淺紅色自剝落醇基鑄鐵涂料的研制與應(yīng)用

王通平，寧強(qiáng)偉，黃吉鋒

淺紅色自剝落醇基鑄鐵涂料的研制與應(yīng)用

王通平，寧強(qiáng)偉，黃吉鋒

【摘要】經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)及生產(chǎn)驗(yàn)證，研制出新型淺紅色自剝落醇基鑄鐵涂料。涂料顏色容易與呋喃樹脂砂區(qū)分，鑄件落砂時(shí)涂料自動(dòng)從鑄件表面脫落或經(jīng)輕微敲擊后剝落。鑄件表面光滑平整，涂料具有較寬的燒結(jié)溫度，適應(yīng)壁厚不同，大小不一的各類鑄鐵件。

一、概述

鑄造生產(chǎn)中為提高鑄件表面質(zhì)量，最常用的方法是在鑄型表面涂覆一層涂料。石墨粉涂料具有耐火度高，價(jià)格便宜，在澆注溫度下能析出光亮碳，在涂料表面形成保護(hù)膜，能降低鐵液對(duì)鑄型的潤(rùn)濕能力，防止粘砂缺陷，以及落砂時(shí)鑄件容易清理等特點(diǎn)，是目前鑄鐵生產(chǎn)中使用較多的涂料。但石墨涂料顏色深，與呋喃樹脂砂顏色接近，存在誤判漏涂的可能。而且鑄件清理時(shí)會(huì)有大量粉塵，污染環(huán)境，危害健康。國(guó)內(nèi)許多科研院所也一直開發(fā)研制淺色燒結(jié)剝離型涂料，但存在同一配方不適合大小不一的鑄件使用。為此，我們開發(fā)了一種淺紅色鑄鐵涂料。該涂料涂層通過(guò)反應(yīng)燒結(jié)，在鑄件表面結(jié)殼起翹，清理時(shí)涂料會(huì)自動(dòng)從鑄件表面脫落或經(jīng)輕微敲擊后剝落。鑄件表面光滑平整。涂料具有較寬的燒結(jié)溫度，適應(yīng)壁厚不同，大小不一的各類鑄鐵件。

二、涂料組分、配比及制備

1. 耐火骨料

鋁礬土屬于硅-鋁系耐火骨料，由高鋁礬土原礦經(jīng)過(guò)1300 ～1500℃高溫煅燒得到剛玉質(zhì)鋁礬土熟料，來(lái)源廣泛，成本低廉。鋁礬土主要礦物組成為剛玉（α-Al2O3）和莫來(lái)石（βAl2O3. SiO2），高溫線脹系數(shù)小，熱穩(wěn)定性好，其耐火度≥1770℃。鋁礬土在澆注溫度下不與金屬氧化物生成低熔點(diǎn)物質(zhì)，同時(shí)金屬液及其氧化物對(duì)鋁礬土的浸潤(rùn)性比較低，具有良好的抗粘砂性能。綜合考慮骨料在高溫下與液態(tài)金屬的浸潤(rùn)性和耐火度，以及鑄件表面質(zhì)量和鑄件成本，選用鋁礬土作為耐火骨料，其主要成分及物理性能見表1。

2. 燒結(jié)助劑的選擇

理論研究表明，如果涂料中存在特定的金屬氧化物，能在金屬液澆注時(shí)促進(jìn)涂料固液區(qū)間的擴(kuò)大和低熔點(diǎn)混合物的形成。這些低熔點(diǎn)混合物可以很好地浸潤(rùn)涂料中的耐火骨料顆粒，且結(jié)構(gòu)相近，容易與耐火骨料發(fā)生熔解、滲透、晶相重組等變化，形成燒結(jié)層，阻礙金屬液進(jìn)一步滲透。由于涂料燒結(jié)層與金屬的收縮率相差較大，而且涂料的內(nèi)應(yīng)力大于與鑄件的黏附力，使燒結(jié)層易于剝落。

該涂料選用以下三種燒結(jié)助劑。

表1　鋁礬土的主要成分及物理性能

（1）氧化鐵紅用于補(bǔ)償金屬在澆注溫度下生成的含鐵氧化物，與砂型表面的硅鋁系反應(yīng)的消耗，使多余的含鐵氧化物積累在金屬表面，達(dá)到一定厚度，形

成剝離涂層。

（2）鉀長(zhǎng)石其熔點(diǎn)為1200℃，能促進(jìn)高熔點(diǎn)耐火骨料的燒結(jié)，使涂料燒結(jié)成硬而致密的熔融態(tài)薄殼。

（3）天然含鋯硅酸鹽類礦物其主要化學(xué)成分見表2。

該物質(zhì)含有一定量的藍(lán)晶石相，其在1100～1650℃高溫下可轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊?lái)石和方石英，方石英在高溫下呈熔融態(tài)玻璃聚合體，使燒結(jié)溫度和熔化溫度之間具有較寬的溫度區(qū)間的特點(diǎn)。莫來(lái)石具有很高的耐火度，在1800℃時(shí)仍很穩(wěn)定，化學(xué)惰性高。藍(lán)晶石相使涂層與鑄件金屬的線收縮系數(shù)差異增大，使涂料層與鑄件表面產(chǎn)生較大的切應(yīng)力，導(dǎo)致涂料層從鑄件表層自行剝落。藍(lán)晶石相高溫轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的方石英呈玻璃聚合體，能抵御金屬液的滲透，防止鑄件機(jī)械粘砂，并且冷卻后方石英與鑄件的線收縮系數(shù)存在的差異也促進(jìn)了涂料層冷卻后的自行剝落。

以上三種助劑復(fù)配加入，使涂料具有較寬的燒結(jié)范圍，適應(yīng)壁厚不同、大小不一、澆注溫度不同的各類鑄鐵件。燒結(jié)助劑的復(fù)配比例見表3

3. 懸浮劑

為防止涂料在儲(chǔ)存和使用的過(guò)程中耐火骨料沉淀而加入懸浮劑。懸浮劑的加入使涂料獲得一定的觸變性。當(dāng)涂料在施涂時(shí)受到剪切力，黏度下降，剪切速率越大、時(shí)間越長(zhǎng)，黏度也就越下降。懸浮劑的加入量要綜合考慮涂料的流掛性和流平性。通常使用的懸浮劑有鋰基膨潤(rùn)土、有機(jī)膨潤(rùn)土、累托石土及凹凸棒土等。

鋰基膨潤(rùn)土用量一般是耐火骨料的3%～6%，因其含有較多堿金屬和堿土金屬，會(huì)造成涂料耐火度下降。由于用水預(yù)發(fā)，涂料含水量高，澆注時(shí)發(fā)氣量大，影響鑄件表面質(zhì)量；另外，由于涂料含水量高，造成涂料點(diǎn)火燃燒不完全，表面存在較多殘?jiān)?，影響表面質(zhì)量。鋰基膨潤(rùn)土在水中易吸水膨脹形成穩(wěn)定的膠體分散體，但在醇類介質(zhì)中由于雙電荷層受到高度壓縮，分散粒子聚集，膠體穩(wěn)定性較差，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中易分層，造成涂料黏度下降，骨料沉降結(jié)塊，涂料變質(zhì)。

有機(jī)膨潤(rùn)土用量少，約為耐火骨料的2%，不明顯降低涂料耐火度，發(fā)氣量低，有利于提高鑄件質(zhì)量。但其預(yù)發(fā)需用二甲苯，生產(chǎn)和使用過(guò)程會(huì)對(duì)人產(chǎn)生危害。

累托石土、凹凸棒土等也需用水預(yù)發(fā)，故也存在與鋰土膨潤(rùn)土相同的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)篩選，選用一種含有硅酸鎂鋁白色復(fù)合膠態(tài)物質(zhì)作為懸浮劑，其主要成分見表4。

該懸浮劑無(wú)毒，無(wú)味，不溶于水，可直接加入醇基涂料中進(jìn)行分散，具有獨(dú)特的三維空間鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)及特殊的針棒狀晶體結(jié)構(gòu)，因而有不同尋常的膠體和吸附性能，膠體在pH3.5～11范圍內(nèi)穩(wěn)定性好，具有優(yōu)異的增稠性、懸浮性，且耐火度高達(dá)1200℃，加入量少（一般加入量為0.5%～2.5%），非常適合作為懸浮劑用于涂料。

4. 粘結(jié)劑

熱塑性酚醛樹脂常溫黏結(jié)力強(qiáng)，可使涂層獲得高的常溫表面強(qiáng)度，但發(fā)氣量大，加入量大時(shí)涂層點(diǎn)燃時(shí)易開裂，造成鑄件氣孔；松香點(diǎn)燃后不易開裂，澆注出的鑄件表面光滑，但是其熱穩(wěn)定性差，黏結(jié)強(qiáng)度低。因此采用這兩種樹脂復(fù)配，可提高涂料的綜合強(qiáng)度，防止涂層點(diǎn)火開裂、避免氣孔缺陷的產(chǎn)生。

5. 其他組分

該涂料為醇基，考慮乙醇的價(jià)格較低，毒性小，揮發(fā)性較強(qiáng)，選用工業(yè)酒精（乙醇含量不低于95%）為載液，并加入適量非離子表面活性劑，以提高涂料的滲透性。

表2　天然含鋯硅酸鹽礦物的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　　　(%)

表3　燒結(jié)助劑的復(fù)配　　　　　　　（%）

表4　含有硅酸鎂鋁的懸浮劑主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　　（%）

6. 配比

在耐火骨料鋁礬土為主料的

基礎(chǔ)上，加入燒結(jié)助劑，通過(guò)考察涂料懸浮性、涂掛性、流平性、抗流淌性、表面強(qiáng)度及發(fā)氣量等性能，采用正交試驗(yàn)，確定了涂料的最佳配比，見表5。

7. 制備

預(yù)先以載液總量的15%，溶解酚醛樹脂和松香，靜置待用。

制備工藝：載液總量的80%+懸浮劑→高速攪拌機(jī)攪拌20min→加入酚醛樹脂和松香溶液+表面活性劑→攪拌10min→加入鋁礬土+燒結(jié)助劑→攪拌30min→加入載液總量的5%→攪拌15min，調(diào)整密度→出料。

三、涂料性能測(cè)試

依照砂型鑄造用涂料JB/T 9226—2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)密度、懸浮性、黏度等性能進(jìn)行檢驗(yàn)。

（1）密度測(cè)得涂料的密度為1.8g/cm3。

（2）懸浮性將涂料攪拌均勻后倒入100mL具塞量筒中，加至100mL刻度線，靜置8h，且每隔2h觀察沉降情況，記錄結(jié)果見表6。

（3）黏度按照規(guī)定采用標(biāo)準(zhǔn)涂-6黏度杯，時(shí)間為10s。

（4）發(fā)氣量使用SFL記錄式發(fā)氣性測(cè)定儀，測(cè)定1000℃發(fā)氣量為18mL/g。

（5）高溫抗裂性將涂料刷涂到試樣上，在150℃鼓風(fēng)干燥烘箱中烘干1h，放入1200℃馬弗爐中3min后取出觀察涂料表面，未發(fā)現(xiàn)涂料與試樣有剝離現(xiàn)象，涂料表面光滑無(wú)裂紋。

四、涂料的應(yīng)用

該涂料分別在我單位鑄造分廠、北仁機(jī)械廠生產(chǎn)的大小鑄件上進(jìn)行了使用。澆注的鑄件有轉(zhuǎn)子（材質(zhì)QT600-3，毛坯重量90k g，外形尺寸直徑400mm，鑄件平均厚度150mm，澆注溫度1340℃；側(cè)蓋（材質(zhì)HT300，毛坯重量100kg，外形尺寸直徑500m m，鑄件平均厚度100m m，澆注溫度1330℃）；電動(dòng)機(jī)殼體（材質(zhì)HT300，毛坯重量130kg，外形尺寸400mm×500mm×120mm，鑄件平均厚度120mm，澆注溫度1330℃）；十字頭軸承座（材質(zhì)球墨鑄鐵，毛坯重量380kg，外形尺寸890mm×550mm×270 mm，鑄件最薄處100mm，鑄件最厚處250mm，澆注溫度1420℃）。造型、制芯均采用酸自硬呋喃樹脂砂工藝，其中十字頭軸承座鑄件相關(guān)照片見圖1、圖2、圖3。

五、結(jié)語(yǔ)

生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果表明，該涂料涂刷性、滲透性、流平性、抗流淌性和抗裂性均良好，形成的涂層強(qiáng)度高，拋丸清理后鑄件表面光潔，無(wú)粘砂、氣孔和夾砂缺陷，大幅提高了清理效率。

圖1　十字頭軸承座砂型涂刷點(diǎn)火后狀態(tài)

圖2　十字頭軸承座鑄件清理打箱后狀態(tài)

圖3　十字頭軸承座鑄件噴丸后狀態(tài)

表5　涂料的最佳配比（質(zhì)量份）

表6　涂料的懸浮性

20150129

作者簡(jiǎn)介：王通平、寧強(qiáng)偉、黃吉鋒，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第十二研究所。