烧结涂料研究.doc

收稿日期:2006-06-27;修订日期:2006-08-01作者简介:冯胜山(1965-),湖北省麻城市人,研究员.主要从事铸造材料和环境工程材料的研究与开发.Email:Vol.27 No.10Oct.2006铸造技术FOUNDRY TECHNOLOGY烧结剥离型醇基浅色铸铁涂料的研究与应用冯胜山1,尹丽杰2(1.湖北工业大学机电研究设计院,湖北武汉430070;2.黑龙江省大庆吉远化工科技有限公司,黑龙江大庆163316)摘要:烧结剥离型醇基浅色铸铁涂料由耐火粉料、剥离助剂、专用复合粘结剂、溶剂和获国家专利的复合分散悬浮剂组成,介绍了其生产工艺、性能特点和应用实例。该涂料的主要性能达到了国内同类产品先进水平。生产实践表明,该涂料烧结剥离性好,生产的铸铁产品表面光洁,无粘砂、气孔等缺陷。关键词:醇基涂料;浅色涂料;铸铁中图分类号:TG221文献标识码:A文章编号:1000-8365(2006)10-1075-04Investigation and Application of New Light-color Alcohol-basedSinter-Stripping Coating for Casting IronFENG Sheng-shan1,YIN Li-jie2(1.Research & Design Institute of Mechanical & Electronic Engineering, Hubei University of Technology Wuhan430070, China;2.Da Qing Ji Yuan Chemical Technology Co., Ltd, Daqing 163316, China)Abstract:A new light color alcohol-based sinter-stripping coating for casting iron consists orefractory powder, stripping solvent, special compound adhesives, solvent and complex dispersedsuspension agent with national patent. The producing technology, properties and application areintroduced in this paper. The main properties of the new coating can reach the advanced level of thesame kind of products. The practices show that the coatinghas a good sinter-stripping characteristic,and the iron casting has smooth surface withoutdefects such as burning-on and blow hole.Key words:Alcohol-based coating;Light-color coating; Casting iron目前,铸铁涂料一般以微晶石墨粉和鳞片石墨粉为基本耐火材料。石墨粉耐火度高,价格低,在浇注温度下能析出光亮碳,从而在涂料表面形成一层保护膜,能降低铁液对铸型的润湿能力,有效防止由金属渗透产生的粘砂缺陷。但是,黑色的石墨粉涂料在制备和使用时,严重污染工作环境;石墨粉在高温铁液作用下还会氧化,使涂层强度和抗铁液冲刷能力降低,导致厚大型铸铁件的抗粘砂效果不良;石墨粉涂料与呋喃树脂砂的颜色相近,也容易引起漏涂。浅白色的锆英粉涂料和锆刚玉涂料虽然能够全面解决以上问题,但是成本太高,难以大面积推广。棕刚玉涂料虽然对厚大型铸铁件的抗粘砂效果较好,但是涂料颜色仍嫌较深。近年来,国内浅色铸铁涂料的开发和应用取得了一些进展,例如:消失模铸造水基铸铁涂料已习惯采用高铝矾土粉、石英粉等浅色耐火材料1,2;清华大学等单位相继开展了砂型铸造水基浅色铸铁涂料的开发36;有些粘土湿型砂和树脂砂铸造醇基铸铁涂料已开始采用高铝矾土粉等部分代替石墨粉6,7;济南铸锻机械研究所等单位810已推出树脂砂醇基浅色铸铁涂料,但仍存在一些问题,如烧结剥离性较差,抗粘砂效果不良,或悬浮稳定性差,涂料在长期存放和运输过程中易产生沉淀,涂层刷痕严重,影响铸件的表面质量等,而且大部分涂料仍含有部分石墨粉。为了改善铸造生产条件,实现“绿色铸造”,提高铸件表面质量,有必要进一步研制和应用质优价廉的树脂砂用醇基浅色铸铁涂料。1烧结剥离型醇基红色铸铁涂料的组成烧结剥离型浅色铸铁涂料主要由耐火粉料、剥离助剂、粘结剂、分散悬浮剂及其活化剂和溶剂等组成。1.1耐火粉料耐火粉料对涂料的抗粘砂性等起着决定性的作用。按照“高耐火度防粘砂”理论,粉料的耐火度须高于铸造合金浇注温度,这种涂料称之为耐火型涂料。但按照“烧结剥离防粘砂”理论,粉料的耐火度不必要求过高,主要应考虑耐火粉料自身或与涂料中其它组1075FOUNDRY TECHNOLOGYVol.27 No.10Oct.2006分之间及与砂型基体之间的反应烧结性,此时要求其烧结点接近铸造合金的浇注温度,能在浇注过程中生成新相或产生轻度烧结,或完全熔融,涂料层呈陶瓷态或高粘度的玻璃态,能抵抗金属液渗透,并且冷却后易于与铸件剥离,得到表面光洁的铸件,这种涂料称之为反应型涂料。反应型涂料的耐火粉料一般为复合型,即由多种能在金属液浇注温度下相互烧结的粉料构成,也可在一种粉料的基础上添加相应的助剂(或氧化剂、烧结剂),以使粉料产生适度烧结和熔融。生产大中型铸铁件时,本涂料采用一种浅色铝质耐火粉料;生产中小型铸铁件时,采用一种浅色天然粉状硅质耐火粉料。2种粉料的主要性能见表1。表1烧结剥离型醇基浅色铸铁涂料耐火粉料的主要性能Tab.1Main properties of the new light color alcohol-based sinter-stripping coating for casting iron种类主要成分密度/gcm-3耐火度/在FeO作用下的烧结温度/线膨胀系数(201 000)/-1铝质硅质Al2O385%SiO298%2.601.961 7701 7001 3001 5001 3001 7008.610-616.010-6耐火粉料还应有合理的粒度分布。粒度过粗,涂料层粗糙,而且悬浮性和渗透性不好;过细,则涂层抗裂性差。其粒度分布应在合适的粒径范围内呈较大的分散度,以充分利用粗细粒子的相互镶嵌作用,得到致密的涂层,提高其抗金属液渗透能力。耐火粉料的粒度以325目左右为宜。1.2剥离助剂金属在浇注温度下被氧化生成各种氧化物,氧化物又消耗于与型砂面层中的SiO2和Al2O3等发生反应。如果金属氧化物的生成速度大于消耗速度,多余的氧化物便积累在金属表面上,厚度超过0.1 mm左右时,该层氧化物将易于剥离,铸件将不会粘砂。因此,加快氧化物的生成速度或减少氧化物的消耗速度,都有助于获得易剥离涂层。为此,可在涂料中预先加入粉状Fe2O3等金属氧化物,以抵偿氧化物的消耗,促进易剥离涂层形成。Fe2O3在高温下转化成FeO并析出氧,氧又促使更多铁被氧化:Fe2O32FeO+OFe+O FeO在本涂料中还加入了2种浅色粉状助熔剂,可进一步改善涂料的烧结剥离性,使涂层基本能成片剥离。剥离助剂的加入量应根据铸件的重量、厚度、浇注温度等因素在一定范围内调整。1.3粘结剂铸造涂料既要具有一定的常温强度,又要具有良好的高温强度。根据这一要求,我们开发了一种以有机低温粘结剂和无机高温粘结剂为主要原料,外加相应的潜伏型硬化剂和有关表面活性剂,以最优配比和工艺复合而成的醇基涂料专用复合粘结剂。它对各种耐火材料均有良好的适应性。用其配制的涂料不仅常温强度和高温强度均高,抗裂性好,而且具有良好的悬浮性和涂刷性等工艺性能。1.4溶剂醇基涂料的溶剂一般采用乙醇,但是普通工业乙醇的燃烧性在冬季较差,涂层燃烧不完全。为了改善燃烧性能,降低生产成本,可加入甲醇作为辅助溶剂,但因其对人体视神经有较强的刺激性,故不应多加。1.5新型醇基复合分散悬浮稳定剂我们采用一种特殊硅酸铝质粘土为基础材料,应用胶体化学的静电位阻分散稳定理论,以特殊复合电解质和高分子聚合物作为分散剂,并辅以多种附加物对其进行综合改性处理,开发出一种新型醇基复合分散悬浮剂11(已于1998年获得国家发明专利),用于生产醇基涂料,取得了显著效果。新型分散悬浮剂具有以下特点。(1)醇基复合分散悬浮剂不需用二甲苯引发,仅用水活化即可,而且在乙醇中的膨胀值与有机膨润土相当。(2)耐火度高达1 6501 670,比膨润土高300以上,对涂料耐火性能无不良影响。(3) 01 200热收缩率为12.1%,仅为膨润土01 200热收缩率的2/3,不会使涂层产生裂纹。(4)其耐火度和抗裂性的显著提高,使其在涂料中的容许最高加入量可高达12%(占耐火粉料重),加入量范围宽。(5)起分散剂作用的主要组分同时具有涂料高温粘结剂作用;起悬浮剂作用的主要组分同时也是低温或高温粘结剂,均具有多重作用。2烧结剥离型醇基浅色铸铁涂料的生产工艺及设备目前涂料的加工设备主要有搅拌机(或分散机)、碾压机和球磨机。搅拌机(分散机)和碾压机对涂料耐火粉料的细化作用很弱,混匀性差,加工时间长达数小时甚至十几小时,混制的涂料悬浮性和涂刷性等工艺性能较差。球磨机对粉料的细化作用较好,但不能连续生产,而且加工时间仍长达数小时,生产效率较低,不适于大批量生产。预先辅以搅拌机(分散机)搅拌的胶体磨加工工艺是迄今较为理想的涂料生产工艺。初步搅拌均匀的涂料经齿轮泵打入胶体磨后,由于胶体磨转齿和定齿之间(两者间隙60m以下)的相对高1076铸造技术10/2006冯胜山等:烧结剥离型醇基浅色铸铁涂料的研究与应用速转动(转速高达3 000 r/min),涂料受到很强的抽吸、剪切、摩擦和高频震动等作用(齿轮泵也有这些作用),能得到有效的搅拌、匀化、分散和细化,并使粉粒产生新的活性表面(活化),从而获得优异的悬浮性、涂刷性、渗透性和粘附强度等工艺性能。采用这种搅拌机(分散机)-齿轮泵-胶体磨系统配制涂料,可以放宽对耐火粉料原材料的细度要求,还能实现机械化连续生产,而且混制加工周期短,生产效率高(比碾压机等传统设备提高数倍至十多倍)。3烧结剥离型醇基浅色铸铁涂料的成分和主要性能经对数十种配方的试验涂料进行性能测试对比和浇注试验,优选出烧结剥离型醇基浅色铸铁涂料的最佳配比范围见表2。其生产成本与醇基石墨粉涂料相当。表2烧结剥离型醇基浅色铸铁涂料配比(%)Tab.2Ingredient of the new light color alcohol-based sinter-strippable coating for casting iron(%)耐火粉料剥离助剂复合分散悬浮剂复合粘结剂活化剂复合溶剂100 28 48 35 24适量在工业生产条件下配制的烧结剥离型醇基浅色铸铁涂料与国内几种主要的同类涂料性能对比如表3。结果表明:本涂料的悬浮率、抗裂性和发气性达到了国内同类产品先进水平,涂刷指数和触变率也较高。新型涂料在3 h内基本无沉淀,824 h悬浮性仍高达9894%(见图1),长期存放后不板结,1 000时的发气量为16 mL/g以下,1 200下急热2 min后不产生裂纹。表3新型烧结剥离型醇基浅色铸铁涂料与国内几种同类涂料的主要性能对比Tab.3Comparisons of the main properties between the new coating and the same kinds of several national coating单位颜色粘度(s,6 mm粘度杯)悬浮率(%)触变率(%)涂刷指数抗裂性(1 2002 min)发气量(850)/(mL/g)湖北省机电研究设计院济南铸锻机械研究所山东某公司重庆某公司浅红浅白浅棕浅灰810148-98(8 h)98(2 h)98(8 h)98(8 h)31.230.034.5-7.0-6.6-1级12级1级12级16-2015图1烧结剥离型醇基浅色铸铁涂料的悬浮稳定性Fig.1Suspension stability of the new coating涂料涂刷指数是指涂料在低剪切速率(6 r/min)下的表观粘度与高剪切速率(60 r/min)下的表观粘度之比。它表征了涂料的剪切变稀(或变稠)性,亦即结构触变性。涂刷指数越高,表示涂料的涂刷性(涂刷省力,抗流淌性好,易涂厚)越好。涂料触变率是指涂料表观粘度随搅拌时间的变化率,亦即时间触变性。其计算式为(0.5-10)/0.5100,其中0.5和10分别为涂料在6 r/min的搅拌转速下旋转0.5 min和10 min时的表观粘度。触变率越高,则涂料流平性越好,稀释范围越大,涂刷性亦越好。4烧结剥离型醇基浅色铸铁涂料的应用效果烧结剥离型醇基浅色铸铁涂料分别在大庆石油管理局装备制造集团铸锻公司、黑龙江省齐齐哈尔第二机床厂和湖北鼎鑫铸造公司等单位的大小铸铁件生产中进行了批量使用。浇注的铸件有曲柄、减速器壳体、箱座、驱动环、制动盘等。减速器壳体和曲柄的材质分别为HT200、HT250,质量分别为2.6 t、3.3 t,最大壁厚分别为30 mm、250 mm,浇注温度为1 320 1 350。制动盘和驱动环的材质分别为HT250、QT500-7,质量分别为4.5 kg、247 kg,最大壁厚分别为16 mm、65 mm,浇注温度为1 4401 480。造型制芯均采用酸自硬呋喃树脂砂工艺。减速器壳体和曲柄等大件刷涂两次,涂层厚度约为0.61.0 mm;制动盘和驱动环等中小件喷涂一次,涂层厚度约为0.20.3 mm;施涂后立即点燃干燥。生产应用结果表明:新型涂料的涂刷性、渗透性、抗流淌性、流平性和抗裂性均很好,涂层强度高,发气量小,铸件打箱时涂层大部分能成片剥离,见图2、图3,抛丸清理后铸件表面光洁(见图4),无粘砂和气孔、夹砂等缺陷,表面粗糙度Ra6.3m,提高了铸件清理工效,节约了能源,减轻了劳动强度。该涂料可代替醇基石墨粉涂料用于酸自硬呋喃树脂砂铸造各种优质大中小型铸铁件,而且颜色为浅红色,容易识别,可避免漏涂,还消除了石墨粉涂料对生产环境的污染。5结论(1)烧结剥离型醇基浅色铸铁涂料的涂刷性、渗透性、抗流淌性和流平性均很好,涂层强度高,悬浮性、抗裂性和发气性等主要性能达到了国内同类产品先进1077FOUNDRY TECHNOLOGYVol.27 No.10Oct.2006图2减速器壳体铸件打箱时涂层剥离情况对比Fig.2Comparison of coating stripping when opening the retarder shell casting图3曲柄和驱动环铸件的涂层剥离情况Fig.3Coating stripping of the crank and driving ring图4制动盘和减速器壳体铸件抛丸清理后的表面情况Fig.4Surface of the brake