镁合金消失模铸造涂料的研究进展
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Ｎｏ．２
铸造
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ＦＯＵＮＤＲＹ
镁合金消失模铸造涂料的研究进展
谭香玲，肖泽辉
（湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭４１１１０５）
摘要：分析了镁合金消失模铸造涂料与铸铁、铸钢、铝合金消失模铸造涂料的不同之处，论述了镁合金消失模铸造涂
料的研究进展，指出了镁合金消失模铸造涂料研究的方向。
关键词：镁合金；消失模铸造；涂料中图分类号：ＴＧ１４６．２＋２；ＴＧ２４９．６
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１－４９７７（２００７）０２－０１２１－０４
ＴｈｅＳｔｕｄｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｏｎＬＦＣＣｏａｔｉｎｇｏｆＭａｇｎｅｓｉｕｍＡｌｌｏｙｓ
ＴＡＮＸｉａｎｇ－ｌｉｎｇ，ＸＩＡＯＺｅ－ｈｕｉ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉａｎｇｔａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ４１１１０５，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎＬＦＣｃｏａｔｉｎｇｏｆｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙａｎｄｃａｓｔｓｔｅｅｌ，ｉｒｏｎ，ａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｈａｖｅｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＴｈｅｓｔｕｄｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｎＬＦＣｃｏａｔｉｎｇｏｆｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＳｏｍｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅＬＦＣｃｏａｔｉｎｇｏｆｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙｗｅｒｅｇｉｖｅｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙ；ＬＦＣ；ｃｏａｔｉｎｇ
镁合金是当今实际生产中采用的最轻的金属结构工程材料，具有比强度、比刚度高，阻尼减震性能优良，机械加工方便，易于回收利用，符合环保要求等特性，在汽车、航空及３Ｃ领域等行业的应用呈现快速的增长［１］。镁合金的成形方式主要为铸造成形和塑性成形，其中铸造成形占８０％以上。消失模铸造作为一种新型的铸造成形工艺方法，设备投资小，生产工艺灵活，适合多种生产组织形式，生产成本低、铸件内在质量好、成形精度高；同时，泡沫模样的分解产物对充型的液态合金具有良好的保护作用，在铸铁、铸钢和铝合金上已得到了广泛的应用。随着消失模技术的发展及镁合金铸造生产的扩大，消失模铸造成形镁合金引起了人们很大的兴趣。
涂料技术是消失模铸造成形的关键技术，目前，镁合金消失模铸造涂料的研究相对较少，镁合金消失模铸造涂料主要是以铸钢、铸铁、铝合金消失模铸造涂料配方为依据而配制生产的。随着镁合金消失模铸造的进一步发展，镁合金消失模铸造涂料值得国内外铸造工作者进行深入的开发、研究。
而为了避免铸造缺陷的产生及保证高温金属液顺利充填，消失模涂料必须具备良好的透气性，特别是高温透气性［２］。消失模铸造一般都使用真空负压工艺，其涂料除了要抵抗高温金属液的动压力、静压力外，还要抵抗真空负压引起的吸力，因此消失模铸造涂料的高温强度应足够高。同时，消失模铸造涂料应具有适中的涂料密度、良好的涂挂性能，能够润湿模样表面，易于得到均匀的涂层。
镁合金与铸铁、铸钢以及铝合金相比，在物理、化学等方面具有不同的性质，镁合金消失模铸造与铸铁、铸钢及铝合金的消失模铸造相比，也具有自己的特性。表１所示为镁合金与铸铁、铸钢及铝合金的性能对比［３－５］。由表１可知，镁合金铸件浇注温度比铸铁、铸钢的低７００￣８５０℃，对涂层的热作用远远不如铸铁、铸钢，镁合金铸件密度为铸铁、铸钢的２３％，对涂层的静压力作用比铸铁、铸钢小，镁合金消失模铸造涂料无需铸钢、铸铁涂料那样要求高的强度和耐热性，涂料骨料的耐火度可以适当降低。同时，因为镁合金的浇注温度低，模样裂解产物中的气态产物较少、液态产物较多，镁合金消失模铸造涂料的透气能力也可相对降低，但要求涂料对液态产物有较高的吸附能力。镁合金与铝合金相比较，虽然两者的浇注温度相差不大，但镁合金的密度仅为铝合金的６４％，液态镁合金的热容量为液态铝合金的６２％，镁合金充型过程中冷
１镁合金消失模铸造对涂料的要求
在消失模铸造成形过程中，模样材料在高温金属
液作用下发生裂解，形成气态、液态及固体等产物，这些裂解产物需要通过模样表面涂料及时的排出。因
基金项目：湖南省教育厅青年项目（０５Ｂ００５）。收稿日期：２００６－０９－２６收到初稿，２００６－１０－１８收到修订稿。
：（），，
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却速度较快，流动阻力较大，容易出现浇不足、冷隔等缺陷。镁合金消失模铸造涂料的透气性应高于铝合金，这样有利于降低充型阻力，提高金属液的充型能力。液体镁合金的粘度及表面张力均高于铝合金，镁合金结晶区间比铝合金大７０℃左右，倾向糊状凝固。为了保持更多的熔液热量，镁合金消失模涂料要求具
表１
有低的热传导系数和低的热膨胀性能。此外，镁合金液易与空气中的介质发生反应，特别易与氧发生氧化燃烧。因此在铸造生产中，应对镁合金熔体使用熔剂和气体进行有效的保护。在配制镁合金消失模涂料时应注意增强涂料的防氧化能力和阻燃效果。
镁合金与其它常用铸造材料的性能对比表
Ｔａｂｌｅ１Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｍｏｎｇｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙａｎｄｏｔｈｅｒｆｏｕｎｄｒｙｍａｔｅｒｉａｌｓ
铸铁
浇注温度／℃密度（・）／ｇｃｍ－３液相线温度／℃固相线温度／℃结晶区间／℃
热导率（・・）／Ｗｍ－１Ｋ－１）（２０－５００℃
引燃温度／℃氧化膜的特性热导率２０℃（・・）／Ｗｍ－１Ｋ－１
单位体积下的凝固潜热（・）／Ｊｍｏｌ－１
铸钢
铝合金
镁合金
１４５０７．４
１６００７．８
７５０２．７５９５５４０５５２１０５３２
致密，保护效果好
７８０１．７４５９８４６８１３０１５５－厚易于破裂
９６１０８７．６１．４２５２０
５５６７５．１１．８５５６３
７５０℃粘度７５０℃表面张力
２镁合金消失模铸造涂料配制的研究
目前，国内针对镁合金消失模铸造涂料配制进行
有不同的保温性，透气性和耐火性［１１］。在日本，已经开发出用于不同类型铸件的系列涂料［１２］，一般铸造涂料是以ＳｉＯ２作为耐火骨料，并添加粘结剂、防腐剂等材料配制而成。美国是消失模发展最早的国家，是世界消失模涂料最大供应商之一。目前，人们常把美国
了初步的研究。贺奇［６］等人采用耐火骨料石英粉、糊精、硅溶胶及其它附加物配制了一种适合有色合金的消失模铸造水基涂料。在此配方中采用了微量的表面活性剂聚异丙二醇醚和消泡剂正丁醇，提高了涂料的润湿性，但是此配方用于镁合金消失模铸造，应需加入阻燃剂。目前，硼酸、烷基磺酸钠、氟附加物等是人们在镁合金铸造涂料中常用的阻燃剂，对防止镁合金液氧化、燃烧有良好的效果［７－８］。黄述哲［９］等人用耐火骨料高铝矾土、硅藻土，粘接剂膨润土、白乳胶，悬浮剂纤维素钠，以及其它附加物配制了一种水基消失模铸造专用涂料，并申请了国家专利。吴国华［１０］等人先将吸附剂、悬浮剂分别加水配成溶液，再与镁砂粉、珠光粉等耐火骨料，粘结剂，阻燃剂及其他成分混合搅拌，配制了一种应用于镁合金消失模铸造的阻燃涂料。这种配方与以上两种配方相比，有许多独特之处。吸附剂增加了吸附泡沫塑料模样热解产生的液态产物的能力，阻燃剂可防止浇注时镁合金在铸型内的燃烧，铸型－镁液界面间形成还原性保护气氛层，在镁合金表面形成保护膜，阻止氧化进行，有利于获得表面光洁、无氧化皱皮的镁合金铸件。
国外，消失模铸造涂料研究起步早，已取得显著成绩，而且其商品化程度较高，研制的涂料大都是专利产品。英国Ｆｏｓｅｃｏ公司研制的性能优良的Ｓｔｙｒｏｍｏｌ系Ａｓｈｌａｎｄ公司生产的低透气性涂料用于镁合金消失模铸
造研究及生产中［１３－１５］。
３
３．１
消失模铸造涂料性能的研究
消失模铸造涂料透气性的研究
孙万柏［１６］等人对单一的工业硅砂粉与添加３０％的高
铝矾土的涂料，在８００℃时的透气性进行了比较，发现加入３０％的高铝矾土后，８００℃时的透气性提高了７．５倍。结果表明骨料组合可以使不同的骨料取长补短，性能更完善。不同形状的骨料搭配还可使骨料间的空隙更大，使混合料透气性远高于单一骨料。宋象军［１７］等人采用ＨＳＴ－２型消失模涂料高温性能测试仪测试分析了消失模涂料高温透气性的影响因素。试验结果表明随着耐火骨料颗粒的增大，涂料的高温透气性提高；涂料密度增大，则高温透气性下降；无机粘结剂含量增加，涂料高温透气性下降；有机粘结剂含量在一定范围内增加时，高温透气性大为提高。骨料的粒形可分为球形、近球形、片状、纤维状等，不同形状的骨料堆积形成的孔隙率大小不同，透气性也就不同。其中，球形骨料形成的孔隙最大，透气性最好。ＧｏｒｉａＣ．Ａ．［１８］分析了高透气性铝矾土涂料，发现几乎所有的颗粒都时，此时
铸造
谭香玲等：镁合金消失模铸造涂料的研究进展
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它在骨料中的比例较大，大量的纤维状硅灰石容易在涂层中形成体型网状结构，从而形成更多的微观空隙连通区，使透气性提高。许多研究表明［５，２０，２１］，在同种涂料以及相同的充型条件下，涂层的厚度减薄，透气性提高，反之，透气性降低。黄光胜［２２］等人从空气粘度、耐火骨料热膨胀和有机物热分解三个方面分析了温度对涂料透气性的影响，升温的初始阶段，随着温度的升高，空气粘度增加，耐火骨料膨胀，排列更紧密，涂料颗粒间的孔隙减少，使得涂料的透气性下降；当温度升高到一定程度时，涂料中的有机粘结剂以及一些有机附加物开始分解，产生的气体排出涂料层，使得涂料颗粒间的孔隙增加，透气性升高。
液态产物有较强的吸附能力。吴国华［２８］等人研究发现，硅藻土对涂料层的吸附能力有很大的影响，随着硅藻土的组分的增加，涂料层的吸附能力增强；随着硅藻土颗粒增大，涂料层的吸附能力降低。刘兰俊［２９］等人研究了云母对消失模铸造涂料浸润性的影响，发现较多数量的、层片状的云母形成的涂层相对致密，使泡沫模样液化后难以顺利通过。气态产物排出与涂料层的透气性有着密切的关系，当铸件的模数、模样材料和充型速度一定时，涂料的透气性越好，则排气能力越好［３０］。透气性的研究以上已作了说明。高的涂层导热系数，促使金属液中的热量更快更多地传递到型砂中，加快了金属液的凝固。镁合金消失模铸造充型凝固的特殊性决定了涂料要求低的热传导系数和低的热膨胀性能。涂层的导热能力与涂料中的耐火材料颗粒和其它组分的热传导率有关。ＺｈａｏＱ．［３１］等人研究了消失模涂料传热性能的影响因素，发现片状的云母比球状的石英保温性好，不易散热；对同骨料的涂料，粒度越细越分散，导热性越好。
３．２消失模铸造涂料强度的研究
粘结剂是影响消失模涂料高温强度的主要因素，
但耐火材料对涂料高温强度的影响不能忽略。无机粘结剂涂料的高温强度高于有机粘结剂，但前者的高温透气性不如后者。耐火骨料堆积密度越大，涂料强度越大，涂层的透气性越低。强度和透气性是消失模涂料的一对矛盾体，在配制涂料时既要考虑涂层的透气性，又要考虑涂层的强度。人们常根据耐火骨料的颗粒等级配制，采用有机、无机混合粘结剂等来获得较高的强度和较高的透气性。宗俊峰［２３］等人研究了影响涂料强度和透气性的因素。提出为了保证消失模涂料的高温强度和高温透气性，应采用有机、无机混合粘结剂，合理选择耐火材料的种类及粒度。高洪涛［２４］等人研究了粘结剂对消失模铸造涂料性能的影响，适量的有机粘结剂可增强涂料的触变性、改善涂料的涂挂性，同时形成涂料的粘结强度和抗弯强度，但也使涂料的发气量增加。无机粘结剂主要形成涂料的高温强度，对其他性能影响不大。近年来，添加纤维状耐火骨料涂料成为人们研究的热点。纤维状耐火骨料穿插于涂层的基体之上，形成网络状结构，相当于起到加强筋的作用，从而提高了涂料层的强度［１９］。张忠明［２５］等人研究了黄原胶对消失模铸造涂料性能的影响，发现加入质量分数为０．０５％的黄原胶后，涂层强度提高
４
消失模铸造涂料对镁合金铸件缺陷的影响
在消失模铸造过程中，涂料对排出模样裂解产物
的速度和金属热量的散失率起着决定性的作用。排出模样裂解产物的速度和金属热量的散失率是影响铸件缺陷的关键。镁合金铸件在消失模铸造过程中常出现的铸造缺陷有浇不足和冷隔、孔洞、粘砂等。刘子利［１４］等人对重力下镁合金消失模铸造金属液的流动形态、流动性、充型速度及其影响因素进行了初步的探讨，分析了涂料的透气性对镁合金液充型的影响。在试验研究中表明镁合金消失模铸件充型过程中，适当的涂料层透气性、厚度可以改善镁合金液的流动性，进而提高镁合金铸件质量。张大付［３２］等人提出了可控气压下真空低压镁合金消失模精密铸造技术，对镁合金消失模铸件缺陷展开了研究，并分析了涂料性能参数对镁合金消失模铸件缺陷的影响。结果表明适当的透气性可减少镁合金铸件浇不足和冷隔、孔洞、反喷等缺陷，保温性能良好的涂料有利于镁合金铸件减少缩孔等缺陷，适当的涂层厚度是镁合金消失模涂料的重要参数。
１００％，涂料的密度、悬浮性、涂挂性都提高了，而透
气性略有下降。
３．３消失模铸造涂料传质、传热特性的研究董选普［２６］等人对重力作用镁合金消失模铸造浇注
后的镁合金消失模涂料用电子显微镜进行了观察，发现涂料和泡沫模液态热解产物之间应该有好的浸润性，以利于泡沫模热解产物的扩散，消除铸件浇不足、气孔和夹杂等缺陷。ＳｕｎＹ．等人研究了液态ＥＰＳ对涂层润滑和渗透的规律，指出当液态ＥＰＳ和涂层的温度均为３００℃时，液态ＥＰＳ对涂层润湿并发生渗透，即涂层开始吸收液态ＥＰＳ。人们一致认为多孔的耐火骨料或［２７］
５镁合金消失模铸造涂料的研究方向
在镁合金消失模铸造中，镁合金的化学反应和氧
化燃烧是迫切需要解决的技术问题。在涂料中加入阻燃剂，配制镁合金消失模铸造专用涂料是镁合金消失模铸造的一项基础研究工作。
涂层的透气性对镁合金充型和铸件的内部质量有很大的影响。但其透气性并非越大越好，而是有一个的机理，
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）：２３－３２．［Ｊ］．ＪＡＣＴＮｅｗｓ，１９９６（４
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寻找适当的透气性范围作为控制手段，有效地控制涂层的透气性，对于提高镁合金消失模铸造工艺稳定性，生产高质量镁合金铸件有着极大的现实意义。
镁合金消失模铸造涂料吸附能力与其透气性一样重要，在镁合金消失模涂料中加入一些具有良好吸附能力的材料对提高镁合金消失模涂料吸附液态分解产物很有作用，是深入研究镁合金消失模涂料的重要性能之一。
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［１６］孙万柏，程宽中，高振嵩．骨料组成对消失模铸造涂料透气性的
影响及测定［Ｊ］．铸造，１９９６（４）：４３－４５．
６结束语
如何提高镁合金消失模铸造涂料性能，是进一步
［１７］宋象军，罗吉荣，孙万良．消失模涂料对ＥＰＳ裂解产物传输特性
的影响［Ｊ］．特种铸造及有色合金，２００２（１）：４８－４９．
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推动镁合金消失模铸造成形技术的关键。国内外针对消失模铸造涂料的研究已开展了大量的工作，并取得了显著成绩。这为镁合金消失模涂料的进一步研究打下了良好的基础。应充分利用在消失模涂料研究上已取得的成果，结合镁合金消失模铸造的特殊性和实际生产，研制出优质的镁合金消失模铸造涂料，以加快镁合金消失模铸造成形技术的发展。
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