郭廣思，王健驍，劉 洋

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159；2.遼寧省水利事務(wù)中心，沈陽 110003)

由于消失模鑄造具有鑄件尺寸精確、適用范圍廣、清潔綠色等優(yōu)點，該技術(shù)近年來得到了突飛猛進的發(fā)展，在我國工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)有了一定的規(guī)模，但我國消失模鑄造技術(shù)還處于較低水平[1]。消失模鑄造涂料可以很大程度上改善鑄件的質(zhì)量，起到將金屬液與模型隔絕的作用，防止模型澆鑄過程中塌陷，改善鑄件表面質(zhì)量，同時有很好的透氣性。有利于氣體的排出[2]。消失模鑄造涂料要有高強度、良好的懸浮性和粘度，同時在使用過程中簡單易操作，節(jié)約環(huán)保等特點。王萍萍等[3]也在涂料中加入CMC-Na作為懸浮劑，得到了很好的應(yīng)用效果。呂小艷[4]將CMC-Na作為懸浮劑，得到的涂料有較好的懸浮性和粘度。作為懸浮劑的羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)對涂料的強度、粘度、懸浮性都有很大的影響，其加入量對涂料的成功與否起著關(guān)鍵影響。

1 實驗方法

1.1 涂料的組成

(1)耐火骨料

耐火骨料是鑄造涂料的主要組成部分，占涂料組分的80%左右，其性質(zhì)直接決定鑄造涂料的性質(zhì)[4]。選擇耐火骨料時需要考慮到耐火能力、骨料的形狀及粒度大小、化學(xué)穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)、綠色無污染、價格便宜，來源廣泛等[5]。因此，本實驗選用石英粉作為耐火骨料，采用的石英粉目數(shù)為240目。

(2)懸浮劑

懸浮劑的作用是使液體擁有一定的懸浮能力，當(dāng)液體中加入某種顆粒時可將顆粒懸浮于液體中，使液體能均勻地承載顆粒，同時也擁有長時間保存且不產(chǎn)生沉淀的能力[6]。除此之外，可保證涂料質(zhì)量均勻，始終保持彌散狀態(tài)。本試驗選用鈉基膨潤土和CMC-Na共同作用。

(3)粘結(jié)劑

鑄造涂料的實質(zhì)是耐火骨料層的保護作用，使涂料起到關(guān)鍵作用的前提是耐火骨料層能很好的黏附在模型表面，有一定的強度，在澆注過程中能抵抗高溫金屬液的沖刷而不脫落[7]。粘結(jié)劑要有很好的溶解性，能均勻分散在載液中，為骨料顆粒提供均勻的膠體環(huán)境[8]。本實驗選用的粘結(jié)劑是水玻璃和淀粉。

(4)載液

涂料中的載液起著至關(guān)重要的作用，其為耐火骨料的懸浮提供空間。本實驗選擇水為載液。

(5)其他添加劑

本實驗加入的其他添加劑有消泡劑、表面活性劑。

消泡劑：在涂料的配置過程中，各種成分的加入以及進行長時間的攪拌過程會產(chǎn)生大量氣泡，影響后續(xù)涂層的性能，所以在涂料中加入適當(dāng)?shù)南輨p少氣泡的產(chǎn)生[9]。

表面活性劑：表面活性劑能顯著降低液體表面的張力，使涂料具有更好的綜合性能。

1.2 性能測試方法

涂料的粘度采用涂式杯來測量：將涂料倒進涂式杯并刮平，打開閥門后測量涂料斷流所用的時間，時間越長表明涂料的粘度越大。懸浮性采用靜置觀察法進行測量：向量筒中倒入50mL配置好的涂料，在陰涼處靜置24h后觀察，清水層所占的比例即為涂料的懸浮性。采用落砂法來測量強度：將砂子從距離玻璃板一米高度處自然下落，玻璃板上涂有預(yù)先準(zhǔn)備好的均勻干燥的涂料層；當(dāng)玻璃板上的涂料層被落砂打出4mm左右的圓坑時，稱量落下砂子的重量，以此來表示涂料的強度；落砂重量越大，涂料強度就越大。滴淌性的測量需要用到載玻片，將載玻片浸入涂料中40mm處蘸取涂料,并放置在燒杯上空，使涂料自然滴落，待無法滴落時，讀取天平上的質(zhì)量，即為滴淌性的測量指標(biāo)[10]。靜置24h后測量涂層厚度即為涂掛性指標(biāo)。流平性的測試方法是將50mL涂料倒入式樣筒中，將試樣筒垂直提起，待涂料完全攤開后測量涂層最大半徑即為流平性指標(biāo)。

1.3 各組分加入量

表1為涂料中各原材料的加入比例。

表1 涂料中原材料加入比例 %

2 原材料的準(zhǔn)備

2.1 耐火骨料的準(zhǔn)備

實驗中用到不同粒度的石英粉，石英粉原料為各種粒度的混合，需要進行不同粒度的篩分。在150℃對石英粉原料進行烘干，烘干時間大約1h，烘干后進行冷卻，用不同目數(shù)的篩網(wǎng)對原料進行篩分，將篩好的不同目數(shù)的石英粉進行密封保存，防止受潮。

2.2 懸浮劑的準(zhǔn)備

實驗中的鈉基膨潤土配置成10%的膨潤土漿，CMC-Na需要配置成2%的水溶液。由于兩者在常溫下的溶解速度較慢，容易在水中結(jié)塊，所以兩者都要用攪拌配制。邊攪拌邊加入，直到液體中沒有結(jié)塊后，將兩溶液密封保存，防止吸水，靜置24h后待用。

2.3 粘結(jié)劑的準(zhǔn)備

實驗中選用水玻璃和淀粉聯(lián)合作為粘結(jié)劑，水玻璃現(xiàn)用現(xiàn)取，無需配置，淀粉需要配置成10%的淀粉水溶液，實驗時現(xiàn)用現(xiàn)配。

3 實驗結(jié)果與分析

CMC-Na加入量分別為0.3%、0.4%、0.5%、0.6%，研究其加入量對涂料的粘度、強度、滴淌性、懸浮性等性能的影響。實驗結(jié)果見表2。

表2 CMC-Na對涂料性能的影響

3.1 CMC-Na對涂料強度的影響

CMC-Na作為懸浮劑也會增強耐火骨料之間的結(jié)合，耐火骨料更加致密，增大涂料層的強度。

圖1為CMC-Na的加入量對強度的影響曲線圖。

圖1 CMC-Na加入量對強度的影響

由圖1可以看出，隨著涂料中CMC-Na含量的增加，涂料的強度逐漸增加，從40.3g增加至54.3g，涂料的強度整體保持在40g以上，考慮到涂料的清理問題，CMC-Na的加入量在0.3%～0.5%之間較好。

3.2 CMC-Na對涂料懸浮性的影響

圖2為CMC-Na的加入量對懸浮性影響曲線圖。

由圖2中可以看出，隨著CMC-Na加入量的增加，涂料的懸浮性有上升后穩(wěn)定的趨勢，在加入量為0.3%時，涂料的懸浮性最低為96%，在0.4%～0.6%時一直穩(wěn)定在100%左右，因為在CMC-Na加入量為0.4%后，CMC-Na所提供給載液的網(wǎng)狀絡(luò)合物結(jié)構(gòu)達到飽和，所以懸浮性達到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)涂料的懸浮性達97%以上時，涂料的性能較為穩(wěn)定，使用效果較好，所以CMC-Na的加入量0.4%～0.6%之間較好。

圖2 CMC-Na加入量對懸浮性的影響

3.3 CMC-Na對涂料粘度的影響

圖3為CMC-Na的加入量對粘度的影響曲線圖。

圖3 CMC-Na加入量對粘度的影響

由圖3中可以看出，隨著CMC-Na加入量的增加，涂料的粘度逐漸增加，從31.2s增加至40.2s；在加入量在0.6%時涂料的粘度達到最大為40.2s；在加入量在0.3%～0.5%之間時，涂料的粘度在30～40s之間，符合涂料的使用要求，所以涂料中的CMC-Na加入量在0.3%～0.5%之間較好。

3.4 CMC-Na對涂料滴淌性的影響

圖4為CMC-Na的加入量對滴淌性影響曲線圖。

圖4 CMC-Na加入量對滴淌性的影響

由圖4可以看出，隨著CMC-Na加入量增加，涂料的滴淌性降低。在加入量為0.3%時，涂料的滴淌性最大為0.879g；在四種加入量中，加入量為0.6%時，為最低的0.821g。作為懸浮劑的CMC的增加會使涂料的粘度有一定的增加，所以滴落的涂料會減少，但總體上變化幅度不大，都保持在0.8～0.9g之間，符合涂料的使用要求。

3.5 CMC-Na對涂料透氣性的影響

在配制CMC-Na溶液的時候就可以看出，CMC-Na溶液較為粘稠，其與載液混合后增大涂料的粘度，在給耐火骨料提供支撐的同時也會使耐火骨料顆粒之間緊密的結(jié)合在一起，從而降低涂料的透氣性。

圖5為CMC-Na的加入量對透氣性的影響曲線圖。

圖5 CMC-Na加入量對透氣性的影響

由圖5可以看出，涂料的透氣性隨著CMC-Na加入量的增加逐漸減小，從69.4%降低至64.8%。CMC-Na加入量在0.6%時涂料的透氣性較差，已經(jīng)不能滿足涂料的使用要求，所以CMC-Na的加入量最好保持在0.3%～0.5%。

3.6 CMC-Na對涂料流平性的影響

涂料的粘度和流平性是相反的，當(dāng)涂料粘度變大時，涂料的流動性降低，使涂料的流平減小。

圖6為CMC-Na的加入量對流平性影響曲線圖。

圖6 CMC-Na加入量對流平性的影響

由圖6中可以看出，涂料的流平性隨著CMC-Na加入量的增加逐漸減小，從13.7cm減小至12.6cm，整體上降低了1cm左右，這個范圍符合涂料的使用要求，所以涂料中作為懸浮劑的CMC-Na的含量在0.3%～0.6%之間較好。

3.7 CMC-Na對涂料涂掛性的影響

圖7為CMC-Na的加入量對涂掛性影響曲線圖。

圖7 CMC-Na加入量對涂掛性的影響

由圖7可以看出，隨著CMC-Na加入量的增多，涂料的涂掛性增大，從0.1mm增大到0.13mm左右。CMC-Na的增加使得單位面積內(nèi)懸浮的耐火骨料顆粒增多，所以在載玻片上的涂層會隨著CMC-Na的增多變厚?？傮w上涂掛性保持在較好的狀態(tài)，符合涂料的使用要求。

3.8 CMC-Na對涂料pH的影響

圖8為CMC-Na的加入量對pH影響曲線圖。

圖8 CMC-Na加入量對pH的影響

由圖8可以看出，隨著CMC-Na加入量的增多，涂料的pH有很小波動變化，總體維持在10.25左右，滿足涂料弱堿性的使用要求。由此可見，CMC-Na的加入量對涂料pH值并沒有太大的影響，在考慮到CMC-Na加入量時pH值可以不作為分析的因素。

3.9 CMC-Na對涂料密度的影響

圖9為CMC-Na的加入量對密度的影響曲線圖。

圖9 CMC-Na加入量對密度的影響

由圖9可以看出，隨著CMC-Na加入量的增加，涂料的密度增加，在加入量從0.3%增加到0.6%時，涂料的密度從1.173g/mL增長到1.209g/mL。涂料中CMC-Na的增加使得涂料中耐火骨料分布更加均勻，減少了脫離粘稠組織的耐火顆粒，所以會使涂料的密度增大。

4 結(jié)論

在石英粉涂料中，隨著CMC-Na加入量的增加，涂料的強度逐漸增大，在0.3%～0.5%之間較好；涂料的懸浮性在加入量為0.4%～0.6%之間較好，穩(wěn)定在100%左右；涂料的粘度逐漸增大，在加入量為0.4%～0.6%之間較好；涂料的滴淌性逐漸減小;涂料的PH穩(wěn)定在10.2左右，始終保持弱堿性；涂料的密度變化范圍也在合理范圍內(nèi)。綜合對上述幾種性能的分析，CMC-Na的加入量為0.5%時，涂料的綜合性能最好。