铝合金金属型水基铸造涂料的研制

 目前常用的铝合金金属型铸造涂料主要有石棉粉保温涂料、石墨粉涂料、氧化锌涂料3 种[ 1 ] 。石棉粉涂料保温性能良好,但热涂刷性差,涂层易起皮开裂,表面凸凹不平,得到的铸件表面较粗糙[2 ] ;氧化锌涂料悬浮性差,且热稳定性不好,高温下易与Al2Si 系合金中的Si 发生反应,合金液与型壁粘附[3 ] ;石墨粉涂料强度低,浇注时涂料在合金液的冲刷下易脱落,导致铸件表面形成缺陷;上述涂料显然已不能满足铸件表面质量越来越高的要求。因此,开发提高金属型铝合金铸件表面质量的高性能铸造涂料是目前研究热点。现有的商品化铝合金金属型铸造涂料成本普遍较高,且关于涂料成分对性能影响的研究相对较少。本实验选用硅藻土为耐火骨料,钠基膨润土和羟甲基纤维素钠为悬浮剂,水玻璃和聚乙烯醇为粘结剂,水为载液,得到一种底层和面层合二为一的金属型水基铸造涂料,所用原料均来源广泛、价格低廉,因而涂料成本较低。同时研究了涂料成分对涂料粘度、悬浮率等性能的影响,为铝合金金属型铸造水基涂料的研制提供参考。

1  实验材料及方法
1. 1  实验材料
以硅藻土为耐火骨料,钠基膨润土和羟甲基纤维素钠(CMC) 作为复合悬浮剂,水玻璃(模数为3. 0) 和聚乙烯醇(PVA ,聚合度1 750 ±50) 作为复合粘结剂,NaCl 作为辅助材料,自来水作为载液。
1. 2  实验方法
在钠基膨润土中加入其质量3 %的NaCl ,对其起到活化作用,再加入其质量4 倍的水,球磨2 h ,静置48 h使活化反应充分进行; PVA 和CMC 分别配成10 %和5 %的水溶胶。涂料制备的工艺过程是: 将预制的膨润土浆、CMC 以及PVA 水溶胶、水玻璃和水按照实验设定的比例依次加入到硅藻土中,球磨4 h ,得到所需的涂料。涂料的性能测试参照文献[ 4 ]进行。

2  实验结果及分析
2. 1  涂料性能测试结果及分析
悬浮率、粘度、涂刷性等是金属型涂料的重要性能,以正交实验来考察涂料成分对这些性能的影响,并确定综合性能较佳的水基涂料配比。实验采用4 因素3 水平正交表L9 (34 ) 进行方案设计(表1) ,所有涂料配方均按硅藻土100 份,其它组分相对于硅藻土所占的份数计量。通过调整涂料中水的加入量,将九组涂料的密度控制在1. 15 g/ cm3 左右, 固含量控制在32 %左右。按据表1 所给定的因素水平配制涂料,并测试性能,结果见表2 。
表1  正交实验因素水平表L9


 一般对水基铸造涂料悬浮率、粘度和涂刷性的要求是:静置6 h 悬浮率应在90 %~95 %以上,24 h 涂料底部不能有板结的情况发生;粘度适中,但是粘度不单独作为考核涂料性能的指标[ 4 ] ;涂刷性指数不小于4. 5[5 ] 。从表2 中的实验结果来看,除了A1B3 C3D3 的悬浮性较差以外,其它涂料的悬浮性均满足金属型铸造涂料的要求,A3B3 C2D1 的24 h 悬浮率高达91. 7 % ,悬浮性最好。A2B2 C3D1 的涂刷性指数为4. 5 ,9 组涂料中其涂刷性最好。在保证涂料涂刷性最好、悬浮率较高、粘度适中的情况下,初步选定配比较佳的涂料是A2B2 C3D1 ,其配比为硅藻土∶钠基膨润土∶CMC ∶水玻璃∶PVA ∶水= 100. 0 ∶14. 0 ∶0. 3 ∶11. 0 ∶1. 0 ∶240. 0 (质量比) 。为了进一步考察涂料A2B2 C3D1 是否满足金属型水基铸造涂料的要求,对其它性能进行了详细的研究。

2. 1. 1  涂料A2B2 C3D1 的流变性
涂料的流变性是衡量涂料工艺性能的一项重要指标,流变性与涂料的涂刷性、流平性等有很大关系。图1 为采用NDJ21 型旋转式粘度计测定的流变性曲线。可以看出,曲线的直线部分延长线与纵轴交于τ0 (屈服值) ,随着剪切速率D 的增加,剪切应力τ增长缓慢,剪切应力τ的增长小于剪切速率D 的增长。由这几个变化过程可知涂料A2B2 C3D1 是带有一定屈服值的假塑性流体,这是铸造涂料理想的流体类型。

图1  涂料A2B2C3D1 的流变性曲线
涂刷性好的涂料应为高剪切速率下剪切应力较小的涂料。流平性好的涂料应该是在低剪切速率( D =0~10 s – 1 ) 下剪切应力不大的涂料[1、3 ] 。由图1 可知,涂料A2B2C3D1 满足这两个特点,因此其涂刷性和流平性都很好,涂刷时流畅,涂敷均匀,刷后粘度会迅速恢复,表面张力增大,刷痕很快消失,能够得到平整光滑的涂层。

2. 1. 2  涂料A2B2 C3D1 的触变性
触变性是指涂料剪切变稀、静置变稠的性质[6 ] 。

图2 是采用NDJ21 型旋转式粘度计测定的触变性曲线。由图2 可知涂料A2B2 C3D1 的粘度,在恒定的剪切速率下,随着剪切时间的延长而大幅度下降,即涂料具有很强的剪切变稀能力,其触变性为:

金属型水基铸造涂料一般要求触变性大于20[4 ] ,涂料A2B2 C3D1 的触变性为47. 27 ,说明其触变性良好,且具有较好的抗流淌性。
2. 1. 3  涂料A2B2 C3D1 的导热性能
金属型涂料的导热性能直接影响到金属型的寿命、金属液的流动充型能力、铸件的凝固过程,以及组织结构等。因此,金属型涂料的导热性能在金属型铸造涂料的选择上是极其重要的指标。
导热系数λ的计算公式[7 ] 为:

式中 Q ———铸件凝固时传出的总热量,J ;
X ———涂层厚度,m ;
T1 ———铸件表面平均温度, ℃;
T2 ———铸型型腔表面平均温度, ℃;
F ———铸件与铸型接触的总面积,m2 ;
τ———铸件凝固时间,s。
铸件在凝固时传出的总热量

式中 G———铸件重量,kg ;
L ———金属结晶潜热,J ·kg – 1 ;
Q散———铸件自由表面散失到大气中的热量,J 。
合金ZL114 的结晶潜热L 为388 175 J ·kg – 1[8 ] ,铸件质量G 为0. 258 kg ,经测量计算F散= 4. 0 % F总(其中, F散指铸件自由散热面积, F总指铸件外表面总面积) 。当F散< 5. 0 %F总时,Q散可以忽略不计[7 ] ,故根据(3) 式计算得到Q = G ·L = 100 149. 15 J 。实验数据以及将实验数据带入(2) 式计算得到的导热系数值见表3 。
表3  导热系数测量结果

 由表3 可以看出,实验测得涂料A2B2C3D1 的导热系数为0. 234 J ·℃- 1 m- 1 s – 1 ,该涂料导热系数相对较小,用于金属型涂料,可起到保温和保护金属型的目的。

2. 1. 4  涂料A2B2 C3D1 与金属型的附着力
采用冲击测定法[4 ] 测量涂层与金属型之间的附着强度。在薄钢板上面喷涂一层厚度为0. 3~0. 4 mm的涂料,烘干后,用300 g 圆形重物从60 cm 高处自由落下连续冲击钢板背面10 次,经肉眼观察,冲击后涂层与钢板之间结合良好,没有剥落现象。为了更好的考察冲击前后涂层与薄钢板之间的结合情况,利用扫描电镜对其界面进行观察,结果如图3所示。

 从图3 可以看到,在未受冲击时,涂层与钢板结合很紧密,涂料均匀地粘附在钢板表面,在经过冲击以后,涂层与钢板的依旧结合很好,没有出现缝隙,也没有脱落。由此说明该涂层与金属型之间有较大的附着力,附着强度较高。

2. 1. 5  涂料A2B2 C3D1 的其它性能
涂料A2B2 C3D1 的其它性能见表4 。
表4  涂料A2B2C3D1 的其它性能

从涂料的性能测试结果可以看到: 涂料A2B2 C3D1 常温性能、高温性能以及使用性能都良好,能够满足金属型水基铸造涂料的要求。

2. 2  浇注试验
利用A2B2 C3D1 涂料,进行了ZL114 合金试棒的浇注试验。在金属型表面均匀喷涂厚度为0. 3 ~0. 4 mm的涂料,宏观观察,发现涂层与铸型结合良好,其表面光洁平整且均匀致密、烘干后,涂层无裂纹和起皮等缺陷。喷涂一次涂料后,连续浇注9 次,其浇注的试棒外表宏观照片如图4 。从第1 次浇注到第9次浇注,铸件均脱模容易,铸件出型后,涂层表面依旧光滑平整,与铸件没有发生粘附,也没有脱落,这说明涂层与金属液间润湿性差,而涂层与金属型之间结合很好,且表面强度较高。从多次连续浇注过程来看,所得试棒均充型完整、棱角清晰,没有冷隔、流痕、凹坑等缺陷,表面光洁平整,粗糙度Ra 在1. 0~2. 0μm 左右。该实验进一步证实了前面对所得涂料性能的分析,也就是说,该涂料可满足金属型铸造的要求。

2. 3  涂料成分对其性能的影响
通过正交实验研制出性能较好的涂料以后,分析涂料成分对其性能的影响规律,为优化涂料性能提供参考。表5 为采用极差分析法对表2 中的正交实验结果进行分析所得结果。可以看出,影响涂料24 h 悬浮率最显著的因素是钠基膨润土, PVA 对24 h 悬浮率的影响较大。影响粘度的因素从强到弱依次是钠基膨润土、PVA、水玻璃、CMC;影响涂料涂刷性最显著的因素是PVA ,其次是钠基膨润土,CMC 对涂刷性的影响最小。
表5  正交实验结果极差分析

2. 3. 1  涂料成分对悬浮率的影响
涂料是一种悬浮液分散体系,硅藻土颗粒的密度大于水的密度,故在重力作用下,硅藻土颗粒有向下沉降的趋势。当硅藻土颗粒受到的重力与浮力之差,小于或者等于剪切力限τ0 时,就不会下沉[9 ] 。根据Cas2sonτ0 模型[10 ] ,τ0 越大,耐火骨料颗粒向下沉降受到的阻力就越大,涂料的悬浮性就越好。涂料成分对悬浮性的影响如图5 所示。

图5  涂料成分对其24 h 悬浮率的影响
从图5 可以看到:当涂料中的钠基膨润土含量从12 %增加到16 %时,涂料的24 h 悬浮率逐渐提高。这是因为钠基膨润土的量越多,涂料中的立体网状结构就越多、越牢固,破坏这种网状结构需要施加的剪切力τ0 就越大,涂料的悬浮性就越好。CMC 含量从0. 2 %增加到0. 4 %时,悬浮率先是稍有提高,然后又显著下降。随着水玻璃以及PVA 含量的增加,涂料的悬浮率均大幅度下降。

2. 3. 2  涂料成分对粘度的影响
涂料成分组成对其粘度的影响如图6 所示。由图6 可知,当涂料中的钠基膨润土含量和CMC 含量增加时,涂料的粘度都呈现上升的趋势;随着水玻璃含量的增加,涂料的粘度是逐渐下降的; PVA 含量从1 %增加到3 %时,涂料的粘度先上升后下降。高度分散后的钠基膨润土呈片状,片状颗粒平面上带负电荷,边棱部分带正电荷,正负电荷相吸引,使钠基膨润土颗粒棱角边缘搭结形成立体网状结构。CMC 的主链上带有许多强极性的亲水基团,基团之间可借助于氢键、静电引力和范德华力相结合, 从而CMC 高分子链间形成立体网状结构,钠基膨润土的网状结构与CMC 高分子网状结构会产生交联作用,增加体系的粘度[4 ,11 ] 。钠基膨润土与CMC 的量越多,这种交联作用就越强烈,体系的粘度就越大。

2. 3. 3  涂料成分对涂刷性的影响
涂料成分对涂刷性的影响如图7 所示。由图7 可知,随着钠基膨润土含量从12 %增加到14 %,涂料的涂刷性升高,从14 %增加到16 %,涂刷性显著下降;随着CMC 含量的增加,涂料的涂刷性逐渐增加;随着水玻璃以及PVA 含量的增加,涂料的涂刷性均大幅度下降。

PVA 在涂料中除了起粘结作用外,还是涂料的增稠剂,涂料中PVA 含量越多,涂料就越粘稠,涂料的流动性就越差,涂刷时就越费力,因而涂刷性就越差。

3  结论
(1) 当硅藻土∶钠基膨润土∶CMC ∶水玻璃∶PVA ∶水= 100. 0 ∶14. 0 ∶0. 3 ∶11. 0 ∶1. 0 ∶240. 0时,涂料有优良的工艺和使用性能。将其喷涂到金属型上进行浇注, 能够得到表面粗糙度Ra 在1. 0 ~2. 0μm左右的铝合金铸件。
(2) 影响涂料24 h 悬浮率和粘度最显著的因素是钠基膨润土; 影响涂料涂刷性最显著的因素是PVA 。
(3) 涂料中钠基膨润土含量增加时,涂料的悬浮率以及粘度都升高。CMC 含量增加时,粘度以及涂刷性升高。水玻璃含量的增加导致悬浮率、粘度和涂刷性均大幅度下降。PVA 含量的增加导致涂料悬浮率和涂刷性均降低。

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