粘土湿型砂铸造新型醇基喷涂涂料的研究与应用样本

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。粘土湿型砂铸造新型醇基喷涂涂料的研究与应用冯胜山朱松林(湖北工业大学机电研究设计院武汉430070)摘要:本文介绍了粘土湿型砂铸造新型醇基喷涂涂料的组成结构、生产工艺、性能特点、应用实例和使用经验,重点分析了新型复合分散悬浮剂的主要特点,对比研究了它的悬浮效果,简述了它的作用机理。结果表明:新型醇基复合分散悬浮剂的耐火度高,抗裂性好,悬浮能力与有机膨润土相当;静电分散稳定机理和空间位阻分散稳定机理的共同作用是其分散悬浮效果优良的主要原因;粘土湿型砂铸造新型醇基喷涂涂料的主要性能达到了国内外同类产品领先水平;生产的高锰钢、可锻铸铁和灰口铸铁产品表面光洁,无粘砂、气孔等缺陷。关键词:湿型砂;醇基涂料;喷涂中图分类号:TG221TheInvestigationandApplicationofNewAlcoholBasedBrushingCoatingsforGreenSandCastFengShengshanZhuSonglin(HubeiResearch&DesignInstituteofMechanical&ElectronicEngineeringWuhan430070)AbstractThecompose,producingtechnology,properties,applicationexampleandusingexperiencesofnewalcoholbasedbrushingcoatingsforgreensandcastareintroducedinthispaper.Themainpropertiesandmechanismofnewdisperse-suspendingagentareanalyzedemphatically.Itssuspensioneffectisstudiedbycomparing.Theresultsshowthatrefractorytemperatureofthenewdisperse-suspendingagentishigher,theabilityofpreventingcrackispowerful,itssuspendingstabilityisequivalenttoorganizedbentonite,s,theco-actionofdisperse-suspendingmechanismsofelectrostaticsandspaceisthemaincause,themainpropertiesofnewalcoholbasedbrushingcoatingsforgreensandcastaresuperiortotheabilitiesofinternalandoutsidecoatingsofthesamekind,thesurfacesofcastingsthatareproducedusednewalcoholbasedbrushingcoatingsaresmoothwithoutadheringsandandgas-hore.Keywordsgreensandalcohol-basedcastingbrushing0前言粘土湿型砂铸造工艺因其成本低、效率高,当前在造型制芯工艺中占有重要地位。普通铸铁湿型砂一般都加入煤粉,以提高铸件表面质量,但它降低了型砂的透气性和强度,更为严重的是恶化了劳动条件。采用普通湿型砂工艺直接生产铸钢件时,铸件容易产生粘砂、气孔等缺陷。为了改进湿型砂工艺的劳动条件,实现”绿色铸造”,提高铸件表面质量,研制和应用湿型砂铸造系列涂料是一个重要途径。湿型砂铸造时如采用水基涂料,需要进行表面烘干,否则极易降低砂型表面强度,也使铸件容易产生气孔缺陷,但这将增加生产工序,降低生产效率,在批量生产线上也不易实现。另外,湿型砂表面强度低,刷涂涂料时容易带砂,操作不便,涂层不光洁。因此,湿型砂宜喷涂醇基快干涂料。醇基涂料具有干燥快(点燃干燥或自然挥发干燥)、生产效率高、适用范围广等特点。国内在粘土湿型砂醇基涂料方面的研究很少,而且所报道的涂料悬浮性、抗裂性、发气性、渗透性等均较差[1~2]。由于湿型砂粒度细,透气性差,发气量大,故要求醇基涂料的渗透性和抗裂性高,发气量小。喷涂工艺又要求涂料的粒度细、粘度低、悬浮性和抗流淌性高。醇基涂料普遍存在悬浮稳定性低的技术难题。当前采用较多的醇基涂料悬浮稳定剂主要有锂基膨润土和有机膨润土,前者生产的涂料在存放时间较长或长途运输后易板结,后者的发气量很大,需用有毒的二甲苯引发,而且价格昂贵。另外,膨润土的耐火度低,热收缩率高,涂层抗裂性差。因此,开发质优价廉的新型悬浮稳定剂和适于粘土湿型砂工艺的醇基喷涂涂料势在必行。1粘土湿型砂铸造新型醇基涂料的组成醇基涂料主要由耐火粉料、溶剂、分散悬浮剂、粘结剂和其它附加物等组成。1.1耐火粉料耐火粉料对涂料的抗粘砂性等浇注性能起着决定性的作用。耐火粉料的耐火性能和化学性质决定其适用的铸件合金和重量范围。选用粉料时,必须同时遵循的两个基本原则[3]:耐火粉料的耐火性能要与铸造合金的浇注温度相一致;耐火粉料的酸碱性要与铸造合金的酸碱性相一致。另外,还应注意两个问题:耐火粉料自身及其与砂型基体在高温下的化学反应;耐火粉料的化学成分对铸造合金成分的影响。按照”高耐火度”防防砂理论,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,而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)。耐火型涂料的耐火粉料一般为单一材料,但有些单一粉料也具有一定的自烧结性(如锆英粉、高铝矾土粉和镁橄榄石粉),因此,也具有烧结涂料的特点。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熔剂(或氧化剂),以使粉料产生适度烧结和熔融。碳钢铸造涂料宜选用锆英粉,各种合金钢宜选用棕刚玉粉和高铝矾土粉,碱性合金钢也可选用镁砂粉和镁橄榄石粉,铸铁和有色金属涂料宜以土状石墨粉为基料。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,能降低铁水对铸型的润湿能力,能有效防止由金属渗透产生的粘砂缺陷。虽然具有片状结构的鳞片石墨粉会阻止涂料中的土状石墨粉及其它耐火粉料往砂型里渗透,但鳞片石墨粉的灰分及挥发物少,固定碳含量高,耐热性好,膨胀系数小,受热膨胀与铸型的膨胀基本同步,涂层应力较小,不易产生裂纹。考虑到涂料的综合性能,应将土状石墨粉与适量鳞片石墨粉混合使用。耐火粉料还应有合理的粒度分布。粒度过粗,喷涂时易堵塞喷咀,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260~325目为宜,其中粒径小于5μm的微细粒子应不多于15%。1.2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。用其配制的涂料不但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。1.3溶剂醇基涂料的溶剂一般采用乙醇,可是普通工业乙醇的燃烧性在冬季较差,涂层燃烧不完全。为了改进燃烧性能,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。1.4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,并辅已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[4](已于1998年获得国家创造专利),用于生产醇基涂料,取得了显著效果。1.4.1主要性能特点新型醇基复合分散悬浮稳定剂的基础材料呈灰白色粘土状,其主要组成物是一种由二八面体云母与二八面体蒙脱石组成的规则间层矿物,主要成分为SiO2和Al2O3,质松软,有滑感,真密度为2.87g/cm3,遇水膨胀,在水中可解离成超细颗粒,平均粒径为820nm,比表面积为246m2/g,PH值为3.96,具有良好的胶体性质。经特殊复合电解质和高分子聚合物及多种其它附加物综合改性制得的新型醇基复合分散悬浮剂既具有良好的亲水性,也具有一定的亲油性。表1列出了它与其它几种常见悬浮剂在工业乙醇中的膨胀值(2g悬浮剂先经一定数量的溶剂引发,再加浓度为95%的工业乙醇至ф25mm具塞量筒的50ml处,人工快速搅拌1mim,并静置一定时间后的沉淀物体积)。表1几种醇基分散悬浮剂在乙醇中的膨胀值(ml／2g)Tab.1Theexpansilevalueofsomealcoholbaseddisperse-suspendingagentinalcohol(ml／2g)静置时间悬浮剂种类2h24h备注钠基膨润土锂基膨润土有机膨润土新型悬浮剂72937347232327以等量水活化以等量水活化以两倍重的二甲苯引发以等量水活化新型分散悬浮剂具有以下特点:⑴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。⑵耐火度高达1650～1670℃,比膨润土高300℃以上,对涂料耐火性能无不良影响。⑶0～1200℃热收缩率为12.1%,仅为膨润土0～1200℃热收缩率的2/3,不会使涂层产生裂纹缺陷。⑷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。⑸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。1.4.2对醇基涂料悬浮性的影响表2列出了新型醇基复合分散悬浮剂与有机膨润土和一种浙江产商品悬浮剂同时应用于醇基锆英粉涂料时悬浮性的对比情况。结果表明:新型醇基复合分散悬浮剂的悬浮稳定性略高于有机膨润土,远高于某商品悬浮剂。1.4.3作用机理胶体化学的分散理论认为:微细颗粒在液体介质中的稳定分散是指原生粒子或细小团聚体在静电斥力FER、空间位阻斥力FSR作用屏蔽颗粒之间的范德华力FWA,使颗粒不再积聚。颗粒分散稳定的充要条件是:FER+FSR≥FWA。新型醇基复合分散悬浮剂系一种超细粉状材料,由于其粒径极小,表面积很大,其表面活性相当高,具有良好的胶体性质,当它在液体介质中形成扩散双电层时,由于其中的复合电解质分散剂具有大量的水化阳离子,呈较强的碱性,使颗粒表面阳离子显著增加,从而使扩散双电层的Zeta电位提高,使原生粒子或细小团聚体之间的静电斥力FER增大,进而促表2几种醇基分散悬浮剂对醇基锆英粉涂料悬浮率的影响Tab.2Theeffectofsomedisperse-suspendingagentonsuspensionstabilityofalcoholbasedzirconpowdercoatings悬浮剂种类悬浮率(％)新型悬浮剂有机膨润土浙江某商品悬浮剂存放4h存放8h存放24h存放3d969185849289827285807979备注新型分散悬浮剂加入量为锆英粉的5%,并用等量水活化有机膨润土加入量为锆英粉重的2%,并用5倍的二甲苯引发悬浮剂加入量为锆英粉重的5%,并用等量水活化1、涂料的其它成份均为:325目锆英粉100%,粘结剂3%,乙醇和其它附加物适量2、涂料粘度均为8s(ф6mm粘度杯)进颗粒稳定分散。新型醇基复合分散悬浮剂还含有高分子聚合物分散剂。这种高分子聚合物的锚固基团吸附在悬浮剂颗粒表面,其溶剂化链在介质中充分伸展形成位阻层,使原生粒子或细小团聚体之间的空间位阻斥力FSR增大,阻碍颗粒的碰撞团聚和重力沉降,从而促进颗粒稳定分散。新型醇基复合分散悬浮剂还含有非离子型表面活性剂,加强了悬浮剂颗粒表面润湿和高分子聚合物锚固基团在颗粒表面的吸附及覆盖,进一步促进了空间位阻分散稳定效应。另外,新型醇基复合分散悬浮剂中的高分子聚合物分散剂和非离子型表面活性剂能有效提高醇溶液的粘度,使其在醇基涂料中的分散悬浮能力又得到明显改进。正是由于上述静电分散稳定机理、空间位阻分散稳定机理和增粘机理的共同作用,使得新型醇基复合分散悬浮剂加入到涂料中时赋予涂料优良的分散悬浮稳定性和触变性,使涂料具有不易分层和沉淀、涂刷性好等特点。1.5其它附加物1.5.1金属氧化物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0.1mm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适量的某些粉状金属氧化物,以抵偿氧化物的消耗,促进易剥离涂层形成。涂料中加入某些几乎不溶于水的粉状金属氧化物时,涂料的渗透性也显著提高。这是因为金属氧化物对型砂的渗透能力取决于离子电位和电性;离子电位低,负电性小,则渗透能力强;而几乎不溶于水的金属氧化物的离子电位很低,负电性很小。1.5.2烧结剂在铸铁用石墨粉涂料中加入适量的某种白色粉状材料(325目以细)作为烧结剂,可有效改进涂料的烧结剥离性,涂层能成片剥离,还能使石墨粉涂料的黑色变浅,有利于改进作业环境。2粘土湿型砂铸造新型醇基涂料的生产工艺及设备当前涂料的加工设备主要有搅拌机、碾压机和球磨机三种。搅拌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60μm以下)的相对高速转动(转速高达3000r/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[5]。采用这种搅拌机—齿轮泵—胶体磨系统配制涂料,能够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粘土湿型砂铸造新型醇基涂料的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,优选出粘土湿型砂铸造新型醇基涂料的最佳配比范围如表3所示。表3粘土湿型砂铸造新型醇基喷涂涂料配比(%)Tab.3Thecomposeofnewalcoholbasedbrushingcoatingsforgreensandcast(%)耐火粉料复合分散悬浮剂复合粘结剂其它附加物复合溶剂1004~83~52~15适量在工业性生产条件下配制的粘土湿型砂铸造新型醇基石墨粉复合浅色涂料与国内外几种主要的湿型砂醇基石墨粉涂料涂料的性能对比如表4。结果表明:新型醇基石墨粉复合浅色涂料的悬浮率、抗裂性和发气性达到了国内外同类产品领先水平。表4新型醇基喷涂石墨粉复合涂料与国内外几种湿型砂醇基石墨粉涂料的主要性能对比Tab.4Comparisonofnewalcoholbasedbrushinggraphitepowdercoatingforgreensandcastwiththecoatingsofthesamekindathomeandabroadonmainproperties国别及公司粘度(s,ф6mm粘度杯)悬浮率(24h,%)抗裂性(1200℃╳2min)发气量(850℃,ml/g)中国湖北机电研究设计院中国太原工业大学中国沈阳拖拉机制造厂日本西村黑铅会社87～810～1489792≥90901级2级1～2级1～2级≤22≤30≤30新型醇基镁砂粉复合铸钢涂料的悬浮性随存放时间的变化情况如图1所示。该涂料在2h内基本无沉淀,8~24h悬浮性高达98.0~97.5%。4新型粘土湿型砂醇基复合涂料的应用效果粘土湿型砂铸铁醇基石墨粉复合浅色涂料分别在湖北五金工具公司、湖北随州通用机械厂、湖北随州车桥厂等单位得到了多年生产应用。浇注的铸件有管子钳柄体、载重汽车制动毂和飞轮等。管子钳柄体材质为可锻铸铁,重量为0.8~9kg,壁厚为12~25mm,浇注温度为1450~1480℃。制动毂材质为灰口铸铁,重量为15~35kg,壁厚为18~28mm,浇注温度为1350~1380℃。柄体铸造型砂由水洗硅砂、红砂和膨润土及适量水混制而成,不加煤粉。造型后立即喷涂,且均喷涂一次;柄体涂层厚度约为0.1~0.2mm,不点燃干燥,喷涂后立即合箱浇注;制动毂涂层厚度约为0.2~0.3mm,喷涂后立即点燃干燥,合箱,再放置数小时后浇注。生产应用结果表明:该涂料的渗透性、抗流淌性和抗裂性均很好,涂层强度高,发气量小,浇注后涂层自身产生适度烧结,打箱时涂层易成片剥离,铸件表面光洁,基本无粘砂,字迹非常清晰。而未用涂料时,铸件打箱后表面粘砂严重,字迹模糊(见图2~3,图中上部均为使用涂料的铸件,下部均为未用涂料的铸件)。铸件进行抛丸清理后,使用涂料的表面粗糙度明显低于未用涂料的表面(见图4,图中上部为使用涂料的铸件,下部为未用涂料的铸件),表面粗糙度Ra≤6.3µm,而且无气孔、夹砂和掉砂等缺陷,大幅度提高了铸件清理工效,节约了能源,减轻了劳动强度。粘土湿型砂铸钢醇基电熔镁砂粉涂料在武汉钢铁公司某厂中小型铸钢件的生产中也取得了满意效果。浇注的铸件为衬板、锤头等,材质为高锰钢,重量为10~30kg,壁厚为20~50mm,浇注温度为1420~1450℃。型砂仅由水洗硅砂、膨润土及适量水混制而成。造型后立即喷涂,涂层厚度约为0.5mm。喷涂后立即点燃干燥,然后用氧-乙炔火焰进行表面辅助干燥,再放置约1小时后合箱浇注。生产的铸件基本上无粘砂、气孔、夹砂等缺陷,表面粗糙度Ra≤12.5µm。悬浮率(%)存放时间(h)悬浮率(%)存放时间(h)24h图1新型醇基镁砂粉复合涂料悬浮稳定性图2管子钳柄体铸件表面情况对比Fig.1ThesuspensionstabilityofnewalcoholbasedFig.2Comparisonofthesurfacemagnesitepowdercoatingoftube-pincerscasts图3制动毂铸件表面情况对比(抛丸清理前)图4制动毂铸件表面情况对比(抛丸清理后)Fig.3ComparisonofthesurfaceofFig.4Comparisonofthesurfaceofbrakecasts(beforeofcleaning)brakecasts(afterofcleaning)5使用粘土湿型砂醇基涂料时应注意的问题5.1喷涂工艺喷涂时,要控制喷咀直径和压缩空气压力。喷咀直径小于4毫米时,容易发生堵塞,且喷涂速度慢,溶剂大量散入空气中,使劳动条件恶化和造成点燃困难。压缩空气压力以0.3~0.4MPa为宜。压力过高,涂料易在砂型表面反弹,涂层易出波纹;压力太低则喷咀容易堵塞,涂料雾化不良。5.2涂层厚度涂层厚度应根据铸件材质和壁厚等因素确定。铸铁时,控制在0.5mm以下即可;铸钢时,涂层厚度控制在0.4~0.8mm之间较宜;铸件壁厚越大,涂层厚度应越大。每次喷涂涂层约为0.1~0.3mm。涂料一般只需喷涂一次,对较大铸件或易粘砂部位(热节处)也可喷涂二次,但需等第一层稍干或点燃干燥并适当冷却后再喷涂第二次。在保证涂料抗粘砂性能的前提下,涂层厚度应尽量降低,以节约涂料并提高涂层抗裂性。5.3干燥方法对于薄小铸铁