非占位涂料(转移涂料)

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1 概 述
非占位涂料又称转移涂料,其工作原理是将涂料直接喷涂到芯盒或模样表面,然后填砂、紧实,涂料层和型(芯)砂在芯盒的约束下同时固化,起模时涂料能从芯盒或模样表面转移到砂型(芯)表面,从而制得带有涂料的精密砂型(芯)。由于这种工艺方法所形成的涂层不占据型腔的有效位置,故称为非占位涂料法,亦称转移涂料法。采用这种方法不会影响型(芯)的尺寸精度,涂层可完美地复制出模样或芯盒的表面,不存在刷痕、流淌、堆积等涂料表面缺陷,能获得精密光洁的铸件,可与熔模铸造相媲美,而其成本仅相当于或略高于普通砂型铸造,生产效率大大提高。
2 国内外的研究应用情况
非占位涂料技术最早是出现在20世纪70年代,是日本小松制作所提出的小松(Komatsu)—山西(Yamanishi)法,简称K-Y法。该法的工艺过程为,首先在喷涂有分型剂并已预热的金属芯盒上涂敷粉状涂料,然后加入树脂覆膜砂,加热固化后由顶杆将壳型顶出。在壳型上,涂料已由芯盒内表面转移到树脂覆膜砂壳型表面形成了光洁的铸型表面。此法采用的粉状涂料和所能制造的型(芯)形状都受限制,所以难以推广。
! H# {4 S5 ]* F/ X80年代初,小松制作所对原来的Ｋ-Ｙ法进行了改进,发展成为有机系新Ｋ-Ｙ法。新Ｋ-Ｙ法的工艺流程如图1,先在环氧树脂玻璃钢芯盒表面涂衬上硅橡胶膜,然后将涂料液倒入芯盒中,使涂料润湿整个芯盒内表面后,再倒出多余的涂料,在芯盒表面留下一层涂料;在振动条件下,向涂敷涂料层的芯盒内充填芯砂,再送入微波炉内加热,使涂料与覆膜砂一起硬化,然后脱芯盒,取出带有涂料的精密砂芯。新Ｋ-Ｙ法有许多优点:芯盒本身不受热,尺寸稳定,有利于提高砂芯的精度和延长芯盒的使用寿命;由于填砂是在室温下进行的,所以不必非得用树脂覆膜砂,可以直接填加粉状树脂和原砂的混合料;又由于使用的是液态涂料,可以很方便地涂挂在各种形状的芯盒或模样各个角落,所以对芯子的形状几乎没有限制。
1987年日本又开发了无机系的新Ｋ-Ｙ法。所用芯砂为水玻璃覆膜砂,即先将无机系水基涂料涂敷在芯盒或模样表面,再充填包覆有水玻璃等无机粘结剂的干态砂,经微波照射,涂料中介质损失系数大的水分被选择加热,变成水蒸汽向芯盒外逃逸,此时,水蒸汽可将包覆在砂粒表面的无机粘结剂再次溶解,进而又干燥硬化,制得带有涂料的无机系精密砂芯。目前日本对Ｋ-Ｙ法研究较多,已有Ｋ-Ｙ法的专用涂料和芯盒制作的专利，并已形成机械化生产线。有机系的新Ｋ-Ｙ法已被用来制造柴油机汽缸盖、进气道、排气道芯子及某些建筑零件。无机系的新Ｋ-Ｙ法也已被用来生产叶轮、导叶、气缸盖、涡轮机匣、三角刃刀头等铸件,取得了良好的效果。
) Z* V4 |" _1 I/ G9 K8 M# s80年代初,原苏联也对非占位涂料法进行了研究,并称之为精密涂法。该法是将水基涂料喷涂到预热至240℃的芯盒上,然后填入混有干树脂的芯砂,制得带有涂料的精密砂芯。
我国是从90年代初开始研究非占位涂料技术的。袁寿民研究了加热硬化的转移涂料工艺,涂料采用乳白胶为粘结剂的水基石墨涂料,芯砂采用呋喃Ⅰ型热固型树脂砂。用转移涂料浇注了ＤＺＺ 0 1液压阀体的ＺＬ102铝合金芯盒。芯盒的原加工工时为132h, 改用转移涂料工艺后只需23h, 而且铸件表面粗糙度达到3 2μｍ,尺寸精度达到ＧＢ1804 79ＪＳ13级。
华中理工大学进行了可以在常温下自硬的转移涂料工艺的研究。其工艺过程为:在涂有脱模剂或硅橡胶的芯盒内表面喷涂磷酸盐自硬涂料,然后填入水玻璃砂,再吹ＣＯ2硬化,20～30分钟后取出砂芯。研究表明,硅橡胶可明显地降低涂料对模样或芯盒表面的附着强度,使涂料转移易于实现。
哈尔滨工业大学对自硬转移涂料也进行了研究。采用水玻璃和有机酯配成的铝矾土水基自硬涂料,以ＣＯ2硬化水玻璃砂或ＶＲＨ法真空气硬水玻璃砂造型。研究了涂料转移的最佳时间,研究了涂料与不同芯盒材料的接触角及涂料与芯盒表面的附着强度,并用该工艺浇注了碳钢试块及球铁花齿盘农机件,制品尺寸精确、表面光洁。
上海交通大学对自硬转移涂料法进行了改进,发明了液固相变精密铸造法。该工艺是先在芯盒表面喷封闭剂(脱模剂),再将固化剂喷到芯盒表面,然后再喷涂料,固化剂和涂料在芯盒表面进行化学反应而固化;再填砂并紧实,然后将芯盒放入反应固化器内,抽真空0.1ＭＰａ,保持5～30分钟,以使涂料中的溶剂挥发,接着再通入固化反应催化气体,使砂芯及涂料充分固化;然后取出带有涂料的砂芯放入烘干炉内,在200℃下烘干3～5h。目前已用此法生产了轮胎模等铸件。
3 {" a5 s1 q( D8 a- U6 T! c5 g6 _) N3 非占位涂料技术的特点
3.1  非占位涂料能制作精密的铸件在于涂料不占据型腔有效空间位置,突破了传统铸造先制芯后刷涂料的模式。
% F: ]1 k& \, h. a表1 不同涂敷方法时涂料涂敷模式及铸件质量对比
涂敷方法
涂敷模式
3 |' `! e' E3 A5 `0 c% y0 J: j% J特点
涂层质量
8 w9 K$ T7 n, D- A% _- o刷涂
涂料在无约束下涂敷固化
涂层占据型腔有效空间位置
6 I# w# B! n$ n1 M刷痕、流淌、厚薄不均
! \! Z( g5 k* @( v. z5 f- _喷涂
) Z) R9 q& m+ f3 \较光、有麻点、厚薄不均
浸涂
光滑、有堆积、厚薄不均
4 a0 N- f+ s4 n! v+ v& ]7 @5 D7 z$ q流涂
/ X3 C" |- S; ~& j. t光滑、有堆积、厚薄不均
$ n. o! e# O8 H" g静电喷涂
3 x; L: R& u3 l1 M- c光滑、涂层均匀
粉末环绕喷涂
; J0 u9 `4 q9 Y$ Z# \涂料嵌入砂粒孔隙、较光
# f9 O  w. ]2 Q* U7 u; @涂层转移法
涂料在模具约束下涂敷固化
涂层不占据型腔有效空间位置
% x& Y8 q$ T, M, f- m光滑、厚薄不均但不影响铸件尺寸精度
  o- b% h( T3 Y3 U+ y3.2 自硬转移涂料法不需专用设备,芯盒制作简单、迅速,芯盒成本也较热芯盒低,对于单件、小批量生产精密度要求较高的铸件,如铸造芯盒、金属型、模具等有很好的应用前景。
3.3 微波硬化的转移涂料法有许多独特的优点,如芯盒制作成本低、工艺简单、芯盒本身不发热、砂芯及涂料能用微波选择性加热固化,便于实现工业化批量生产,高效地制作高强度精密砂芯。随着微波技术的不断发展,微波炉的性能不断提高,设备成本不断降低,这一技术将有很好的应用前景。
3.4 非占位涂料技术与覆膜砂技术的结合亦有很高的研究价值和应用前景。这两种技术的结合,使加热固化时可避免自硬转移涂料法中的溶剂迁移,且固化快,涂料及砂芯的强度高,易于实现工业化生产。
: X2 O+ |* E8 q3.5 非占位涂料技术与壳型技术的结合对提高我国汽车、拖拉机、柴油机的缸体、缸盖等重要铸件的内腔表面质量及尺寸精度有非常重要的意义。可望解决目前铸钢件壳型铸造中存在的粘砂、表面粗糙等问题。
  P/ ^- e* ~, h/ D文章关键词： 涂料