性測量，或多測試幾組數(shù)據(jù)取平均值。此時(shí)，樣品的處理方法對測試結(jié)果會(huì)有較大的影響，如表1 所示，有以下兩種對樣品的處理方式。

表1 試驗(yàn)方法

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，對于方法一的樣品處理方式，幾次測試的粘度趨勢比較混亂，有增高的趨勢，也有降低的趨勢，表現(xiàn)不一，而且數(shù)值差異較大，如圖2a 所示；而方法二的樣品處理方式，幾次測試的粘度變化規(guī)律比較一致，如圖2b 所示。分析原因，應(yīng)該是由于連續(xù)試驗(yàn)后，粘結(jié)劑的表層因裸露于空氣中而逐漸固化起皮，且轉(zhuǎn)子上粘附的樣品也逐漸固化，影響了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而影響了樣品的粘度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，如圖3 所示。

圖2 不同樣品處理方式的粘度變化

圖3 粘結(jié)劑表面起皮

因此，為保證樣品數(shù)據(jù)的一致性，后面試驗(yàn)均以方法二的方式開展，即每次實(shí)驗(yàn)前攪拌樣品、清洗轉(zhuǎn)子，以保證轉(zhuǎn)子的清潔以及樣品表面不產(chǎn)生固化起皮。

從圖2b 還看出，隨著時(shí)間的延長粘度呈不斷降低的趨勢。再延長時(shí)間至8min，粘度仍然持續(xù)降低，如圖4 所示。因此，在規(guī)定粘度要求時(shí)，需約定試驗(yàn)截止時(shí)間，本文后續(xù)測試以300s 結(jié)束時(shí)間時(shí)的粘度作為粘度最終值。

圖4 粘度隨時(shí)間變化

粘度測量時(shí)，有很多的因素會(huì)影響到粘度測試結(jié)果，如轉(zhuǎn)子進(jìn)入樣品的位置、樣品攪拌均勻性、樣品中是否存在氣泡等，均影響樣品粘度值的大小。此時(shí)需要注意：粘結(jié)劑樣品擠出置于燒杯中后，尤其是樣品比較粘稠時(shí)，需要用攪拌棒進(jìn)行攪拌均勻，避免樣品不平以及空腔的存在影響檢測準(zhǔn)確性；另外，粘結(jié)劑上平面需與轉(zhuǎn)子的刻度平齊，過高或過低，都會(huì)使測試的粘度值發(fā)生偏差，因此，除了樣品要盡量平整，還需要操作人員仔細(xì)觀察，使樣品盡量和刻度對齊。

為驗(yàn)證測試數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍，采用同一樣品、同一參數(shù)，嚴(yán)格按照以上試驗(yàn)方法，進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)：溫度20℃，轉(zhuǎn)速50r/min，以300s 結(jié)束時(shí)的粘度數(shù)據(jù)作為最終粘度值。共進(jìn)行10 次測試，測試結(jié)果如表2 所示。

表2 粘度測試結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)，測量的極差為940mPa·s。根據(jù)設(shè)備轉(zhuǎn)子（R7）和轉(zhuǎn)速（50r/min）選擇，設(shè)備在此設(shè)定下的量程80000mPa·s，設(shè)備的精度±1%，即±800mPa·s，測量的數(shù)據(jù)在可接受范圍內(nèi)。

1.3 轉(zhuǎn)速對粘度的影響

設(shè)定不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行粘度測試，轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/min）分別為12，20，30，50，80，如圖所示，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大，測試的粘度呈現(xiàn)降低趨勢，且由70000mPa·s 之余到10000mPa·s 之余，相差較大。

1.4 溫度對粘度的影響

圖5 粘度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化

為研究溫度對砂芯粘結(jié)劑粘度的影響，特在不同溫度條件下進(jìn)行粘度測試，測定轉(zhuǎn)速50r/min。為保證樣品溫度均勻，先將樣品放置在水域槽中進(jìn)行預(yù)熱。如圖6 所示，隨著溫度的升高，旋轉(zhuǎn)粘度呈降低趨勢。由此數(shù)據(jù)，除了檢測時(shí)約定相同的溫度外，同時(shí)也提醒材料的生產(chǎn)商，要考慮溫度對粘度的影響，如針對冬季和夏季溫度不同，設(shè)計(jì)不同粘度配方的產(chǎn)品，以滿足客戶的實(shí)際使用需求。

圖6 溫度對粘度影響

1.5 樣品放置時(shí)間對粘度的影響分析

在砂芯粘結(jié)劑的使用過程中，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)出來的粘結(jié)劑狀態(tài)一致，但到用戶使用時(shí)，表現(xiàn)出的粘稠程度并不一樣，手工打膠時(shí)，影響還并不很大，采用機(jī)器人涂覆時(shí)，則有時(shí)會(huì)出現(xiàn)流淌，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)膠線過細(xì)甚至堵塞噴頭的極端情況。對此情況，我們進(jìn)行了分析，并開展了粘度測試：取同批次粘結(jié)劑，測試初始粘度后，分別放置8 天、16 天、24天、32 天、40 天后，再次測試粘結(jié)劑的粘度。

結(jié)果顯示，隨著粘結(jié)劑放置時(shí)間的延長，粘度逐漸增大。也正是因此，同批次的粘結(jié)劑，應(yīng)用時(shí)反而呈現(xiàn)出了不同狀態(tài)。也就是說，在使用時(shí)，我們要關(guān)注初始粘結(jié)劑狀態(tài)，還要注意到粘結(jié)的放置時(shí)間，使粘結(jié)劑在比較適宜的粘度范圍內(nèi)使用。

圖7 樣品放置時(shí)間對粘度的影響

2 結(jié)論

本文測試了鑄造用砂芯粘結(jié)劑在不同條件下的旋轉(zhuǎn)粘度，分析了轉(zhuǎn)子選擇、操作方式、轉(zhuǎn)速等對粘度測試的影響，并測試分析了溫度以及放置時(shí)間等對粘結(jié)劑本身粘度的影響，對于砂芯粘結(jié)劑粘度指標(biāo)制定、測試及應(yīng)用建議如下：

（1）旋轉(zhuǎn)粘度指標(biāo)制定時(shí)，宜規(guī)定轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速、測試溫度、試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間等，選擇轉(zhuǎn)子時(shí)，不宜采用圓盤式轉(zhuǎn)子。

（2）旋轉(zhuǎn)粘度測量時(shí)，在每次試驗(yàn)前應(yīng)清洗轉(zhuǎn)子、攪拌樣品，樣品起皮時(shí)應(yīng)去除表層樣品再繼續(xù)測量；同時(shí)注意樣品攪拌均勻、平整；轉(zhuǎn)子進(jìn)入樣品時(shí)，轉(zhuǎn)子要與刻度平齊。

（3）砂芯粘結(jié)劑在機(jī)器人上應(yīng)用時(shí)，要考慮環(huán)境溫度，如冬季夏季的差異，也要注意粘結(jié)劑的放置時(shí)間不宜過長。