淺紅色自剝落醇基鑄鐵涂料的研制與應用

王通平，寧強偉，黃吉鋒

淺紅色自剝落醇基鑄鐵涂料的研制與應用

王通平，寧強偉，黃吉鋒

【摘要】經過大量試驗及生產驗證，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分，鑄件落砂時涂料自動從鑄件表面脫落或經輕微敲擊后剝落。鑄件表面光滑平整，涂料具有較寬的燒結溫度，適應壁厚不同，大小不一的各類鑄鐵件。

一、概述

鑄造生產中為提高鑄件表面質量，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，價格便宜，在澆注溫度下能析出光亮碳，在涂料表面形成保護膜，能降低鐵液對鑄型的潤濕能力，防止粘砂缺陷，以及落砂時鑄件容易清理等特點，是目前鑄鐵生產中使用較多的涂料。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。而且鑄件清理時會有大量粉塵，污染環境，危害健康。國內許多科研院所也一直開發研制淺色燒結剝離型涂料，但存在同一配方不適合大小不一的鑄件使用。為此，我們開發了一種淺紅色鑄鐵涂料。該涂料涂層通過反應燒結，在鑄件表面結殼起翹，清理時涂料會自動從鑄件表面脫落或經輕微敲擊后剝落。鑄件表面光滑平整。涂料具有較寬的燒結溫度，適應壁厚不同，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，由高鋁礬土原礦經過1300 ～1500℃高溫煅燒得到剛玉質鋁礬土熟料，來源廣泛，成本低廉。鋁礬土主要礦物組成為剛玉（α-Al2O3）和莫來石（βAl2O3. SiO2），高溫線脹系數小，熱穩定性好，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物質，同時金屬液及其氧化物對鋁礬土的浸潤性比較低，具有良好的抗粘砂性能。綜合考慮骨料在高溫下與液態金屬的浸潤性和耐火度，以及鑄件表面質量和鑄件成本，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，能在金屬液澆注時促進涂料固液區間的擴大和低熔點混合物的形成。這些低熔點混合物可以很好地浸潤涂料中的耐火骨料顆粒，且結構相近，容易與耐火骨料發生熔解、滲透、晶相重組等變化，形成燒結層，阻礙金屬液進一步滲透。由于涂料燒結層與金屬的收縮率相差較大，而且涂料的內應力大于與鑄件的黏附力，使燒結層易于剝落。

該涂料選用以下三種燒結助劑。

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的消耗，使多余的含鐵氧化物積累在金屬表面，達到一定厚度，形

成剝離涂層。

（2）鉀長石其熔點為1200℃，能促進高熔點耐火骨料的燒結，使涂料燒結成硬而致密的熔融態薄殼。

（3）天然含鋯硅酸鹽類礦物其主要化學成分見表2。

該物質含有一定量的藍晶石相，其在1100～1650℃高溫下可轉變為莫來石和方石英，方石英在高溫下呈熔融態玻璃聚合體，使燒結溫度和熔化溫度之間具有較寬的溫度區間的特點。莫來石具有很高的耐火度，在1800℃時仍很穩定，化學惰性高。藍晶石相使涂層與鑄件金屬的線收縮系數差異增大，使涂料層與鑄件表面產生較大的切應力，導致涂料層從鑄件表層自行剝落。藍晶石相高溫轉變時產生的方石英呈玻璃聚合體，能抵御金屬液的滲透，防止鑄件機械粘砂，并且冷卻后方石英與鑄件的線收縮系數存在的差異也促進了涂料層冷卻后的自行剝落。

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

3. 懸浮劑

為防止涂料在儲存和使用的過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。當涂料在施涂時受到剪切力，黏度下降，剪切速率越大、時間越長，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土、有機膨潤土、累托石土及凹凸棒土等。

鋰基膨潤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，會造成涂料耐火度下降。由于用水預發，涂料含水量高，澆注時發氣量大，影響鑄件表面質量；另外，由于涂料含水量高，造成涂料點火燃燒不完全，表面存在較多殘渣，影響表面質量。鋰基膨潤土在水中易吸水膨脹形成穩定的膠體分散體，但在醇類介質中由于雙電荷層受到高度壓縮，分散粒子聚集，膠體穩定性較差，在儲存和運輸過程中易分層，造成涂料黏度下降，骨料沉降結塊，涂料變質。

有機膨潤土用量少，約為耐火骨料的2%，不明顯降低涂料耐火度，發氣量低，有利于提高鑄件質量。但其預發需用二甲苯，生產和使用過程會對人產生危害。

累托石土、凹凸棒土等也需用水預發，故也存在與鋰土膨潤土相同的問題。

經過篩選，選用一種含有硅酸鎂鋁白色復合膠態物質作為懸浮劑，其主要成分見表4。

該懸浮劑無毒，無味，不溶于水，可直接加入醇基涂料中進行分散，具有獨特的三維空間鏈式結構及特殊的針棒狀晶體結構，因而有不同尋常的膠體和吸附性能，膠體在pH3.5～11范圍內穩定性好，具有優異的增稠性、懸浮性，且耐火度高達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. 粘結劑

熱塑性酚醛樹脂常溫黏結力強，可使涂層獲得高的常溫表面強度，但發氣量大，加入量大時涂層點燃時易開裂，造成鑄件氣孔；松香點燃后不易開裂，澆注出的鑄件表面光滑，但是其熱穩定性差，黏結強度低。因此采用這兩種樹脂復配，可提高涂料的綜合強度，防止涂層點火開裂、避免氣孔缺陷的產生。

5. 其他組分

該涂料為醇基，考慮乙醇的價格較低，毒性小，揮發性較強，選用工業酒精（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成分（質量分數）　　　(%)

表3　燒結助劑的復配　　　　　　　（%）

表4　含有硅酸鎂鋁的懸浮劑主要化學成分（質量分數）　　（%）

6. 配比

在耐火骨料鋁礬土為主料的

基礎上，加入燒結助劑，通過考察涂料懸浮性、涂掛性、流平性、抗流淌性、表面強度及發氣量等性能，采用正交試驗，確定了涂料的最佳配比，見表5。

7. 制備

預先以載液總量的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+燒結助劑→攪拌30min→加入載液總量的5%→攪拌15min，調整密度→出料。

三、涂料性能測試

依照砂型鑄造用涂料JB/T 9226—2008標準對密度、懸浮性、黏度等性能進行檢驗。

（1）密度測得涂料的密度為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，記錄結果見表6。

（3）黏度按照規定采用標準涂-6黏度杯，時間為10s。

（4）發氣量使用SFL記錄式發氣性測定儀，測定1000℃發氣量為18mL/g。

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

四、涂料的應用

該涂料分別在我單位鑄造分廠、北仁機械廠生產的大小鑄件上進行了使用。澆注的鑄件有轉子（材質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℃；側蓋（材質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℃）；電動機殼體（材質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照片見圖1、圖2、圖3。

五、結語

生產應用結果表明，該涂料涂刷性、滲透性、流平性、抗流淌性和抗裂性均良好，形成的涂層強度高，拋丸清理后鑄件表面光潔，無粘砂、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火后狀態

圖2　十字頭軸承座鑄件清理打箱后狀態

圖3　十字頭軸承座鑄件噴丸后狀態

表5　涂料的最佳配比（質量份）

表6　涂料的懸浮性

20150129

作者簡介：王通平、寧強偉、黃吉鋒，中國船舶重工集團公司第十二研究所。