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镁合金用水基消失模涂料的制备与优化

       消失模铸造被称为“明天的铸造技术”和“铸造工业的绿色革命”,相比于砂型铸造、金属型铸造等传统的铸造工艺具有以下优点:设计灵活、生产周期短、效率高、投资成本低、操作简便,不仅适用于铸钢、铸铁,也适用于铜、铝、镁等合金的铸造。
       我国针对消失模铸造工艺的研究始于20世纪80年代,经过几十年的发展,目前成效显著,已经具备一定的自主研发、生产的能力,针对消失模铸造涂料的性能测试方法也取得了一定程度的进展,但是针对镁合金用消失模涂料的研究较少。我国镁合金铸件生产厂家大多数采用国外进口或者自配涂料,在使用过程中问题层出不穷,如涂料可储藏时间短、透气性差、铸件表面缺陷、内部不致密等,限制了我国镁合金消失模铸造行业的发展。所以,研制出一种综合性能优良的镁合金用消失模涂料已成为当务之急。
       镁合金是一种比重轻、比强度高、导热性能和切削性能较好的金属结构材料,广泛应用于机械制造、汽车、航空航天、军事等领域。由于铸造镁合金件的浇注温度较低,一般在720~750℃,金属镁液的热容量小。浇注时,EPS泡沫迅速热解,导致镁液冷却速度过快,容易导致冷隔和浇不足等缺陷。根据文献,模样与涂层具有较好的浸润性可使泡沫模样热解后的产物顺利排出,减少铸造缺陷的产生,部分行业专家采用在铸铝用消失模涂料中加入阻燃剂硼酸锌,取得了较好的效果,并申请了专利。通过查阅相关文献资料得知:镁砂粉抗碱性熔渣的能力较强,硅藻土具有较好的保温性能,云母粉可明显提高涂层的附着力、高温强度并改善涂层抗热震性能,以及防止涂料板结。
       本研究选择镁砂粉、硅藻土、云母粉三种不同耐火骨料,在确定耐火骨料中各组分的最佳配比后,采用正交试验法,对正交试验结果进行极差分析,最终确定钠基膨润土、羧甲基纤维素钠(CMC)、糊精、水玻璃的最佳加入量,最终研制一种综合性能优良的铸造镁合金用水基消失模涂料。
       1 试验材料与方法
       1.1 试验原材料
       耐火骨料选用硅藻土(生土),粒度325目;煅烧镁砂粉,粒度200目;云母粉(颗粒状),粒度200目。
       消失模铸造对涂层强度、悬浮率有一定程度的要求,为了保证涂料有足够的常温强度、高温强度,粘结剂选用糊精和水玻璃搭配使用。悬浮剂为钠基膨润土(钠土)和羧甲基纤维素钠(CMC),表面活性剂为T-80,消泡剂为正丁醇,阻燃剂选取硼酸锌,防腐剂为苯甲酸钠,载体为水。
       1.2 原材料预处理
       复合悬浮剂、复合粘结剂在使用前需要进行预处理,首先按照表1中的质量配比将钠基膨润土、CMC、糊精分别制备成浆料甲液、乙液、丁液。
       然后将甲液、乙液混合,快速搅拌30 min(1 000 r/min),用胶体磨研磨3次后静置24 h待用,制得复合悬浮剂浆料丙液;将制备而成的浆料丁液中加入水玻璃快速搅拌20~30 min(1 000 r/min),制得复合粘结剂戊液。
       1.3 涂料制备方法
       为了使耐火骨料各组分均匀分散,首先将已称量好的各耐火骨料依次加入到碾轮式混砂机中,混碾20~30 min,然后依次加入复合悬浮剂浆料丙液、复合粘结剂戊液、表面活性剂T-80、消泡剂正丁醇、阻燃剂硼酸锌、防腐剂苯甲酸钠以及适量水,混碾1~2 h后,将膏状涂料在桶中密封待用。
       1.4 涂料主要性能测试方法
       悬浮性:采用量筒静置法
       条件粘度:采用NDJ-79型旋转粘度计进行测定
       透气性:在STZ型直接式透气性测定仪上测定
       附着量:制备规格为120 mm×60 mm×30 mm的EPS模样待用,首先称量出该模样的质量M1,然后在已调制好的涂料(密度1.6 g/cm3)中浸涂三次,将其放入恒温干燥箱中(已设定温度为40℃)干燥2~4 h,待涂层完全干透后,称量出其总质量M2,则其附着量M=M2-M1
       涂层厚度:在规格为100 mm×100 mm×5 mm的载玻片上,均匀涂覆一层涂料(流涂,1.6 g/cm3),烘干后,用游标卡尺测量任意5个位置的涂层厚度,在去掉一个最大值、一个最小值后,剩余三个数值取平均值即为涂层的厚度。
       涂层强度:首先将涂料涂覆于玻璃板上,待涂层干燥后,用粘度杯向玻璃板上落砂,直至擦破涂层露出玻璃板为止,最后称出落砂总质量,作为判断涂层表面强度的定量指标。
       2 耐火骨料比例的确定
       作为涂料的主体部分,耐火骨料的理化性质、骨料配比对涂料的性能有决定性的影响,为了确定耐火骨料中各组分的最佳配比,现以镁砂粉为主加耐火骨料,硅藻土和云母粉为辅加耐火骨料,主加、辅加耐火骨料加入量分别占耐火骨料总质量的60%、40%,其他各组分加入量相同,共进行3组试验,为了使涂料各性能测定值具有可比性,按照表2(占耐火骨料总质量的百分比)将涂料配制好后,统一调密度至1.6 g/cm3,然后分别测定各组涂料性能,涂料性能测试结果如表3所示。

       从表2、表3中试验数据可知,以上3组涂料中,在其他各组分加入量相同的情况下,不同的耐火骨料配比,涂料的各项性能差异较大。
       首先,随着硅藻土加入量的增多,云母粉加入量的减少,涂料24 h悬浮率、涂层厚度指标逐渐增大,发气量、附着量、涂层强度三组指标值逐渐减小。其中第一组涂料的附着量、涂层强度指标好于后两组,第三组涂料的24 h悬浮率、条件粘度、发气量、涂层厚度指标好于前两组。主要原因是云母粉含水硅酸盐,遇高温时快速分解,快速分解出大量气体,从而使得涂层发气性数值偏高。
       因涂料24 h悬浮率、条件粘度、发气量三种性能指标均可通过改变钠基膨润土、CMC、糊精、水玻璃的加入量来进行调节,涂层厚度指标可通过改变涂料浸涂的次数来进行调节,因此最终选择第一组作为耐火骨料的最佳配比,即镁砂粉60%、硅藻土10%、云母粉30%。
       3 正交试验方案与结果
       3.1 正交试验方案
       因耐火骨料的最佳配比已经确定,为了探讨复合悬浮剂(钠基膨润土、CMC)、复合粘结剂(糊精、水玻璃)中各组分对镁合金用水基消失模涂料性能的影响规律,现以钠基膨润土、CMC、糊精、水玻璃作为因素水平表的四个因素,每因素选取三个不同水平,采用L9(34)正交表安排试验,共进行9次试验,并对各组涂料的24 h悬浮率、透气性、条件粘度、发气量、涂层强度、涂层厚度等性能进行测试。因素水平(占耐火骨料总质量的百分比)如表4所示,正交试验方案及结果如表5所示。
       3.2 正交试验结果分析
       为了探究复合悬浮剂、复合粘结剂中各组分对涂料24 h悬浮率、条件粘度、透气性、涂层强度、附着量、发气量等性能的影响规律,现对表4中的试验数据进行正交试验结果分析、极差分析,结果分别如表       6、表7所示。
       从表7可以看出,影响涂料24 h悬浮率的最显著性因素是钠土,其后依次是CMC、水玻璃、糊精。其主要原因是钠土具有较强的吸水性和膨胀性,能吸附自身重量8~15倍的水量,特别是经过活化处理的钠土浆料,具有较强的阳离子交换能力,在水介质中能分散成胶凝状和悬浮状,显著提高涂料的悬浮性能。
       对于涂料条件粘度的影响因素顺序为:CMC>钠土>糊精>水玻璃。其主要原因是CMC在水基涂料中会形成一种呈立体网状结构的透明胶体水溶液,具有复杂的流变性质,会显著提高涂料的粘度。
       对于涂层强度的影响因素顺序为:水玻璃>糊精>钠土>CMC;附着量的影响因素顺序为:糊精>水玻璃>CMC>钠土;透气性的影响因素顺序为:糊精>水玻璃>CMC>钠土;涂料发气性的影响因素顺序为:糊精>CMC>钠土>水玻璃。其主要原因是糊精是一种水溶性有机粘结剂,具有较好的湿强度和干强度,用于水基涂料时,可以显著提高涂料的浸透性、常温强度以及涂挂性能,浇注时,糊精迅速烧蚀,在涂层表面形成大量孔洞,从而使得涂层具有较好的透气性。



       现不考虑钠土、CMC、水玻璃、糊精各组分之间的交互作用,涂料24 h悬浮率、透气性、涂层强度、附着量指标应尽量取最大值,因此应取k1、k2、k3中最大的水平;条件粘度、发气性指标要求越小越好,因此应取k1、k2、k3中最小的水平。

       涂料24 h悬浮率最大的水平为A2B3C2D3,条件粘度最小的水平为A1B3C1D1,透气性最大的水平为A3B3C2D1;涂层强度最大的水平为A2B1C2D3,附着量最大的水平为A1B1C3D3,发气性最小的水平为A1B1C1D3

       在以上列举的6项性能指标中,24 h悬浮率、条件粘度性能指标只需要满足涂料使用要求即可。综合考量透气性、涂层强度、附着量、发气量等性能指标之间的主次关系,其最佳组合为:A1B1C2D3,即涂料最佳配方如表8所示。涂料性能测试结果如表9所示。

       4 生产验证

       为了验证该涂料配方在实际生产中的应用性,现进行镁合金浇注试验,EPS泡沫模样如图1所示,首先将膏状涂料加水稀释,调密度至1.6 g/cm3,采用浸涂方式涂覆涂料,只需要一次即可在EPS泡沫模样表面涂覆一层均匀的涂层,涂料涂挂性良好,反复浸涂-烘干(≤50℃)三次后,在730℃的温度下进行真空负压浇注,浇注后成形铸件如图2所示。

       对已冷却至室温的镁合金铸件进行涂层清理,结果发现:(1)成形铸件表面光洁,无粘砂、气孔、冷隔、粘砂及充型不足等铸造缺陷;(2)铸件表面涂层呈龟裂状、起皮,只需要轻轻敲打,涂层即可自行脱落,易清理,能够很好地满足实际生产需要,经济性良好。