新型铸钢醇基涂料的研究

data-full-width-responsive="true"> 新型铸钢醇基涂料的研究武晓峰 1，孙铭远1，杨忠兴1，张宝军2，刘 聪2（1辽宁工业大学材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001；2天津市铸诚铸造辅料有限公司，天津 300163）醇基涂料包括靠有机溶剂挥发使涂层固化的自干涂料和靠点燃有机溶剂使涂层固化的点燃涂料。由于这些涂料均不需烘干，节约能源, 缩短生产周期, 改善劳动条件，故在生产铸钢、铸铁及有色合金等铸件的水玻璃和树脂自硬砂中得到广泛应用，已成为获得优质铸件的必要的工序。目前在铸钢件的生产中, 砂型所用醇基涂料的耐火材料主要有锆英粉、刚玉粉、高铝矾土粉和石英粉等。其中以锆英粉涂料的性能为最好, 生产的铸件不粘砂，表面光洁。但是锆英粉来源短缺, 价格昂贵。而其他耐火材料虽然价格低, 但只能应用于不太厚的小型铸钢件, 厚壁大型铸钢件还不得不采用锆英粉涂料。红柱石是一种无水铝硅酸盐矿物，具有高温体积稳定性、耐熔性和易转变为莫来石的性能，且原料本身不需要煅烧，因此，红柱石材料在对抗热震性与高温强度要求高的领域有很好的应用效果。目前, 红柱石的研究和利用主要是集中在冶金工业用耐火材料、冶金辅料和宝石等方面, 未见有在铸造涂料方面的报道。本文以红柱石粉作为耐火骨料, 配制成具有一定粉料配比的铸钢用醇基涂料,对涂料的组成和性能进行了系统的测试及分析，并在生产中进行了验证。1 醇基涂料组分11 耐火骨料与助剂涂料中的耐火骨料是涂料的主体部分，其耐火度、导热性及热化学稳定性等物理、化学性质是决定涂料使用效果的主要因素, 涂料靠它来防止金属液对铸型的渗透、侵蚀以及起化学反应。因此，耐火骨料对防止铸件粘砂起着决定性作用。红柱石粉料是将天然红柱石矿石破粹、筛分而成。呈灰白色，具有金属光泽和折光现象。红柱石粉料的主要化学成分与物理性能如表1 所示。表中数据表明，红柱石粉耐火度高，达1 780℃。其主要矿物成分为Al2O3和Si2O，所含杂质为Fe2O3、MgO和CaO等，含量都很低，均小于1%。红柱石在常压下加热至1 200 ℃以后，开始转化成与原品体平行的针状、柱状莫来石，其反应方程为：3( Al2O3SiO2) 3 Al2O32 SiO2 + SiO2这是一种不可逆的晶型转化。莫来石晶体是铝硅酸盐在高温作用下唯一稳定的形式，具有比红柱石更高的耐火性能，耐火度可达1 800 ℃以上，且耐骤冷骤热，机械强度大，抗热冲击力强，软化点高并具有极高的化学稳定性。研究表明，红柱石类矿物转变为莫来石，实际是由颗粒表面开始逐步深入内部，莫来石结晶成针状、柱状，长约20 m，莫来石结晶方向平行于原红柱石晶面，体积膨胀为1%～5%，线膨胀率为1%～15%，由于在转变期间产生的线性膨胀小，因此在发生莫来石转化时，采用红柱石粉作为耐火骨料制作的涂料涂层不会产生大的体积膨胀而形成裂纹。这样形成的莫来石或部分莫来石涂层耐火度高、致密且无裂纹，有利于获得优质的铸件表面。在涂料加入烧结助剂。其目的是促进高熔点红柱石耐火骨料的烧结，形成易剥离涂层，从而有利于获得光洁的铸件表面。12 载体目前应用在醇基涂料中的载体有甲醇、乙醇及异丙醇等。异丙醇渗入砂型的量少，涂刷方便，配制的涂料质量好，且毒性小，但挥发慢、价格较高；甲醉价格低，易挥发，但单独使用时有较强的毒性，刺激眼神经；乙醇无毒、无臭、易挥发、可燃烧，是最经济、最安全的载液。但工业酒精纯度在95％左右，含水约5%，影响涂料的点燃性，涂料点火燃烧困难，不易充分燃烧。选用工业酒精作为涂料主要载体，再加入少量甲醇及助燃剂，消除水分对涂料点燃性的影响，同时助燃剂可使涂料粘度提高，减少溶剂渗入砂型的深度， 有利于防止铸件表面气孔的产生。13 粘结剂粘结剂分为常温和高温粘结剂两大类。常温粘结剂的作用是将耐火填料颗粒粘结在一起使涂层具有一定的强度，并使耐火填料颗粒粘附在铸型芯表面防止涂层从型腔表面脱落；高温粘结剂的作用是保证涂层能够抵御高温金属液体的冲刷而不脱落、开裂。选用酚醛树脂和松香作常温粘结剂。酚醛树脂溶于醇类溶剂，不溶于水，常温粘结力强，可使涂层获得高的常温表面强度，但发气量较大，加入量大涂层点燃时易开裂，且易造成铸件产生气孔缺陷；松香价格低，而且在涂层点燃后不易开裂，浇出的铸件表面光滑，但是其热稳定性差，粘结强度低。采用酚醛树脂与少量松香配合使用，不仅可以减少粘结剂的加入量，提高涂料的粘结强度，而且可以提高载体粘度，减少乙醇向铸型内部渗透，防止涂层开裂，避免气孔缺陷的产生。通过试验，酚醛树脂和松香的配比定为3∶1~5∶1。选用磷酸盐作高温粘结剂。在加热条件下，磷酸盐会产生少量粘稠液体，聚合成网状结构，包裹耐火骨料颗粒，促使涂层烧结，增强涂层抵抗金属液冲刷和开裂的能力。另外，磷酸盐还能使涂料层促凝自硬，提高涂料的抗流淌性能。14 悬浮剂红柱石粉的密度虽然比锆英粉的低，但仍比石墨、石英等粉料的高，因此必须加入悬浮性能较好的悬浮剂，以防止红柱石骨料在涂料中分层沉淀，影响涂层质量。选用锂基膨润土和硅酸镁铝作为复合悬浮剂。锂基膨润土是以天然钙基膨润土为原料，经过人工锂化改性制备出的一种矿物材料。它在水的引发下能够与醇类溶剂形成胶体状物质，获得好的膨胀稠化能力，但用锂基膨润土配制的涂料在放置一定时间或中长途运输脱水后，涂料变为硬层，形成板结，影响使用。硅酸镁铝是一种经人工提纯的新型矿物材料，加入涂料中具有一定的悬浮能力，且能防止涂料板结现象的产生。15 增稠剂与水基涂料相比，醇基涂料悬浮性、涂挂性及触变性等性能仍显不足。聚乙烯醇缩丁醛(PVB)具有较好的增稠效果，对溶剂的抗载体流失性具有较好的作用，有效地防止了溶剂的渗透力, 提高涂料的涂挂能力，使涂料具有较好的工艺性能。PVB加入量控制在05% 以下。加入量过多, PVB易形成连续膜，阻碍点燃时气体的排出，导致涂层表面起泡，影响型芯的表面质量和抗粘砂性能。2 涂料的配比及制备工艺21 涂料的配比通过正交试验获得红柱石粉涂料的配比，见表2。22 涂料的制备工艺涂料的制备工艺对于获得优良的涂料工艺性能以至优质的铸件表面至关重要。试验表明，悬浮剂是影响涂料各项工艺性能的最主要因素。悬浮剂能否在涂料中得到良好的分散在很大程度上决定了涂料工艺性能的优劣。同时，悬浮剂也是涂料各组分中最难分散的组分。采用立式胶体磨预处理悬浮剂膏料。由于胶体磨转齿与定齿之间的间隙可以调整至60 m以下，转速高达3000 r/min, 膏料受到很强的抽吸、剪切、摩擦和高频震动作用，能得到有效的搅拌、均质、分散和细化，再将这种均匀、稀化后的膏加入到搅拌机中与耐火骨料等涂料其它组分一起搅拌，涂料很容易分散、均质。在胶磨之前首先将复合悬浮剂锂基膨润土和硅酸镁铝粉料用水引发，使晶层先胀开，再加人乙醇，倒入胶体磨中胶磨3~6次。涂料的制备工艺如下：悬浮剂的预处理：复合悬浮剂+少量水+部分乙醇胶体磨循环研磨3~6次制得悬浮剂膏。涂料各组分的分散：悬浮剂膏+乙醇高速搅拌机搅拌10 min加入酚醛树脂+松香+磷酸盐+PVB搅拌10 min加入红柱石+助剂+甲醇+助燃剂搅拌50 min加入少量乙醇搅拌10 min，调整密度出料。3 涂料的性能所制备的红柱石醇基涂料的各项工艺性能如表3。工艺性能试验按JB/T5107-91《砂型铸造用涂料试验方法》进行。从表3可以看出，所研制的红柱石醇基涂料的各项工艺性能均已达到并超过国内外同类产品的水平。短期悬浮性（2 h）达99%，完全能够满足生产现场涂料刷涂、流涂及喷涂等各种涂刷工艺的要求。80%以上的长期悬浮性（30 d）保证了涂料长期存放后不产生板结现象，轻微搅拌既可使用，并且经长途运输后不沉淀、分层，便于涂料的大面积推广。涂料的剪切稀释比M值反映了涂料的表观粘度随剪切速率提高的下降趋势，M值越大，表观粘度下降越大，涂料越易涂挂，即其涂挂性越好。M值的范围通常在2~10之间。本涂料的M值为8，接近于10，表明涂料具有优良的涂挂性。涂料只有具有优良的触变性才能同时具有优良的涂挂性、流平性及抗流淌性等工艺性能，即在刷子的搅动下，涂料很快变稀，粘度下降，涂挂性好；当搅动停止，粘度上升，抗流淌性好；且粘度逐渐上升，又保证了好的流平性。本涂料的触变率N=54%，远大于涂料触变性应大于20的要求，表明涂料具有优良的涂挂性、流平性和抗流淌性。另外，该涂料的发气量低，最大发气量为12 ml/g，比传统的醇基涂料发气量小很多(一般醇基涂料发气量小于20 ml/g)。4 生产应用把红柱石醇基涂料分别在天津几个厂家的各类大中小铸钢件和合金钢件的水玻璃、酚醛树脂等石英砂型上使用。材质为ZG230-450、270-500等。生产的铸件有支撑座、梯板、蓖条、衬板、磨门衬板和辙叉等几十种，最大单件重量为4 500 kg，最大壁厚200 mm。涂料采用刷涂方法，中小件刷一遍，大件刷2~3遍。用这种涂料生产的各类铸钢、合金钢件表面光洁、平整，轮廓尺寸清晰。落砂时，轻轻敲打铸件，烧结层能够呈片状脱落，涂层被烧结成浅黑色，界面光滑，易于清理，如图1所示。对涂料成本进行了分析。结果表明，研制的红柱石醇基涂料成本比单一锆英粉醇基涂料降低50%。5 红柱石涂料的抗粘砂机理上述试验及生产应用表明，红柱石醇基涂料生产铸钢件具有优异的抗粘砂性能，这可以用耐火-烧结防粘砂理论加以解释。耐火-烧结防粘砂理论指出，好的防粘砂涂料耐火骨料颗粒既要高的耐火度，颗粒间又要有一定的烧结，以形成耐火的烧结层，这样的烧结层易从铸件剥离、脱落，获得的铸件表面光洁、平整，无需费力清理。前已提及，红柱石粉本身具有很高的耐火度，在加热到1 200 ℃以上后，还会形成耐火度达1 800 ℃的莫来石相，这满足了涂料高耐火度的要求。为了考察在实际铸钢浇注温度下红柱石涂料是否形成莫来石，对涂刷该种涂料浇注铸钢及灰铸铁件后形成的靠近铸件一侧的涂料层表面进行了X衍射分析，结果如图2所示。可看出，未浇注的涂层由红柱石组成；在浇注1 370 ℃灰铁液后，涂料层中红柱石已转变为部分莫来石相；在浇注铸钢更高的温度（1 550 ℃）下，生成了大量的莫来石相，同时还生成少量石英相。这种石英相从红柱石颗粒表面析出, 为粘稠状玻璃态物质，充填在涂层莫来石或红柱石相颗粒之间,使这些颗粒受到不同程度的熔融和烧结, 封闭了金属液渗透的通道, 形成阻渗致密层, 从而有效地防止了钢液对涂层的渗透, 同时也阻止了型芯气体向铸件的侵入。红柱石醇基涂料更详细的抗粘砂机理需要今后进一步加以研究。6 结 论（1）通过对涂料各组分的选择与优化使研制的红柱石醇基涂料获得了优良的悬浮性、涂挂性、流平性及抗流淌性等工艺性能。（2）红柱石涂料适用于砂型铸造生产铸钢、合金钢等各类型铸件，涂层耐火度高，并能适度烧结成致密的隔离层，落砂后易剥离、脱落，好清砂，可获得表面光洁的铸件。（3）红柱石醇基涂料成本低，与醇基锆英粉涂料相比成本可降低50%。