（光学工程专业论文）半固态钢铁流变模锻涂料的研制.pdf

中文摘要 中文摘要 目前，有关半圆态合金熔体流变成形工艺的研究已经从低熔点合金转 向高熔点钢铁合金。但由于高熔点合金成形过程中浇铸温度较高，模具因 承受高温半固态钢铁浆料的热冲击，易出现塑性变形、热疲劳和熟熔蚀等 失效，模具使用寿命低，从而严重阻碍了半固态高熔点合金流变成形工艺 的深入研究。为了提高模具使用寿命，国内外学者从优化模具设计、强化 表面热处理、选择优良性能模具材料等方面进行了诸多研究，效果不甚理 想，而涂料作为提高模具使用寿命的有效措施之一，有关从配制水基耐高 温模具涂料方面来提高模具寿命的研究甚少。 本文从降低模具热冲击角度出发，通过设计专门的涂料配方、制备工 艺、涂敷工艺和实验方法，得到了适用于半固态高熔点合金流变成形的耐 高温水基涂料最佳配比及相应涂层厚度值，并对各成分含量和使用因素对 涂层耐高温性能的影响规律进行了比较系统的实验研究，同时提出了适用 于半固态高熔点合金流变模锻模具涂料性能的测试方法。 研究表明：锆英粉、水玻璃和锂基膨润土三者之问均有一定的交互性， 对于不同性能指标，各交互性影响不一样。对于烘干抗裂性指标，锂基膨 润土与锆英粉、水玻璃的之间交互作用对其性能影响较为显著；对于曝热 抗裂性和附着强度指标，水玻璃与锆英粉、锂基膨润土之间的交互作用对 其性能影响较为显著；而对于表面强度指标，水玻璃、锆英粉和锂基膨润 土三者之间的交互作用对其性能影响较小；当锆英粉：铝矾土：水玻璃： 锂基膨润土：淀粉：正丁醇为4 0 9 ：6 0 9 ：4 9 ：7 9 ：2 9 ：2 m l ，厚度为0 2 m m 时，涂层满足半固态钢铁流变模锻成形的烘干抗裂性、曝热抗裂性要求， 裂纹等级均为i 级，且具有较高的附着强度和表面强度。 基于半固态钢铁流变成形的特点，分别从充型压力、充型速度、浇料 高度、浆料组织四个方面对涂料性能的影响规律进行了单因素实验研究。 串交接瓣 研究表明：在保压时间和模具预热温廉相间的条件下，随漪充型速度的增 火，涂料使用性能下降；随着充型压力纳增大，涂料的使用性能没有显著 炎纯；面随着浇辩嬲度的增加，湿度奄麓度豹交互终用使键涂层对浆料数 辩熬；孛毒麓力先增焱嚣减弱，最往浇瓣蠢疫为7 0 0 5 0 嘲；涂嫠瓣蒸渖鬟 黼力对半固态与纯液态钢铁浆料没有驻辫区别。 大量实验研究袋明，该锆英粉铝矾土水基复合涂料的工梵性能和工作 饿能优良，满足使用簧求，能够大幅度提高半固态高熔点禽会漉变模锻模 爨豹嫠耀寿套。 关键词：流变成形，模其，涂睾辜，使掰髋髓 英文摘甍 a b s t r a c t a l 氇e p r e 辩n t 畦 n e ，倦e 趟麓越毽h e s8 b o 憾氆e 拍【e o l o 露e 舔f o 喇n gl e 曲癌q 戳 o fs e m i s o l 主dl 矬e t sc o 鼍l l db eu n d c f t a k l 趣纽n p l i 毡n c 。w i 也h i g h m e h i 攮g _ p o i n t a l l o y 觚ml o w m e l t i n g - p o i n ta l l o y ib u t 血ed i el i f cw a sr e d u c e do na c c o m to f p o l l l n gt e m p e f 燃t l 跫w 勰蕊g h e r 勤f | l 主g 睡i 强e 韬_ 珏争p o n ta l l o y 矗戚n gp f o c e s s i l 毽 1 k m a i n 髓l u 她f o 蹦文s n c h 船p l a s - cd e f o m 啦i o n ，t k m l a l 鼬i g u ec f a c ka n d l l l e 咖a la b l a t i o ne t c ，w e r ec a u s e db y 廿i e m l a ls h o c ko fs e m i - s o l i ds l u r r ya th i g h 绝| n p e 豫瞻r e ，越迸t h e 辩s e a r c h e sa b o 哦磕e 癫c o l o g c a ls t a 挺f o m l i n gt e c h 董l i q u eo f s e m b o l i dh i 癜恤e 蚰鹫p o i 墩蛆l o y 煳b l o c h d t op r o l o n g 娃把l 瑜o fd i e ， i n a n ys c h o l a f sa th o m e 锄da b m a dh a v ed o n eal o to fr e s e a r c h e s ，i n c l u d i n g s 拓e n 垂h e n i n gs u r f i a c eh e a t 抒l 捌畦l 甜l t o p 抽证z i n gd i ed e s i g na n dc h o o s i n g e c e l l e n 攫ei n 刚嚣五蘸sa l 通s oo n ，b 珏l 妊f e s u i 重sa 嘏n o ts oe 矮e c i v e 。a l 堪鑫so i 撩 o ft l l em e a s u r e st op r o i o n gd i el i 越血cr c s e a r c h e sa b o u t 、v a l 砧r - b a s ec o a t i n g r e s i s t i n gh i 曲t e m p e r 撒嘴h a v c n tb c e n 嘲o n e d 强糙珏馥d e s i 蛰i 鹣as 争c c i 蠢p f e s c 蠡舜o n ，黟瞪a 箍l i o n ，a 娃鸥t e 幽斌o g y a n de x p e r i m e n c a lm e t h o d s ，舭b e s tr a t i oa n dh o m o l o g o u sc o a t i n g 蝴c k n e s s a p p l i e di nt h er h e o l o g i c a l 南m 6 n go f m i s o i i da l l o y 谢mh i g k m e l t i i i 争p o i n t w 凇辨f o 掰a 砖籼越嘲搬勃陵c o 翻瞎羚蠡s l 撼gh i 麝 e 擞p e 触哦，勰d 糖e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t t o no n 舯p e n i e sr e s i s t i n gm g ht e m p e r a u r ea _ b o u t t l l e c o a t i n gw a sc a r r i e dt l i r o u g hb yt h en u m b e r s ，a n dm et e s t i n gm e m o d so f 印p i i e d 弧& c o 越鞋g 钕氆e 妇采。攀c a l 稻黜逸e fs e m i s o l 韬蕊l 螂弼佼 h i g h m e l t i n g p o i mw e r es y n c h r o n o u s l yb r o u g h tf o r v 旧m i th a v eb e e nc o l l | i r n l e d ，t h ei n n u e n c eo fi n t e r a c t i o na m o n gz i r c o np o 、v d e l w 毪t e r 茁a s s 赫dl i t h 沁m 南a s eb e “汝毽i n e 孵a 疆et oe v e f ye 印a b i l 廷y 髓瓣 i 娜艘墨c t i o nb e t w e e nj i t 艇m n 南a s eb c n o n i t e 勰d 五愆o np o w d e r ，w a t e rg l a s si s 英文摘要 n 龇曲kt o 虹尬糟s i 瓣m c et oa 醢n go f t 重i ec o a t m ga t5 0 0 ，a n di ti sr e m a 成a b l e 童。娃持f 麟i s 妇l c et o 嚣a 呔i l 培o f t 歉确ga t1 5 5 0 a n da 曲e s i ws 撤愈薯嫩 b 吐w e e nw a t e rg l a 船a i l dz m np o w d e r ，l i m i 嘲山a s eb e n t o i l i t e a n dt b e i n 齄糟e 重主。热b e 拽硐：燃1w a e 薹g 妇a i 避z i 戥：o 魏争瓣嚣嚣l 毯l 珏n * b 8 s eb e 她f 妇至s i n a p p a r c n tt os u r f a c es t r n g m t h ec o 妇gi ss a t i s f i e dw i 也也er e q u e s t r n e mo f s e 畦- l i ds 耙e l 妇鹾o g 糠萎凇主珏g 匆s 删n gw | 撼娃t h el 难。锄e n gz i f e o 堇l p d w d e r ，b a l l x i d e ，w a t e rg l 黼s ，l i t h i u m b a s eb e n t o n ，s t a r c ha n dn _ b u t m l o li s 4 0 9 ：6 0 9 ：4 9 ：7 9 ：2 9 ：2 甄l 稚畦璩c o a t i n g 馕i 蕊瑚s i s o 2 h 弧，a n d l h e r a t i n go ft h ec 翔幽n gi si a n dt a d l l e s i v es 订e n g t | ia n dm e s i l r f a c es t r e n g 王h o f 恤ec o a t i n gi sv e 秽g o o da tt l l i st i i n e b a s e do 珏氇ef e 8 琢eo fs e 稻i 一l 遗曲烈是c o l o 耄e 采勤秣i n g ，墩e 盎e 地礴 蝴i n g t h eu s i n g 伽c t i o n0 f t h ec o a t i n g ，s u c ha st h ep r e s s u r ea i l d 也es p e e do f m o 继- 蠡l l i 娃氇e | l e 遥瞌o f c a 蟠n 舀t 融搬i e s 啦王c t 翻罄o f s l 珏r 拶鑫n ds oo n ，w e f e s t u d i e db yt l l ee x p 硝m e n t s ，t | kr e s l l l ti st h a tt h eu s i n gp r o p e r t i e so f t h ec o a t i n g 戳d e c f e a s 醚w i t h 娃圮s p c 融。壬| m o l d 蠡l l i n gi n e f e a s eu n d e f 搬es 锄ec o n d i t o 耩 0 ft h et i m eo fk e e p i n gp r e s s u r ea n d 也el e l i l p e r a t u r eo fm o l d b u t 谢出l l e p r c s s u r eo fm o l d - n l l i r 培i 聪r e 硒e ，t i l ep m p e m e sl i a v eo nc h a n g e s a tf i r s t ，t 量摊 幽l 毋o f 嬲i s i n gi m p a c 如no f b a 圭i n g 抛s l u 珂趣s 妇n g t h e n e d8 珏d 吐l e 珏 w e a k e n e db e c a u s eo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt e m p c r a t l j r ea i l dh e i 曲t ，v 【l l eb e s t 沁i g 聚o fc a 蘸i 罄i s 彳娅5 舀琏鼹，a 稚氇e 溅l 跨醴糟s i s 圭i 醒f l u s h i 鳟o f 妇 c o a t i n gh a s n oc h a n g e st oi i q u i d 柚ds e m i - s o l i ds l u r r y hi ss a f et od r 8 wt h ee o n c l u s i a n 讯a tt h et e c l 轮l o g ya f 迸w o r k i n g p r o p c n i e so f h ec o a t 如ga r ee x c e i l e n ta n di t i ss a t i s f i c d 埘t ht h eu s i n g r e q u e s t m e n t ，a n dt h ed i el i 您c o u l db ec o n s u f n e d l yp r o l o n g e d k 搿踟一s ：f h i o g i e a lf o 艄i n g ，d 氓c o a 珏n 接举f f o 黜鞠c e 北京交通大学硕士学位徽y8 8 0 j0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文燕我个人夜导师指导下进行的研究工 嚣及墩褥豹磷突成果。器本天爨箱，臻了文枣特裂热淡振注亵致落豹逮 方外，论文中不包含其他人已经发液或撰写过的研究成果，也不包含为 获褥憩寨交通大学或其饿教学枫构嬲学位或涯书瑟使瘸过载专辛料。与我 一起疋作的同恚对本研究所做的任何贡献已谯论文中侔了明确的说明并 表示了谢意。 本人签名：盘垂翌多 日期：2 亟i 月立日 第一章绪论 第一章绪论 钢铁材料成形因其液相线温度高而一般采用传统砂型铸造方法，郎 重力铸造，其铸件因力学性能低、表面精度差、生产效率低等缺点难以满 足轨道机车、汽车、电子等领域日益发展要求。但在介于液相线与固相线 温度( 半固态) 之间进行流变加压成形无论在产品质量还是在产品生产率 上都体现出了极大的优势。半固态流变挤压成形，即流变模锻，作为一种 材料成形新工艺，经过3 0 多年发展后，其低熔点合金成形已经步入推广 应用阶段，对于其高熔点合金钢铁材料的流变成形，亦越来越受到人 们的重视，并己进行了诸多方面的实质性研究。 砂型铸造经过几于年的研究发展已作为很成熟的钢铁材料加工技术 应用到工业生产中，而半固态钢铁流变模锻作为正在崛起的成形技术还存 在一些尚未解决的难题。由于高熔点合金制铁材料较低熔点合金成形 温度高，模具使用寿命低是严重制约半同态钢铁流变模锻技术发展的关键 问题所在。因此，基于提高半固态钢铁流变锻模使用寿命的措施之一，研 制适用于半固态钢铁流变模锻成形的高温涂料，对提高模具使用寿命和锻 什产品质量开发新型模具涂料，推广半固态技术在钢铁材料成形方面的 应用都具有重要学术和实践指导意义。 1 1 半固态钢铁流变模锻成形简介 半固态成形s 肝是由美国麻省理工学院的m c f l e m i n g s 教授等于2 0 世纪7 0 年代初提出的新一代材料加工技术i l i 。其成形工艺可分为流变成 形( r h e o f o n n i n g ) 和触变成形( t h i x o f o m i n ) 两大类，前者是在金属从 液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，在一定的液固比下压铸成形或流变 成形；后者是将由搅动模锻制备的锭坯重新加热到半固态进行压铸成形或 流变成形。目前，国外一般采用的足触变成形技术p l 。所有这些技术针对 的对象主要是低熔点有色金属及其合金，并且其最终成形产品是铸件，阿 的对象主要是低熔点有色金属及其合金，并且其最终成形产品是铸件，而 第一章绪论 将半固态流变成形技术用于高熔点钢铁材料的研究也早已开展。 所谓半固态钢铁流变模锻，又称半固态钢铁挤压铸造，是指半固态 钢铁合金熔体在一定压力作用下依靠自身特有的流变特性，依次通过直浇 道、横浇道和内浇道，逐步充填模具型腔，并在保压条件下快速凝固成形 而获得铸件的一种钢铁材料成形新工艺，是介于固态成形和液态成形两种 工艺之间的一种崭新工艺，集中了它们的优点，是当前研制开发制造优质 钢铁零部件的一种新工艺。根据钢铁合金熔体与压头运动的相对方向不 同，可以将半固态钢铁合金熔体流变模锻充型过程分为正向充型和反向充 型，前者压头运动与储料腔中的熔体运动方向相同，后者压头运动与储料 腔中的熔体运动方向相反【3 j ，如图1 1 所示。 删怖 f 删 a j i 允，性 bj 州q 龟啭 捧t 扎 1 抖 山浇j n j ：窀 图1 1 半固态钢铁合金熔体充型过程示意图 半固态钢铁流变模锻成形是伴随着半固态成形技术应用领域的不断 扩大而发展起来的。随着轨道机车、汽车等领域对其零部件性能要求的不 断提高，市场经济竞争环境条件下对生产效率要求的不断提高，采用传统 砂型铸造生产钢铁零部件日益显得难以满足发展要求。又由于钢铁材料的 熔点比较高而使得采用纯液态模锻来生产其成形件受到制约，作为介于液 态成形和固态成形两种工艺之间的一种材料成形新技术半固态流变 成形技术，由于其成形温度介于液固相之间，比钢铁材料的液相线温度低， 第一章绪谂 使得采用该工艺来嫩产优质钢铁零部件成为可能。国内外大嫩实验研究表 明：采用半固态钢铁流变模锻成形技术嫩产钢铁零部件，具肖究型质量高、 孙缩效累好，产品缀级致密、均匀，力学性能优良等一系列优点1 4 j ，镬可 熊成为了现实。 1 1 1 半固态钢铁流变模锻特点 半固态钢铁流燮模锻成形与传统钢铁砂型铸造成形方法的最大差异 遐：零譬 盛形是在警液半固两相状态下灏压进行豹。成形常用比压为 1 8 0 l s 0 甄恕，速度麓l 务0 隧s ，缳嚣辩蠲一般隽5 一l s s 。隧既，半霾态 钢铁流变模锻与传绕眇型钢铁铸造相比，有如下特点f 5 _ 1 1 l ： ( 1 ) 半固态钢铁浆料的初生晶粒细、凝固收缩小、成分均匀，不存 在偏析。 ( 2 ) 韧生露稳羧近球获，变形抗力黢著簿羝、残形栽糕低，藏形设 备可以小型纯。 ( 3 ) 半固态浆料温度较低，部分凝围潜热已释放，成形设备的热作 用被减小，相对提高了设备的使用寿命。 1 7 2 宰1 0 嘈0 + 3 6 6 7 耪 2 8 镁 砂m 9 0碱性2 0 0 01 3 5 半1 0 喝0 3 8 5 4 粉 石 焚s i 0 2酸性 1 5 0 0 3 0 耪 l ? o o4 3 章l o 啮 o 0 2 9 豳 纛 a lz 砺 中性 2 0 0 0 5 3 木1 0 前o 0 1 2 6 粉 锆 英z r 0 2 s i o 。弱酸性 1 6 5 05 1 亦l o 啼o 0 0 5 耪 键 矾 口一a l 。o 。秘 弱酸性 1 8 0 0 5 术l o 喵o o i 0 8 3 a l 。o ，2 s i 如 土 其中，a 为骨料的线膨胀系数( 1 ) 是在2 0 l o o o 时得到的； a 为骨料簌1 2 0 0 时的导热系数( 4 1 8 j c m s ) 。 1 ) 石墨 石墨作为使用时间最长、使用量最大的耐火骨料之一，矮有良好的 耐高温性能和良好的热化学稳定性，并兼有润滑作用。但石爨的主要成分 怒固定碳，在高温条件下极易固溶于半固态钢铁浆料之中，即出现渗碳现 象嚣袭交镪豹残爨，爨英在氧纯毪气氛中嚣重火凄较差：另一方嚣蠢墨其有 第= 攀涂辩錾元夔确定及懿罄、涂敷工艺研究 良好的导熟性，起不刹相应的绝热作用。因此，石墨不适食用于做半固态 钢铁流变模锻涂料的耐火骨料。 ( 2 ) 镁砂粉 镁砂耪豹圭耍娥分蹩镕9 0 ，是枣菱镁矿石( 疆茹逸) 在惑滤 6 蕊、s i 氇 3 锚、l i 逸 & 锚、鹣疵 8 5 鬟、 a l z 0 3 o 3 。 ( 2 ) 粒度：9 5 过2 7 0 目，其余过2 0 0 目。 综合以上分析可知：铝矾土和锆英粉两者耐火度高、商瀛线膨胀系数 小、导蒸系数参，戆鞑藤掌强嚣灾蛋糕审终半嚣态钢铁浚交揆锻涂麓熬囊| 火臀料最为合适的逸撵。有研究表明：单一耐火骨辩由于熔点离，烧结温 殿高，在钢铁浆料浇注高温下烧结能力麓，而由熔点备异的耐火骨料组成 的复合骨料其熔点降低，且开始烧结的濑度也降低，如果选撵合适的复合 嚣辩帮配毙，裁可戆使其在钢铁浆料浇淀温度下产生一定豹烧结，扶纛握 淼涂层兹高温健簸。嚣蓊沈阳工监大学融进行锆英粉、稼剐罴复合醇基涂 料的研制，涂料的最黼适用温度可达1 3 5 0 ，为进一步提高涂料涂层的高 瀛性能，开发复合骨料的水基涂料将是最大可能的突破口。因此，本论文 中选择一定配比的锯英耪和铝矾复合嚣料作为半固态钢铁流变摸锻涂 糕豹蘩火嚣餐。 2 1 2 粘结剂的选撵 研究表明：较低温度成形涂料中有机粘结剂和无机粘结剂的配合使用 效果较好，前者提供较高的常温强度，即程涂挂时就发挥粘台力靼酣着力， 傻涂辩易手涂敷在壤矮表錾；嚣者甏褒蠢滚下提貘一定瓣焱瘦，瑟在毫漫 时发挥其强度作用，馒涂层在高温条件下有良好的抗开裂憔熊、附着性能、 耐冲刷性能，进而降低高温成形浆料对模具的热损伤。对商灞成形半 阉态钢铁流变模锻成形而言，其重要特点之一就是高温性，从而要求其模 矮涂秘其嘉良努懿褒滠强凄。毽袁瓠皴绩裁一般为毫分予聚合物，在? 0 0 第二章涂料组元的确定及制各、涂敷工艺研究 左右就发生分解产生大量气体，对涂层的高温附着强度产生较强的破坏 作用，因此，对半固态钢铁流变模锻而言，其涂料应选择无机粘结剂，从 而保证其涂层较高的热稳定性和较低的发气性。由于其耐火骨料为锆英粉 和铝矾土的混合物，呈弱酸性，从而要求呈酸性的无机粘结剂作为其涂料 的粘结剂，因为酸性涂层与碱性粘结剂在高温时会发生共熔现象，对涂层 具有极大的破坏作用。 水玻璃因成本低廉又能满足一般金属成形要求，是金属模具涂料中最 为常用的无机粘结剂，常温下呈碱性，但其水解液在高温下形成s i 鹏，呈 酸性。研究表明：随着温度的升高，水玻璃涂层附着强度开始增加，当温 度升至4 0 0 5 0 0 时水玻璃涂层附着强度开始降低，可能是硅凝胶因失水 而产生开裂；温度继续升高，凝胶烧结，强度又继续升高，6 0 0 时凝胶 熔化，附着强度又转低，9 0 0 1 0 0 0 时强度降至最低，而当温度高于l o o o ，水玻璃涂层强度是否会增加而出现第三个蜂值未知1 5 5 - 5 6 1 。经过大量预 实验表明：水玻璃涂层在温度高于l o o o 时，其强度是否满足要求与涂料 的配方、配比、制备工艺、涂敷工艺有关，且水玻璃的粘结强度随着模数 的增加而降低。因而本论文实验中选用模数为2 2 5 的水玻璃，通过实验 探寻满足半固态钢铁流变模锻成形条件的水玻璃涂层配方，配比，制备工 艺、涂敷工艺，其技术指标如表2 4 所示。 表2 4 水玻璃的技术指标 密度s i 如n a q模数 f e水不溶 牌号 g c m m物 z s 一i 5 0 2 2 o 8 2 51 5 62 9 21 2 82 5o 0 5 2 1 3 悬浮剂的选择 由于锆英粉、铝矾土密度较大，配好的涂料静置时极易出现分层或沉 降，使涂料内部组织不均匀，从而影响涂料的涂挂性、滴淌性，进而影响 涂层的高温性能。为了保证涂层的高温强度，必须提高涂料的抗分层或沉 笛 第二章涂料组元的确定及制备、涂敷工艺研究 降能力。目前，常用的悬浮剂种类繁多，如有机膨润土、无机膨润土、c m c 、 p v a 、有机酸盐等。由于半固态钢铁流变模锻涂料的工作温度约1 5 1 0 ， 对涂层的耐高温性能要求高，为保证涂层这一工作要求，应选择高温不易 分解，发气量低的无机悬浮剂作为半固态钢铁流变模锻涂料的悬浮剂。因 此，选择无机膨润土作为其悬浮剂。 膨润士是水基涂料中最常用的悬浮剂，其性能主要决定于蒙脱石的特 性。蒙脱石理论组成成分是s i 0 2 6 6 7 ，a 1 ：0 3 2 8 3 ，属于羟基组成的结构 水占5 ，晶胞有2 个s i o 四面体层夹着1 个a 1 _ 0 八面体层组成，晶层之间靠 反向的2 个s i _ o 四面体层之间的范德华力联系在一起，形成片状重叠的平 行排列结构。一般天然膨润土有1 5 2 0 个晶层叠加在一起，组成蒙脱石朐 颗粒。由于蒙脱石的特殊组成和结构，再加上膨润土在成岩过程中由晶格 置换连同内部的补偿置换、破键产生离子吸附，晶格离解而造成电荷不平 衡，使蒙脱石具有负电性，具有吸附可交换阳离子和极性分子的能力。因 此，根据吸附阳离子的不同，膨润土分为钠基膨润土、钙基膨润土、锂基 膨润土。研究表明：锂基膨润土颗粒在水溶液中分散性好，使耐火骨料均 匀分布于载液中。由于l ，半径较c a 2 + 半径小，使涂料的涂刷性能较钙基、 钠基膨润土好，涂层表面经高温烧结后，表面光洁、平整：太原矿山机器 厂的贾永泽工程师将醇基锆英粉涂料涂敷在水玻璃砂试样上，于1 6 8 0 钢水中进行实验，2 0 s 后未出现裂纹、烧结熔融和浸蚀等缺陷1 5 ”。因此， 本论文中选择锂基膨润土作为半固态钢铁流变模锻涂料的悬浮剂。 2 1 4 载液 载液的作用是“溶解”悬浮剂、粘结剂，使耐火骨料等涂料各组元均 匀地分散于其中，并形成具有一定粘度和流变性的混合物，其性质将直接 影响到涂料的工艺性质。目前使用的载液有醇类和水两种。醇类有甲醇( 有 毒) 、乙醇、异丙醇等，尽管醇基涂料可点火干燥、适用方便，但是其价 第二章涂科组元的确定及制各、涂敷工艺研究 格高、有着火及爆炸危险、运输困难，且使用性能尚有待改进，尤其是醇 基涂料的高温稳定性差、发气量大，对涂层的高温强度具有破坏性。而水 基涂料可以获得较好的悬浮性、涂刷性、流变性等，且价格低廉、安全可 靠、性能稳定、绿色无污染【5 钔。因此，本论文实验中选择p h 值为7 的自来 水作为半固态钢铁流变模锻涂料的载液。 2 1 5 消泡剂、辅助粘结剂 为了进一步优化涂料的工艺性能，继而提高涂料的高温性能，结合所 选择的耐火骨料、粘结剂、悬浮剂及载液，及预实验中所出现的现象，涂 料中加入了少许淀粉、正丁醇。淀粉的胶体溶液可用作涂料的辅助粘结剂， 且它对碱性的锂基膨润士悬浮剂能较好的适应：能进一步使涂料均匀化； 而正丁醇因其碳链较短，不形成薄膜，并能将涂料中原来产生的泡沫顶替 出来，从而降低泡沫内部的表面张力而将气泡消除，因而选其做涂料的消 泡剂。 2 2 涂料制备工艺 涂料的制备方法一般有直接搅拌法、预制膏法和搅拌一胶体磨法1 5 9 】， 根据实验室现有的条件和半固态钢铁流变模锻成形对涂料性能的要求，实 验中采取直接搅拌法，具体制备工艺顺序如图2 1 所示。 实验中涂料的具体制备过程为： 将水玻璃加入到5 0 以上的适量热水中搅拌均匀； 往水玻璃水溶液中加入两天前已浸泡的锂基膨润土，并尽可能使 其均匀分布于溶液中； 将一定配比的锆英粉、铝矾土耐火骨料加入上述锂基膨润土的悬 浮液中，并用玻璃棒进行适当周向搅拌，使耐火骨料均匀分布于其中； 将淀粉加入上述所得混合料中，并进行搅拌均匀，然后继续加入 少许正丁醇，消除涂料中的气泡，静止l 小时后即可得可用料。 2 7 第二章涂科组元的确定及利备、涂敷工艺研究 甲甲固单 圈2 1 涂辩铡备工艺j 鼷序图 2 3 涂料涂敷工艺 涂料涂敷方法主要裔瓣、喷、没，且葡种涂辩用喷和届所获得的涂 层质嫩也不相同。由于水基涂料的密度较小，喷涂成雾状，涂层厚度均匀， 滚滴谯侥瘫。黧诧，穰掇睾固态钢铁流变模锻涂料翡特患及其j c 季涂辩静性 能要求，实验中采取空气喷涂法。 实验逑程审，嚷涂涂辩舞兹，疲起模爨黧蕴等缕涂( 或涂敷) 部位进 行预热，以保证能在其表面形成一定厚度的热障涂层。该预热温魔与涂料 豹热物理疆援密切楣关，淤疫过 氐将导致涂辩黩瑰漉溺嚣囔涂不主，霆2 。2 所示；温度过搿，将导致涂料载液( 水) 快遽蒸发而使涂层产生气泡，图 2 。3 赝示，气泡将在成形过程中破裂嚣健涂屡绝热性能下降，并艇气泡破 裂处将出现应力集中，导致气泡破裂处周围出现微裂纹，该微裂绞在高温 半圆悫钢铁浆料的冲刷及成形比压等诸多因裘的共同作用下，将成为裂纹 源丽迅速扩展成裂纹，从前导致涂瓣失效。 图2 2 涂料流淌图2 3 涂层起泡 第二章涂料组元的确定及制各、涂敷工艺研究 依据大量初步预实验，锆英粉、铝矾土复合骨料水基涂料的喷涂预热 温度在1 0 0 1 5 0 之间。因此，采用空气喷涂法分别在1 1 0 、1 2 0 、1 3 0 、1 4 0 进行实验，如图2 4 所示，得出最适宜喷涂温度为1 3 0 。 a 喷涂温度为“0 b 喷涂温度为1 2 0 c 喷涂温度为1 3 0 d 喷涂温度为1 4 0 图2 4 不同喷涂温度下所得涂层相片 2 4 本章小结 通过对目前常用模具涂料各组元性能及制备、涂敷工艺的分析，主要 得到如下结论： 1 ) 半固态钢铁流变模锻涂料的组成和一般模具涂料的组成一样，主 要有耐火骨料、粘结剂、悬浮剂、载液和辅助料几大部分组成，且各成分 在涂层中所起的作用亦与一般模具涂料的一致。说明半固态钢铁流变模锻 涂料只是性能要求上与一般模具涂料不同，尤其是高温性能。通过分析得 出其配方的主要组成为：锆英粉、铝矾土、水玻璃、锂基膨润土及淀粉、 第二章涂料组元的确定及制备、涂敷工艺研究 正丁醇。 2 ) 采用直接搅拌法制备该配方涂料，采取空气喷涂法涂敷该配方涂 料，最适宜喷涂温度为1 3 0 。 3 0 第逆章半闽态钢铁流变横锻涂科性能的研究 第兰章半豳态钢铁流变模锻涂料性能的研究 奁确定拳萄态锱铁流交模锻涂辩配方、铡备工艺、涂敷正艺詹，为获 襻满足该流变模锻成形技术要求鲍涂层强度，进行正交实验以得到满足要 求的该涂料配方的配比，并对涂屡的各影响因綮进行分析研究，为半固态 帮l 铁流变模锻涂辩的拜发葵定瑾论基碲，亦为复合雷耩东基涂料的湃发及 工业饯应秀l 提供理论攒导。 3 1 实验方案设计 缀过大爨初步预实验，确定了影响涂料性能的主嚣因素。根据经验， 涂屡零发一般在o 2 0 ? 黼之闯，太厚或者过漭对涂缮高温健蕤均骞受蘸 影响：糙结剩质量分数在2 9 9 6 之间，悬浮剂旗量分数茬2 8 之间，载 液水为适量。因此，选择涂料的器组元的水平如表3 1 所示。 表3 1 正交 受诗因子承平表 因素镰英羚如求玻璃魔锂基膨斓臆厚度摊m 、 旅尹abcd l4 043 o 2 25 065 o 4 3 6 0870 6 注：锆英粉+ 铝矾土= 1 0 0 9 ，其它组分为锆英粉与锅矾土总量的酉分比。 出予半鼹悫锾镶滚交攘锻成澎过程中，模獒垄整袭嚣涂袋主要承受褰 温半圆态钢铁浆料的热冲击，为了降低浆料对模具的热损伤，提高模具使 掰寿命，就要求模兵型腔表面涂屡具有良好的绝热作用，也就要求涂层具 有蠹努瓣撬开袈性麓释纛| 热滓捌羧瑟。瓣魏，逸磊貘于抗裂挂、瀑热菝裂 性、附游强度、表面强度作为涂料是否满足要求的考察指标。采用l 钟( 3 廿) 正交表进行磁交实验设计，实验方案如表3 2 所示。 u 曲 ，、 一 是 e 暑援g oq 吨粤 oo o vvu 一 r 4n u 越 o u u 盏 咎警 ：0 hn 联 撩段繇冰矗僻 妖舔害镒趟龚爨鞯辎制猎器精瞧哥瓣躲 。瓣旱簧-蕊蘩_l悄昌n窭嚣嚣露导嫌恹拳球l羚。翅 苦 3 孵 妖摩显箍掣婪嚣举醛粼蜡蟮器谗瞳势册较 第三章拳固态钢铁藏变模锻涂料性能的研究 3 2 实验方法和条件 3 2 。薹撬裂憾实验方法租条舞 对半固态钢铁流变模锻涂料而言，具有良好的高濑抗裂性能炬其区别 予一般涂瓣熬囊要标恚，獒葑琢毽楚舞发裹滋拳薹涂秘藏凌与委熬重要豹 标志。因此，先进行抗裂性实验，依据实验：i 蹬程中涂艨表面出现的裂纹等 级分嬲进行努分，i 级裂纹兔8 分，l l 级裂纹为5 分，戮级裂纹为3 分； 依据实验窒现有条件，经过一系列准备( 包括涂料的制备、实验仪 器的调试、喷涂工具的猴餐等) 詹，进行抗凝性实验，具体方法翔下： ( 1 ) 开扇电阻炉和中频感应炉，并设鬣电阻炉温控温度为5 ， 进行升温，期间进行下列操作。 ( 2 ) 取啦5 0 木5 0 的钢质匮稳试样彳乍基体( 蚕3 1 ) ，将其亵糙预热 至约1 3 0 ( 用红外线感应测温仪实时监测) 。 ( 3 ) 逶避蕴力嚷稔褥涂辩嚷涂在已预热爨柱试稀淡嚣，荠予不同餐 置用测厚规实时测量试样表面涂层厚度，以使涂层厚度满足各方案要求。 4 ) 将上述嚣拄试撵教入瀑发为5 0 0 熬电阻妒孛进行烘烤( 注意 放入过程要轻，以免对试样表面涂层造成损伤) 。 b 术c a 托 a = 斛b b 曝热抗裂性：c b = a 木b a b 木c d = a 牝 附着强度： a b 掌c a 掌b c a 术c d b 表面强度： a b = c a 牦 b 牝 d a 丰b 对于烘干抗裂性，主要影响因素是c 和d ，但是交互作用b c 、a c 和胖b 对其也有很大影响，为此分别列出因素a 、b 、c 的水平搭配表 表3 5 是因素b 、c 的水平搭配表。 表3 5 因素b 、c 的水平搭配表 c 1c 2c 3 b le 1 1 = 1 8e 1 2 = 1 8e 1 3 = 2 4 b 2e 2 l = 2 le 2 2 = 1 8e 2 3 = 2 1 b 3e 3 l = 1 8e 3 2 = 2 1e 3 3 = 2 1 根据正交表的综合可比性，对于烘干抗裂性，表3 5 中最大值所对 应的水平搭配就是因素b 、c 的最优水平搭配，即最好搭配是b l c 3 a 同理，表3 6 是因素a 、c 的水平搭配表。 表3 6 因素a 、c 的水平搭配表 c i c 2c 3 a 1e l l = 2 1e 1 2 ：2 1e 1 3 = 2 1 a 2e 2 1 = 1 8e ，# 1 8e 2 3 = 2 4 a 3e 3 1 = 1 8e 3 2 = 1 8e 3 3 = 2 1 表3 6 中最大值所对应的水平搭配表就是因素a 、c 的最优水平搭配， 4 l 第三章半固态钢铁流变模锻涂科性能的研究 即最好搭配是a 如。 同理，表3 7 是因素a 、b 的水平搭配表。 表3 7 因素a 、b 的水平搭配表 b 1b 2b 3 a le l l = 2 le 1 2 - 2 1e 1 3 = 2 1 a 2e 2 1 = 2 1e 笠= 1 8e 2 3 = 2 1 a 3e 3 l = 1 8e 3 2 = 2 1e 3 3 = 1 8 表3 7 中最大值所对应的水平搭配表就是因素b 、c 的最优水平搭 配，由表可见，可选择的水平有六组均符合。 结合前面的分析及d 因素的极差可知，考虑交互作用时，各因素对 烘干抗裂性指标的最优搭配为a 2 b l c 3 d l 。 根据正交实验分析结果，以涂层烘干抗裂性为纵坐标，因素、水平 为横坐标，作出其关系图，如图3 5 所示。 图3 5 烘干抗裂性与因素水平的关系 由图3 5 可知：涂层烘干抗裂性随着锆英粉含量的增加逐渐减弱， 随着水玻璃、锂基膨润土含量的增加先增强后减弱，而随着涂层厚度的增 加逐渐减弱。 第童章半固态锾羲蠢交摸镶涂辩性雏懿臻究 对于曝热抗裂性，主要影响因素怒c 、b ，但是交互作用a 牢b 、b 牦 对其也有一定的影响，为此分别列出其水平搭配表。表3 8 怒a 术b 的水平 搂配表。 袭3 。8 因素磊、器戆零乎搭配表 b lb 2瞰 a le l l = 2 1e 1 黔1 8e 1 3 - 9 a 2勤l = 1 8l 渤= 1 6l b = 1 8 恕e 3 i = l 寒e 3 2 观le 3 3 = 1 8 根据正交表的综合可比性，对于曝热抗裂性，表3 8 中最大值所对 威的水平搭配就是因索b 、c 的最优水平搭配，即最好搭配怒a l b l 或a 3 8 2 。 阉瑾，表3 9 怒因素8 、e 豹水平搭瓣表。 表3 拿因素8 、e 懿承平搭配表 c 1c 2c 3 b le 1 1 = 2 1e 1 2 茹2 1e 1 3 = 1 5 3 2嚣2 l = 2 le 麓= 艇e b = 1 3 b 3e 3 产1 3琢2 = 1 9e 沁= l l 表3 9 中最大值所对应的水平搭配畿就是因素b 、c 的聚优水平搭 配，由表可见，可选择的水平有四组均符合。 结合藤西豹分瓣及d 嚣素豹强差可知，考瘩交互终用瓣，各因素对 隧燕抗裂毪捂标豹矮优搭配鸯a 1 8 l c 2 d l 。 根据正交实验分析结果，以涂层曝热抗裂性为纵坐标，因素、水平 为横坐标，作出篡关系图，如图3 6 所示。 第三章半固态钢铁流变模锻涂料性能的研究 图3 6 曝热抗裂性与因素水平的关系 由图3 6 霹躲：涂滋瀑热获袋程陡着随簧锫荚矜禽鲞熬壤熬遴渐减 弱，随着水玻璃含量的先增强后减弱，随着锼基膨润土量的增加先增强 嚣减弱，睫着涂瑟霉疫翦壤麓逐溪城弱，与链葵粉、瘩玻璃、铿蒸膨澜主、 涂屡厚度对涂层曝热抗裂性的影响岛烘干抗裂性一致。 对于瓣蓦强度，主鬻影璃因素楚a ，毽怒交互作躅8 宰c 、矗蝴对其也 有很大影响，为此分别列出因素b $ c 、胁b 的水平搭配袭。表3 1 0 是因素 b 、c 的水平搭怒表。 表3 1 0 因索b 、e 的承平搭配表 c lc 2c 3 b ie l l = 2 0 ( ) oe 1 2 = 2 0 5 0e 1 3 = 1 6 5 0 b 2e 2 l ；1 7 5 0嚣2 2 = 2 l e = 1 8 5 0 b 3e 3 1 = 1 5 0 0e 3 2 = 1 9 0 0e 3 3 = 2 0 5 0 攘据歪交滚爨综台霹魄整，对于曝热撬裂缝，表3 1 0 中最大毽瘊对 应的水平搭配就是因素b 、c 的最优水平搭配，即最好搭配是b 2 c 2 。 嗣理，表3 1 l 是因素a 、b 静水平搭配褒。 第三章半固态钢铁流变模锻涂料性能的研究 表3 1 l 因素a 、b 的水平搭配表 b 1b 2b 3 a le 1 l = 1 8 5 0e 1 2 = 1 7 5 0e 1 3 = 1 6 5 0 a 2e 2 l = 2 0 6 0e 2 2 = 1 9 0 0e 2 3 = 1 7 0 0 a 3e 3 l = 1 8 0 0e 3 2 = 2 0 5 0e 3 3 = 2 1 0 0 表3 1 l 中最大值所对应的水平搭配表就是因素a 、b 的最优水平搭 配，即最好搭配是a 3 c 3 结合前面的分析及d 因素的极差可知，考虑交互作用时，各因素对 附着强度指标的最优搭配为a 2 b 如d l 。 根据正交实验分析结果，以涂层附着强度为纵坐标，因素、水平为 横坐标，作出其关系图，如图3 7 所示。 图3 7 附着强度与因素水平的关系 由图3 7 可知，对涂层附着强度影响最大的是a 因素，其次是c 因 素。涂层附着强度随着锆英粉含量的增加先增强后减弱，随着水玻璃含量 的增加逐渐增强，随着锂基膨润土含量的增加先增强后减弱，随着涂层厚 度的增加逐渐减弱。 对于表面强度，主要影响因素是a 、b 、c ，交互作用b 丰c 、a c 和a 丰b 蘩激牵半固态镪铗滚嶷浚鼷涂料挂能的蘸究 影响较小。为得到涂滕表面强度随各因索的变化规律，根据疆交实验分析 结果，以涂层表面强度为纵坐标，因索、水平为横坐标，作出其关系图， 如图3 8 所示。 图3 8 表面强度与因豢水平的关系 麦蛰3 。8 可知：涂崖表瑟强疫夔蘩镶荚葭含量熬瓒熬逐溪减弱，睫 辫承玻璃、锂基膨澜j 二含量的增加先减弱艋增强，随着涂层浮瘦豹增加逐 渐减弱。为保证涂朦的表面强度，最传组合为a l b 3 c 3 d 1 。 综上所述，错荚粉、水玻璃和锂基膨润土之间均有一定的交互性， 瓣予不同的性驻指标，番交互性静影响不一撵，冬因素永平豹最徒搭配也 不群，分剐翔下： 检测指标最优搭配 烘干抗裂性： a 2 b l c 3 d l 曝热抗裂燃：a l b l e 2 d 1 残羞强度：矗2 8 2