铝合金压铸用乳液涂料主要性能指标及检测方法

压铸涂料是压铸前涂在压铸机型腔和压室、压射冲头表面的,具有润滑效果的耐热涂料,主要作用是帮助压铸件能够从模具中顺利取出,并且使产品保持完整性和后加工性[1-2]。压铸涂料按性能特点可分为油基涂料、水基涂料和粉体涂料等种类。水基乳液涂料因具有脱模性好、无污染、铸件表面光洁、少气孔、调节模温以提高模具寿命,有利于自动化操作等诸多优点[3],在压铸中得以广泛应用。它在高温模具的型腔表面喷涂后可以形成一层厚度只有微米级的薄膜[4],降低铸件压射成形时金属液对模具型腔的冲击,减少铸件与模具型腔的磨损,保护型腔,并起到润滑作用。
根据压铸工艺原理和涂料所起的作用分析,铝合金压铸乳液涂料应满足图1所示性能要求[5-7],即乳液涂料应具有强稳定性、良好的高温润湿性和优异的高温润滑性。此外,涂料还应不腐蚀模具和工件,对后续工序适应性好,不影响铝合金铸件喷漆、电镀等。

目前,国内在实验室条件下,尚无一套统一的有色合金(包括铝合金) 压铸乳液涂料评价体系标准和综合性能检测方法,大多将配制的涂料直接喷涂在压铸机模具上,通过脱模性和铸件表面质量来检验涂料性能好坏。此种方法的后果是,一旦涂料的脱模效果不佳,铸件难以从模具中取出,可能会对昂贵的模具产生一定的损坏。因此,所研制的涂料不能冒然试于压铸机,在使用之前对其相关性能的检测也显得尤为必要。为此,本研究在开发铝合金压铸用乳液涂料的过程中,在参考同行工作的基础上,并借用金属塑性加工的相关检测方法,初步探索出了衡量铝合金压铸用乳液涂料综合性能的指标及其检测方法。

1 涂料性能指标及相关测试方法
1.1 乳液稳定性
涂料属O/W型乳液,因此稳定性是至关重要的。如果稳定性达不到要求,当起脱模作用的油大量漂浮时,整个体系脱模效果变差,且浮油层易污染容器、堵塞喷涂管道。根据实际生产要求,涂料密封保存期至少为半年,稀释后乳液在室温下至少能存放10天而不出现任何分层。乳液稳定性可以从以下几个方面来考虑:高温稳定性、剪切稳定性、室温储存稳定性。
(1) 高温稳定性。将100 mL乳液样品移入量筒并一齐置于85 ℃带鼓风的恒温烘箱内,96 h后取出并观察其油水分离的情况(GB/T 16497—2007)。
(2) 剪切稳定性。按最佳使用稀释比稀释乳液涂料,将稀释后涂料在1 500 r/min的搅拌机下搅拌30 min,对比搅拌前后,看是否有固态不溶物质析出。
(3) 室温储存稳定性。用标准D水稀释样品50倍,用100 mL量筒(或离心管) 盛装,在(30±2) ℃条件下静置,并观察样品能保持完全不分层的最长时间(CIPAC MT 36检测法[8)] 。

1.2 高温润湿性
在模具工作温度下,乳液涂料载体的蒸发速度是相当高的,如果模具温度过高,雾状喷涂涂料由于受模具表面的热辐射作用而形成蒸汽垫,从而阻碍后续涂料有效地到达型腔表面,此称为“Leidenfrost效应”[9-10]。涂料能正常地在型腔表面扩散,载体蒸发,形成薄膜起到润滑作用时模具的最高温度称为涂料的高温润湿温度。喷涂时,铝合金压铸模模温为200~280 ℃,如果乳液涂料的高温润湿温度较低,喷涂涂料液滴无法起到润湿模具型腔的效果,因此要求涂料的高温润湿温度至少为280℃。

综上所述,涂料的高温润湿性主要表现在两个方面,其一是喷涂涂料的高温润湿温度,另外就是涂料在模具型腔表面形成均匀润滑膜的能力,即成膜性。高温润湿温度用模拟法检测。图2所示装置,高温电炉加热与其固定的钢板,并通过温度控制器不断调整钢板的温度。试验时,将电炉和钢板倾斜45°放置,用手动喷雾器以定距离(约15 cm) 喷涂,待涂料刚好能在钢板上成膜而不发生流淌时的最高温度即为其高温润湿温度。在喷涂的同时亦观察涂料的成膜性,好的成膜性涂料能在所及钢板范围内形成厚度均匀的润滑膜,而不是以油滴的形式在局部聚集。

1.3 高温润滑性
铝合金压铸过程中,开模取件时模温为280~430℃,为防止铸件粘模、起毛,涂料必须具有优异的高温润滑能力。研究表明,压铸乳液涂料的高温润滑性能,是油膜和气膜润滑共同作用的结果[11-12]。为了防止铝液在冲刷模具型壁的过程中破坏润滑膜结构,作为润滑油膜,应具备适当的厚度和高的强度。气膜是乳液涂料受热分解的产物,它反作用于刚凝固的固体薄壳,从而平衡掉部分压射力,有助于保持薄壳的完整。但过大的反压力会使铸件表面产生气凹,甚至气体渗入铝合金表面而造成皮下气孔等缺陷。涂料的发气特征也在一定程度上反映了其润滑组分耐高温性,如果涂料耐高温能力较差,其有效润滑组分会在短时间内迅速分解而产生大量气体,起不到持续润滑的作用。因此,好的压铸乳液涂料,应能在浇注到取件整个过程中产生缓慢且持久的发气行为。(1) 润滑膜强度。将乳液涂料的水分烘干,在四球磨损试验机上测油脂混合物的最大无卡咬负荷PB(GB/T 12583—1998),以此评定润滑膜的强度。
(2) 涂料的发气性。用SFL 型记录式发气性试验仪测乳液涂料的发气特性。铝合金液压射入型腔后,模具—金属液界面温度瞬时可高达670 ℃,因此,选择测试涂料在670 ℃时的发气特征。取0.1 g烘干试样置于预先脱去气体的试样盘,推入670 ℃的石英管中,试验仪便自动记录试样的发气情况。
(3) 高温润滑性。可用静摩擦力[13]或高温摩擦系数来衡量涂料的高温润滑性。
静摩擦力法是模拟铝合金压铸的实际环境,用静摩擦力的大小来衡量涂料润滑性的一种方法。图3所示,在加热的钢板上喷涂涂料,将一金属圆筒平放在钢板上并向内注入铝液,浇注完毕后用铁锤给铝液施加一定的压力,待铝液完全凝固后,用拉力计慢慢拖动整个圆筒体系,圆筒在钢板上刚好发生移动时拉力计的读数即为静摩擦力的大小。考虑到实验条件的限制和实验结果的重复性,本研究选择用高温摩擦系数来评价乳液涂料的高温润滑性。

高温摩擦系数用圆环墩粗法测定(JB/T 7708—1995)。将外径12 mm、内径6 mm、高4 mm的铝合金圆环和两钢块A、B (45#钢) 在加热板上升温到300 ℃,分别在两钢块上喷涂涂料至形成一层润滑膜,将铝合金圆环夹在钢块A和钢块B之间,一并取出且快速将其放置于图4所示自制墩粗装置,墩粗,至圆环高度压缩到2 mm左右为止。
    
分别用公式(1)、公式(2) 计算变形圆环的内径减缩率δ和高度压缩比η,并通过图5所示理论校正曲线查找其高温摩擦系数。为了尽可能减小误差,每组试验至少重复3次。

式中:d为圆环试样的原内径(d=6 mm);d′为压缩变形后圆环试样的内径平均值。


式中:h为圆环试样的原高度(h=4 mm);h′为压缩变形后圆环试样的高度平均值。

2 试验结果与分析
试验准备四种样品涂料,分别是某进口2590型涂料、某进口5038型涂料、国产某型号商品涂料和本研究的Lub-1型涂料。按上述方法进行性能测试,所得结果分别如表1、图6所示。
表1 样品性能测试结果


将四种样品涂料按其最佳稀释比例稀释,喷涂于DM300型压铸机压室型腔模具上,其使用效果如表2所示。

试验发现,2590型涂料的脱模性较差。经分析,主要因为两方面原因:①从发气特征曲线可以看出,其润滑组分耐高温能力较差,在10 s内迅速分解,起不到持续润滑的效果;②最大无卡咬负荷较小,润滑膜强度较低,在铝液的冲刷下润滑膜结构容易发生破坏。相比之下,5038型、Lub-1型和国产某型号涂料均具有缓慢持久的发气行为,油膜强度较高且高温润滑性较好,因此,脱模能力相对较强。其中,5038型涂料因在模具型腔表面形成一层牢固耐铝合金液冲刷的、耐高温且在整个压铸过程中产生持续稳定气膜的润滑层,脱模性要好于其他三种涂料。
5038型涂料和国产某型号涂料所得铸件表面会出现褐色斑点。经初步分析,这和涂料的成膜性有关。当成膜性较差时,涂料会以油滴的形式在局部聚集,遇到较高温度的铝液时,油滴分解后的褐色固体残留物会附着在铸件表面,从而产生斑点。
综上所述,铝合金压铸乳液涂料的脱模能力主要取决于其润滑膜强度、发气特征和高温润滑性,而涂料的成膜性则直接影响铸件表面亮度。

3 结论
(1) 铝合金压铸用乳液涂料应具有强稳定性、良好的高温润湿性、适当厚度和强度的润滑膜、缓慢且持久的发气特征和优异的高温润滑性等性能。
(2) 涂料的脱模能力主要取决于其润滑膜强度、发气特征和高温润滑性。
(3) 涂料的成膜性直接影响铸件表面光亮度。
(4) 将高温稳定性、剪切稳定性、室温储存稳定性、高温润湿温度、成膜性、最大无卡咬负荷、发气特征、高温摩擦系数等作为衡量乳液涂料的性能指标,对实验室铝合金压铸用乳液涂料的研究具有较强的参考意义。

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