看了此文 铸造涂料就了解了6、70%
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。
以下，简单地说说有关铸造涂料的几个问题。
一、涂料的固体含量和强度
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
过去，粘土砂湿砂型不用涂料，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，对涂料的要求不仅是要形成隔离层，而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。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。
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，对各种溶剂的又非常敏感。强度高的特点，通过强度的测定，甚至由简单的手感，很容易有具体的印象，不必多讲。关于粘结桥的情况，有必要作一点说明。
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，而且粘土是亲水的，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。
各种树脂粘结砂的强度比粘土干型砂高得多，而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，而且，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高、粘度高的涂料，其渗入深度以不超过一个砂粒为宜。
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、从节能、环保和降低生产成本考虑
涂料中所用的液体载体，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，而且价格也昂贵，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，必需将其完全脱除。
水基涂料，涂覆以后需要烘干。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。醇基涂料，涂覆以后需要点燃，使之干燥。固体含量高，醇的耗用量减少，不仅生产成本降低，点燃时定环境的影响也随之减少。
二、要求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，现在的涂料都是高粘度的胶态分数体。由于涂料粘度很高，就提出了如何便于施涂的问题。
对胶态分数体流变性能的研究，为解决这个问题提供了途径。在一定的条件下，可以使胶态分数体具有剪切稀释的特性，即：在剪切作用下，分散体的粘度可以大幅度降低。
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。施涂以后，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，笔者也没有能力作较全面的评述。这里要谈到的，只是与剪切稀释作用有关的一点点，而且只能是概略的、示性的，不是严格的论述。
1、牛顿流体
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。
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是常数（即流体的粘度）。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.
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。
2、假塑性流体和醇基涂料
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。我们现在只就无屈服值的一种，加以说明。
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，假塑性流体有两个特点：
（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；
（2）流体所受的搅拌愈强烈（即剪切速率高），其粘度下降的幅度愈大。
归纳起来，假塑性流体的粘度随剪切状况而改变的特点。
有的假塑性流体有一定的屈服值。在此情况下，曲线不通过原点，只在剪切应力达到某一数值后，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。
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、比利时等国家制造的醇基涂料，以及自行研制的醇基涂料作过多次试验，除个别品种外，大都具有假塑性特征。
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，在施涂过程中，在外力作用下，粘度大幅度下降，便于施涂。
醇基涂料的缺点是：施涂时，涂料的运动一停止，粘度立即恢复，因此，施涂后刷痕、流痕等很难避免。
3、触变性流体和水基涂料
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，而且，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。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。
触变性流体，粘度因剪切条件而改变。
水基涂料，如其中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，且经过认真的混和，可以使悬浮的颗粒都带有负电荷。这样，不仅因颗粒都带有相同的电荷，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。
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。这样的涂料，当然是我们所需要的。
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，用相同的转子，以不同的转速（例如6 r/min、12 r/min、30 r/min）测定同一涂料的粘度。 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。 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。
（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，直到达一定的极限值。或者，经充分搅拌以后，粘度随静置时间的延长而提高，就可判定其具有时间相关性。
由于在匀速搅拌的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，测定曲线的左半部是不容易的。将涂料充分搅拌后，经不同的静置时间测定其粘度，即测定右半部，则是可行的。
笔者在实验室所用的方法是：取足够数量的涂料置高速搅拌机下搅拌10 min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。由此曲线，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。
三、涂料所用的原材料
铸造涂料所用的原材料品种繁多，而且还将在材料工业发展的基础上不断增补，本文中只能扼要地介绍一些基本情况。
1、耐火骨料
耐火骨料是涂料中的主要组分，其质量如何及选用是否得当，对涂料的使用效果影响极大。同时，选用骨料时，也应在工业卫生和经济等方面作较全面的分析。
常用作涂料骨料的几种材料，既然是耐火骨料，如不作具体分析，容易使人误认为耐火性能愈高愈好。正因为如此，对骨料的耐火性能规定过高的要求，从而不惜代价地追求用高级耐火材料的事例是屡见不鲜的。实际上，这种考虑是很不妥当的。 提到耐火性能，应该包括两个方面：一是耐火度，即熔点或软化点；二是高温下的化学稳定性。
从对骨料的耐火度考虑：涂料是在液态金属和铸型界面上起作用的。一般的铸钢件，浇注温度不超过1600℃，铸铁件则不超过1400℃。如果考虑到铸型对金属的冷却作用和界面上的温度落差，涂料受热后所能达到的温度实际上比上述数值低得多。对于这样的温度条件，一般的耐火材料都能满足要求，实无过分苛求的必要。
骨料在高温下的化学稳定性，即是否易于与其他氧化物作用而降低熔点，对涂料的作用而言，也不必要求过高。
液态金属浇注后，由于高温的作用，涂料层中在常温下起作用的粘结剂因热解而失效。这时，涂料层强度的建立，主要靠骨料颗粒的烧结。如骨料的耐火性能很高，不能烧结，则涂料层就易于松散、甚至剥落，从而使铸件产生多种表面缺陷。 如果涂料层易于烧结，浇注后很快就在金属－铸型界面上形成致密的烧结隔离层，则对改善铸件的表面质量、减少清整作业的劳动量，都是非常有利的。
可以说：用于铸造涂料的耐火骨料，其烧结性能比耐火度更为重要。
锆砂粉的耐火度高，高温下的热稳定性好，热膨胀很少，而且又易于烧结。兼有这些优点的材料是很少的，因而，其在铸造涂料方面的应用很广，可用于铸钢件、铸铁件及其他合金铸件，是涂料骨料中的首选材料。
但是，锆砂的矿藏是比较稀缺的，价格也相当昂贵。据美国矿物年鉴所载的估计数字，全世界锆砂的总储量约为4000万吨。目前，全世界每年产出量约60～70万吨，主要产地是澳大利亚和南非，其中用于铸造行业的约占70％。因此，研究、寻求锆砂的代用材料是今后的重要课题。
高铝熟料粉是价格便宜的材料，而且耐火度很高，其缺点是烧结性能欠佳。如果能根据铸件的生产条件，在高铝熟料中配加其他材料制成烧结型涂料，就可以用相当低的成本得到很好的效果。这种做法的缺点是涂料的通用性不好，材质相同的铸件，由于壁厚、尺寸不同，涂料中各种骨料的配比可能要有所不同。
2、载体
铸造涂料中所用的载体主要有水、醇类和氯代烃类三种。目前，出于价格和环境方面的考虑，已很少采用以氯代烃类为载体的涂料，通用的是水基涂料和醇基涂料。
目前，广泛应用于树脂自硬砂型的是醇基涂料。醇是易燃物料，醇基涂料点火即燃烧而脱除载体，可在几分钟之内完成施涂、干燥等全部过程，通常称之为快干涂料。
醇类价格高，而且涂料在制作、储存、运输和使用过程中都有安全方面的问题。醇类在车间的挥发，也存在环境问题。从长远考虑，醇基涂料的使用将会受到多方面的制约，前景看好的应该是水基涂料。
水是良好的溶剂，无毒副作用，并具有极性。用作涂料的载体，易于使其中的颗粒带电荷，从而得到极好的悬浮稳定性，而且易于控制涂料流变特性。无论在什么情况下，选用载体时都应首先考虑水，只有在有不可克服的困难时，才作其他的选择。
水基涂料的缺点是：水在完成运载任务之后比较难以脱除，一般都需要烘干。即使是高固体含量的涂料，晾干也需数小时之久。在水基涂料的推广应用方面，如何快速而有效地干燥，是我们所面对的重要课题。
3、悬浮稳定剂和粘结剂
水基涂料所用的悬浮稳定剂和粘结剂很难截然分开，其中，膨润土是非常重要的组分。但膨润土的用量不可太多，否则，干燥时涂料层易于开裂。因此，必须与其他材料配合使用。
除膨润土外，常用于水基涂料的还有羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、淀粉、水玻璃等，通过试验将多种材料配合使用、优点互补，是至关重要的。
醇基涂料所用的粘结剂主要是能溶于醇的各种树脂和纤维素衍生物，如酚醛树脂、松香、聚乙烯醇缩醛类等。必要时，也可用硅酸乙酯的水解液。
目前，还没有适当的醇溶性悬浮稳定剂，醇基涂料中效果较好的悬浮稳定剂是有机膨润土。 有机膨润土是以膨润土为原料，用季铵盐进行离子交换而制得的，价格大约是膨润土的50～70倍。使用时，需先在芳香烃中溶胀，然后再将胶态体分散于醇中。芳香烃是有害物质，其应用受到很大的制约。
我国不少醇基涂料采用锂膨润土作悬浮稳定剂。锂膨润土在醇中不能溶胀，必须先在水中溶胀，再使之分散于醇中，稳定颗粒的悬浮。此种醇基涂料，刚制成时悬浮性很好，但是，锂膨润土胶中的水很容易溶于醇，导致胶质脱水而失效，所以，以锂膨润土为悬浮稳定剂的涂料不耐储存。采用锂膨润土，必须采取有效的改性措施。
国外有采用凹凸棒土作醇基涂料悬浮稳定剂的报道，我国也有人进行这方面的研究工作，但合适工艺尚待探索。
4、其他加入剂
水基涂料中一般都应加入适当的电解质和防腐剂，有时还需加入消泡剂。醇基涂料中不必加防腐剂，但有时需加入消泡剂和表面活性剂。
四、施涂方法
可用的施涂方法有刷涂、抹涂、喷涂、蘸涂和流涂等多种。
刷涂时，刷子的运动有助于使涂料进入砂粒之间的间隙，涂料层防止金属液渗入的能力最强。但是，刷涂耗费的工时多，而且涂层的质量因人而异。刷涂的另一缺点是易于残留刷痕，用醇基涂料时尤为明显。
对于铸件上残留的刷痕，可能有不同的认识：有的客户可以接受打磨的痕迹，而不愿接受刷痕；也有客户认为，铸件上保留刷痕，说明铸件未经打磨，是质量良好的表征。抹涂只适用于特殊的厚壁铸件。
喷涂工艺虽然采用者不少，但到目前为止还缺乏特别适用于铸造涂料的喷涂装置。
借助于压缩空气的流动、抽吸涂料进行喷涂，是早期的工艺。其缺点是喷涂时飞溅严重，而且，在铸型的凹部，由于有空气的阻力，施涂的效果不好。因此，这种施涂方法现已很少应用。 无气喷涂是一种改进方案，解决了凹部的喷涂的问题，已用于许多造型生产线，但也还存在不少问题，如：与喷射流方向平行的型面施涂效果不佳；泵、阀、管道、喷嘴等部件易于磨损；铸型表面上易于局部厚积。
蘸涂和流涂是效果较好的施涂方法。蘸涂适用于较小的芯子，流涂适用于铸型和较大的芯子。
五、铸造涂料方面几项值得一提的进展
近二十年来，在铸造涂料的研究、开发方面不断有新的思路出现，有的虽然已问世多年了，但仍然值得借鉴。
1、粘土湿砂型用的涂料
粘土湿砂造型是最古老的工艺，也是迄今仍然应用最广的工艺，传统的做法是在型砂中加入煤粉等辅料以改善铸件的表面质量，不用涂料。近年来，随着汽车工业的发展，对铸件的要求的提高已不仅限于材质和内在质量，表面质量也日益受到重视。因而，在粘土湿砂型用涂料方面也在不断探索。
20世纪80年代，有人在粘土湿砂型表面喷一薄层醇基石墨涂料，喷涂后不点燃，直接合型浇注，铸件的表面质量显著改善。
90 年代，Foseco公司研发了一种干粉涂料，商品名称是。涂料是表面涂覆有诺沃腊克酚醛树脂和胺类硬化剂的锆砂粉，在小型流态床内分散，再经专用的塑料喷嘴喷出。涂料颗粒喷出时，因摩擦而带有静电荷。另一方面，湿砂型含有水分，有一定的电导率，这样就可使涂料颗粒结合于砂型表面。浇注时，由金属液的热量使涂料表面的树脂熔融、硬化，形成涂料层。据报道，日本有几家铸造厂采用此工艺，铸件的表面质量改善，气孔缺陷减少。
本世纪初，Foseco公司又推出了一种粘土湿砂型用的涂料HARDCOTE★ W100。这种涂料是高固体含量的水基涂料，在大量生产的造型线上喷涂于砂型表面，喷涂后不需烘干，有增强砂型的作用，在减少铸件表面缺陷方面效果很好，美国、日本、澳大利亚和荷兰都有铸造厂采用。
此后不久，Foseco公司又在HARDCOTE★W100的基础上，开发了改进型涂料Hardcote W300。这种涂料中加有晶态石墨，除减少铸件表面缺陷外，还可以改善铸件的表面粗糙度。
2、转移型涂料
1978年前后，位于美国伊利诺伊州的Ceramco公司，研发了一种涂料转移工艺U－Process。其特点是：涂料不涂覆于铸型表面，而涂在模样表面上，造型时，在涂有涂料的模样上填砂，起模时涂料层脱离模样，转移到铸型表面。这一工艺的优点有：涂料层的厚度不影响铸件尺寸，铸件的尺寸精度提高；铸件表面可以更好地复制模样的状态；铸件表面完全没有涂料刷痕、流痕之类的缺陷。
据了解，我国也有单位在这方面进行过研究。
3、防止球墨铸铁件表面石墨蜕变的涂料
采用酸硬化的树脂自硬砂时，由于所用的硬化剂主要是芳香烃磺酸，循环使用的再生砂中含有少量的硫。制造一般的铸件时，硫的有害作用往往并不显现。制造厚壁球墨铸铁件，再生砂中的硫就可能导致铸件表面层石墨的形态蜕变，蜕变层的深度可达1～1.5 mm 。这不可避免地会影响铸件的力学性能。能否借助于涂料层来阻碍硫向铸件渗入，是铸造业同仁，特别是风电铸件生产者，非常关注的问题，在这方面所作的试验、研究也不少。 很多人认为：采用以镁砂粉为骨料的涂料，可以吸收硫，当然也就可以防止石墨蜕变。但是，有试验表明，用镁砂粉涂料的效果不佳。
据Foseco公司的试验报告，石墨涂料不能防止石墨蜕变，采用不含石墨的硅酸铝涂料或硅酸镁涂料效果较好。 还有报道说，虽然焦炭中硫含量较高，但以焦炭粉为骨料的涂料也有防止石墨蜕变的效果，这可能与焦炭粉是多孔性材料、能吸附硫有关。