鑄造用砂芯粘結劑粘度研究及應用

馮月雪，李 娜，季 托，姜愛龍，陳海東

（1.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061；2.濰柴動力(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砂芯掉落、漂芯等問題，砂芯和砂芯的結合面間，需要用粘結劑進行粘結。目前常用的粘結劑根據材料特性和使用方式可分為兩種：一種粘結劑需要進行預加熱，使粘結劑熔融到一定溫度變為流動的粘性液體，涂覆到砂芯表面后溫度下降即產生粘結強度，即我們通常所說的熱熔膠，此過程需要通過熱熔膠機設備進行操作；另外一種粘結劑是在常溫進行涂抹，通過放置一段時間或加熱烘干產生粘結強度，此種粘結劑的涂覆方式，傳統上是采用人工涂覆，隨著工業化的發展，人們對自動化的需求越來越高，也逐漸出現了自動打膠設備[1]。

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

對于鑄造砂芯粘結劑材料，目前行業內還沒有形成一致的標準。根據查閱相關資料，考慮可以通過粘度來表征粘結劑流淌的穩定性。

粘度測量常用方法有毛細管法、落球法、旋轉法、振動法等[2]。其中，旋轉粘度法，因設備結構簡單、方便使用，是目前各種流體粘度測量中應用比較廣泛的一種方法。旋轉粘度計的正確應用，有許多需要關注的注意事項，如被測液體溫度、被測液體容器選擇、轉子轉速選擇、轉子進入液體深度等[3]。為了使鑄造用砂芯粘結劑材料更好的穩定應用，我們開展相關試驗，重點關注以上因素等對砂芯粘結劑粘度測試結果的影響，為粘結劑采用機器人自動涂覆的穩定應用提供借鑒和參考。

1 試驗內容

采用Fungilab 旋轉粘度計，對砂芯粘接劑材料的粘度進行測試，試驗內容如下：

（1）轉子選擇；

（2）操作方式對粘度的影響分析；

（3）轉速對粘度測試結果的影響分析；

（4）溫度對粘度測試結果的影響分析；

（5）粘結劑放置時間對粘度的影響分析。

1.1 轉子選擇

對于轉子的選擇，首先考慮的是測量量程，一般粘度計設備廠家均會提供轉子和量程的對應表，根據實際情況進行選擇即可，在此不做過多試驗和探索。除考慮量程外，另外需要關注的是所測量流體的狀態。

如圖1a 所示圓盤形轉子，其測試砂芯粘結劑后的狀態如圖1b 所示，砂芯粘結劑未能完全覆蓋住粘度計轉子，主要是由于轉子進入砂芯粘結劑時，在圓盤底部形成了較大的空腔，而由于砂芯粘結劑的流動性較差，在轉子旋轉過程中，空腔很難復原，最終影響粘度測量的準確性。因此在測量砂芯粘結劑時，應盡量避免選用圓盤形的轉子，而選用如圖1c 所示轉子，此時粘結劑材料在轉子上的附著狀態較好（如圖1d 所示），對粘度的測試也會相對穩定。

圖1 轉子形狀及材料附著狀態

1.2 操作方式對粘度的影響

在測量性能時，為確保測試數據準確性，通常我們會對同一樣品進行重復性測量，或多測試幾組數據取平均值。此時，樣品的處理方法對測試結果會有較大的影響，如表1 所示，有以下兩種對樣品的處理方式。

表1 試驗方法

經測試發現，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，表現不一，而且數值差異較大，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律比較一致，如圖2b 所示。分析原因，應該是由于連續試驗后，粘結劑的表層因裸露于空氣中而逐漸固化起皮，且轉子上粘附的樣品也逐漸固化，影響了轉子的轉動，從而影響了樣品的粘度數據的準確，如圖3 所示。

圖2 不同樣品處理方式的粘度變化

圖3 粘結劑表面起皮

因此，為保證樣品數據的一致性，后面試驗均以方法二的方式開展，即每次實驗前攪拌樣品、清洗轉子，以保證轉子的清潔以及樣品表面不產生固化起皮。

從圖2b 還看出，隨著時間的延長粘度呈不斷降低的趨勢。再延長時間至8min，粘度仍然持續降低，如圖4 所示。因此，在規定粘度要求時，需約定試驗截止時間，本文后續測試以300s 結束時間時的粘度作為粘度最終值。

圖4 粘度隨時間變化

粘度測量時，有很多的因素會影響到粘度測試結果，如轉子進入樣品的位置、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。此時需要注意：粘結劑樣品擠出置于燒杯中后，尤其是樣品比較粘稠時，需要用攪拌棒進行攪拌均勻，避免樣品不平以及空腔的存在影響檢測準確性；另外，粘結劑上平面需與轉子的刻度平齊，過高或過低，都會使測試的粘度值發生偏差，因此，除了樣品要盡量平整，還需要操作人員仔細觀察，使樣品盡量和刻度對齊。

為驗證測試數據的波動范圍，采用同一樣品、同一參數，嚴格按照以上試驗方法，進行重復性試驗：溫度20℃，轉速50r/min，以300s 結束時的粘度數據作為最終粘度值。共進行10 次測試，測試結果如表2 所示。

表2 粘度測試結果

由表中數據，測量的極差為940mPa·s。根據設備轉子（R7）和轉速（50r/min）選擇，設備在此設定下的量程80000mPa·s，設備的精度±1%，即±800mPa·s，測量的數據在可接受范圍內。

1.3 轉速對粘度的影響

設定不同的轉子轉速進行粘度測試，轉速（轉/min）分別為12，20，30，50，80，如圖所示，隨著轉子轉速增大，測試的粘度呈現降低趨勢，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 粘度隨轉子轉速變化

為研究溫度對砂芯粘結劑粘度的影響，特在不同溫度條件下進行粘度測試，測定轉速50r/min。為保證樣品溫度均勻，先將樣品放置在水域槽中進行預熱。如圖6 所示，隨著溫度的升高，旋轉粘度呈降低趨勢。由此數據，除了檢測時約定相同的溫度外，同時也提醒材料的生產商，要考慮溫度對粘度的影響，如針對冬季和夏季溫度不同，設計不同粘度配方的產品，以滿足客戶的實際使用需求。

圖6 溫度對粘度影響

1.5 樣品放置時間對粘度的影響分析

在砂芯粘結劑的使用過程中，發現生產出來的粘結劑狀態一致，但到用戶使用時，表現出的粘稠程度并不一樣，手工打膠時，影響還并不很大，采用機器人涂覆時，則有時會出現流淌，有時會出現膠線過細甚至堵塞噴頭的極端情況。對此情況，我們進行了分析，并開展了粘度測試：取同批次粘結劑，測試初始粘度后，分別放置8 天、16 天、24天、32 天、40 天后，再次測試粘結劑的粘度。

結果顯示，隨著粘結劑放置時間的延長，粘度逐漸增大。也正是因此，同批次的粘結劑，應用時反而呈現出了不同狀態。也就是說，在使用時，我們要關注初始粘結劑狀態，還要注意到粘結的放置時間，使粘結劑在比較適宜的粘度范圍內使用。

圖7 樣品放置時間對粘度的影響

2 結論

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

（1）旋轉粘度指標制定時，宜規定轉子、轉速、測試溫度、試驗結束時間等，選擇轉子時，不宜采用圓盤式轉子。

（2）旋轉粘度測量時，在每次試驗前應清洗轉子、攪拌樣品，樣品起皮時應去除表層樣品再繼續測量；同時注意樣品攪拌均勻、平整；轉子進入樣品時，轉子要與刻度平齊。

（3）砂芯粘結劑在機器人上應用時，要考慮環境溫度，如冬季夏季的差異，也要注意粘結劑的放置時間不宜過長。