鑄造工藝中涂料的制備與應(yīng)用

周珊珊

(大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠，山西 大同 037001)

引 言

在鑄造生產(chǎn)過程中，鑄件的表面質(zhì)量與金屬液直接接觸的砂型(芯)工作表面的質(zhì)量密切相關(guān)，改善鑄件表面質(zhì)量有一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用而又收效顯著的方法，即在砂型(芯)工作表面上涂敷涂料。砂型(芯)涂料具有下述作用：1) 減少或防止鑄件粘砂缺陷；2) 降低鑄件表面粗糙度；3) 提高鑄型表面強(qiáng)度，減少和防止因砂型(芯)強(qiáng)度不夠而產(chǎn)生的鑄件夾砂、沖砂、砂眼等缺陷；4) 能夠有效的控制鑄件的冷卻速度，防止鑄件因冷卻速度而產(chǎn)生的縮孔、裂紋等缺陷。從成本方面考慮，涂料的廣泛應(yīng)用也能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于砂型鑄造，鑄件的清理工序非常重要，而涂敷涂料后能顯著提高鑄件的表面質(zhì)量，因此采用涂料不僅能夠降低鑄件的清理成本，而且能夠產(chǎn)生由于采用涂料而改善鑄件機(jī)械性能和降低鑄件的廢品率等方面的其他經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。同時(shí)目前，由于對(duì)鑄件質(zhì)量的要求日益提高，優(yōu)質(zhì)涂料的生產(chǎn)和應(yīng)用得到了快速的發(fā)展，對(duì)涂料的性能有更高的要求。

目前消失模代替木模的趨勢越來越顯著[1]，尤其是批量生產(chǎn)且要求表面精度高的中小型鑄件。而對(duì)于消失模鑄造，由于白模的強(qiáng)度差，必須要用到涂料。一般情況下車間采用外購?fù)苛系姆椒▉斫鉀Q涂料來源的問題。但是發(fā)現(xiàn)一次購進(jìn)一定量的涂料，短期內(nèi)用不完，導(dǎo)致涂料出現(xiàn)變質(zhì)和沉底等質(zhì)量問題，造成涂料浪費(fèi)損失。而且由于交通不便，涂料一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，無法及時(shí)補(bǔ)貨，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。所以根據(jù)車間的實(shí)際情況，解決涂料問題最經(jīng)濟(jì)的方法就是自行配制涂料。

1 材料的制備

1.1 涂料制備所需原材料

1) 耐火材料

耐火材料是涂料的最主要的成分。耐火材料能夠填補(bǔ)型(芯)表層出現(xiàn)的孔隙和凹坑；同時(shí)又能隔離型(芯)與金屬液，從而防止鑄件產(chǎn)生機(jī)械粘砂和化學(xué)粘砂等缺陷，使鑄件表面達(dá)到理想的表面粗糙度。通常根據(jù)鑄造合金的種類來確定耐火材料的種類。鑄鐵用涂料的耐火材料常選用石英粉，石英粉是涂料用最廉價(jià)的耐火材料之一，資源豐富，具有較高的熔點(diǎn)和燒結(jié)溫度。粒度一般在320目～200目。

2) 載液

載液在涂料中的主要作用是使耐火材料料能夠分散在其中，而載液的多少?zèng)Q定了涂料的涂敷狀態(tài)是漿狀或膏狀[2]。水或乙醇(甲醇)可作為載液。其中水基涂料成本比醇基涂料低，且獲得涂料具有良好的懸浮性，易于涂刷、流平性好、價(jià)格低廉且無毒安全。醇基涂料易干，但是成本較高，在澆注過程層中發(fā)氣量大，容易在鑄件表面產(chǎn)生氣孔等缺陷。同時(shí)制備出的涂料本身氣味較大，影響工人健康。因此本項(xiàng)目采用水基涂料工藝。

3) 粘結(jié)劑

粘結(jié)劑在涂料中的作用主要有兩個(gè)。第一，將涂料中的耐火材料等組分有效的粘接起來，使得涂層具有一定的強(qiáng)度和耐磨性；第二，將涂層與基體白模粘接在一起。粘結(jié)劑分為水基用和醇基用兩種，根據(jù)不同的載液使用相應(yīng)的粘結(jié)劑。對(duì)粘結(jié)劑的要求：在水中或乙醇中易容易分散；具有較強(qiáng)的干強(qiáng)度，高溫強(qiáng)度尤為明顯。本項(xiàng)目采用外購的桂林5號(hào)粘結(jié)劑，完全可以滿足粘結(jié)劑的要求。

1.2 涂料的制備

1) 涂料的配比

涂料中的固體物料所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)于涂料的性能非常重要。固體含量高的涂料，在干燥和激熱的情況下，涂層的收縮率小，不易發(fā)生開裂現(xiàn)象。涂刷次數(shù)相同所獲得的有效涂層厚度大。但是固體含量高，涂層太厚，不易干燥。因此，涂料的配比情況直接影響了鑄件的表面質(zhì)量以及后期鑄件的清理難度。

在鑄造生產(chǎn)過程中，對(duì)涂料的要求很高，要求涂料不裂、不垮、不粉化還要耐燒，硬度高。因此。調(diào)制合理的配比非常重要，水基涂料的稠稀要適當(dāng)。太稀，涂料掛不上去；太稠，涂料容易干裂、掉層、破皮。因此本項(xiàng)目擬定以下不同體積分?jǐn)?shù)的涂料，如表1所示。

表1 自制涂料配比方案

2) 涂料的配制

涂料的配比非常重要，涂料的攪拌也是重中之重。以前涂料靠人工來攪拌，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且攪拌不均勻，對(duì)鑄件的質(zhì)量影響非常大。因此車間技術(shù)人員提出自制一臺(tái)攪拌機(jī)的方案。技術(shù)人員測定攪拌機(jī)一次加入量，來制定攪拌機(jī)的體積。確定滾筒直徑為450 mm，長度為710 mm。再根據(jù)總重量和轉(zhuǎn)速，確定電機(jī)功率為2 kW～3 kW。方案制定后，工程技術(shù)人員和骨干工人車間在廢舊設(shè)備中找到可用的2.2 kW電機(jī)和減速器。自制聯(lián)軸器、瓦座，把傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置在焊接好的臺(tái)架上。在滾筒上開方口，安裝密封蓋，作為涂料的進(jìn)出口。下設(shè)流動(dòng)槽和涂料使用槽。經(jīng)過測算，繪制圖紙，部分零件外委加工和車間焊接裝配。涂料的攪拌程序?yàn)椋合葘⑺湍突鸩牧现糜跀嚢铏C(jī)中攪拌成漿狀再加入粘結(jié)劑。

3) 涂料的涂敷

涂料的涂掛方法根據(jù)鑄件的生產(chǎn)批量來確定。對(duì)于單件、小批量生產(chǎn)的鑄件，采用刷涂較為經(jīng)濟(jì)合理。對(duì)于較大的鑄件可采用流涂。因?yàn)榱魍康耐苛险扯刃。哂休^好的涂掛性能；批量和形狀復(fù)雜的模樣采用浸涂，薄壁易變形的模樣采用噴涂法。涂料在涂敷后的效果必須是能夠均勻的覆蓋在模樣表面，且在此過程無缺涂、過度流淌或夾雜氣泡等現(xiàn)象的出現(xiàn)。本車間根據(jù)鑄件的特點(diǎn)，采用涂敷方式為刷涂。

對(duì)于消失模鑄造，由于其對(duì)涂料涂敷的要求較高，所以其涂敷的步驟也較為復(fù)雜。通過技術(shù)人員和骨干工人的實(shí)驗(yàn)、總結(jié)，制定出涂料涂敷的技術(shù)方案：白模要經(jīng)過兩次涂刷涂料。第一次浸涂后涼掛在空氣中風(fēng)干一天；第二天浸涂后，用電烤爐烘干2 h～3 h。烘干溫度要嚴(yán)格控制在150 ℃～200 ℃溫度低，烘干時(shí)間慢；溫度高會(huì)把模型燒軟，損壞模型。

車間技術(shù)人員研究通過不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的涂料，以表1所示的配比方案為參考，研制最適合我車間實(shí)際生產(chǎn)的涂料。通過實(shí)際生產(chǎn)情況發(fā)現(xiàn)，1#涂料由于粘結(jié)劑的加入量較高，涂層和基體的粘接強(qiáng)度較高，使得后續(xù)的清砂難度加大，增加了工人的勞動(dòng)量。2#、3#以及5#涂料加入少量的耐火骨料和粘接劑，載液含量多但是形成的涂料固體含量較低，導(dǎo)致在涂敷階段就出現(xiàn)涂料掛不上去的現(xiàn)象。6#涂料的粘接劑量減少，增加了耐火骨料量，但是發(fā)現(xiàn)鑄件的化學(xué)粘砂情況嚴(yán)重，這是由于石英砂在高溫下易與鐵的氧化物生成低熔點(diǎn)、低黏度的化合物，容易造成鑄件粘砂的缺陷的出現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)4#涂料的固體含量適中，生產(chǎn)出的鑄件，易清砂，表面質(zhì)量好。通過一次次實(shí)驗(yàn)、總結(jié)，最終確定了4#為最優(yōu)的配比，即耐火骨料10%，載液80%，粘結(jié)劑10%。

2 創(chuàng)新及應(yīng)用情況

通過工藝的研究和改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)具有1)選用低價(jià)的水基和石英粉做原料，車間自制涂料，達(dá)到涂料的使用要求；2) 自制涂料攪拌機(jī)，一方面代替了手工作業(yè)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；另一方面提高了涂料的質(zhì)量；3) 提高了鑄件的質(zhì)量；4) 自制的涂料和涂料攪拌機(jī)可以滿足車間大規(guī)模使用涂料的要求等工藝創(chuàng)新。

自制涂料和涂料攪拌機(jī)在鑄造車間運(yùn)用了一段時(shí)間，生產(chǎn)過程中我們發(fā)現(xiàn)使用自制的涂料，生產(chǎn)出的鑄件表面質(zhì)量優(yōu)異，易清砂；自制的涂料攪拌機(jī)使用方便，易操作，攪拌后的涂料均勻，掛涂容易，使得生產(chǎn)效率提高3倍。鑄造車間的產(chǎn)量大幅服提高，目前生產(chǎn)的4千多塊地磚，500余噸鑄件的表面質(zhì)量優(yōu)異，受到用戶和廠領(lǐng)導(dǎo)的一致好評(píng)。

3 小結(jié)

自制的涂料和涂料攪拌機(jī)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。在經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面：據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，鑄件總生產(chǎn)成本的30%左右約為鑄件清理成本，而涂敷涂料后可使鑄件的清理成本降低10%以上。因此，采用涂料能降低鑄件總成本的5%以上。由于質(zhì)量提高且穩(wěn)定，減少了鑄件粘砂等廢品2.6%，年節(jié)約10萬元。同時(shí)，降低了外購?fù)苛铣杀荆旯?jié)約7萬元。在社會(huì)效益方面，由于自制涂料的應(yīng)用，鑄件易于清砂，降低了工人的勞動(dòng)，提高了勞動(dòng)效率。且自制的涂料攪拌機(jī)易于操作，攪拌時(shí)間較少，效率大幅度提高。