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镁合金消失模铸造铝矾土基涂料的研究
镁合金消失模铸造铝矾土基涂料的研究
镁合金是目前工业生产中最轻的金属结构材料之一, 具有比强度高、减振性好、电磁屏蔽能力强等特点, 广泛应用于汽车、船舶、航空等领域。镁合金大多采用压铸成形, 但设备投资高, 铸件结构受模具结构以及工艺因素的限制。消失模铸造可以降低成形设备的投资与结构设计上的限制, 非常适于生产镁合金铸件[3]。涂料是消失模铸造成功的关键因素之一, 主要起为模样提供表面强度与排出废气的作用。涂料主要由耐火骨料、悬浮剂、粘结剂、载液4部分组成, 本课题主要研究涂料各组分对其性能的影响, 以获得质优价廉的镁合金消失模铸造涂料。 耐火骨料以铝矾土为主体, 加入适量滑石粉, 以改善金属液充型的流动性;悬浮剂采用钠基膨润土与羧甲基纤维素钠 (CMC) 相搭配;粘结剂采用有机粘结剂聚乙烯醇(PVA) 与无机粘结剂硅溶胶搭配使用;载液为水。由于镁合金化学性质活泼, 在浇注时极易与空气中的氧发生反应, 从而燃烧或者被氧化, 因此在镁合金消失模铸造涂料中, 需加入阻燃剂, 本研究采用KBF4作为阻燃剂。 用静置法测定涂料的悬浮性, 将涂料倒入100 mL量筒中, 静置24h后, 测定涂料中沉淀物所占的质量分数;用落砂法测试涂料的强度, 将NDJ-5粘度流量杯放在涂片垂直上方55cm处，型砂下落敲击涂片, 直至敲出1~2mm的圆孔, 称出原砂质量, 代表抗摩擦强度;用STZ直读式透气性测试仪测定涂料的透气性, 用600目筛网包住试样筒的一端, 在筛网上面涂覆厚度为1~2mm的涂料层, 检测涂料层的透气性能;粘度选 用NDJ-79旋转粘度计测定。 骨料铝矾土与滑石粉的性能见表1。铝矾土与滑石粉按照质量比为60∶40、70∶30、90∶10分为3组;钠基膨润土加入量为耐火骨料的6%, CMC为0.8%, PVA为1%, 硅溶胶为6%。通过性能测试研究耐火骨料的配比, 试验结果见表2。
由表2可知, 耐火骨料配比的改变对涂料的悬浮性没有影响;铝矾土相对于滑石粉的颗粒较大, 强度高, 随着铝矾土含量的增加, 涂料的强度增大, 其中铝矾土为90%, 滑石粉为10%时涂料强度最大。滑石粉可以提高涂料的流动性, 随着滑石粉加入量的减少, 涂料流动性能降低;为了提高涂料的流动性, 需要加水;所以随着滑石粉含量的降低, 涂料的粘度减小, 铝矾土为90%, 滑石粉为10%的涂料粘度最小。由于铝矾土颗粒呈球形, 且为多孔结构, 空隙率高, 因此随着铝矾土加入量的增加, 涂料的透气性能也随之提高。铝矾土为90%, 滑石粉为10%的涂料强度与透气性最高, 消失模涂料要求高强度与高透气性, 所以确定耐火骨料配比为铝矾土90%, 滑石粉10%。 悬浮剂具有使耐火骨料悬浮的能力, 也为涂料提供流变学特性, 对涂料有增稠作用, 是调整涂料粘度的主要因素。因此主要研究钠基膨润土与CMC对涂料悬浮性与粘度的影响。 在硅溶胶、CMC和PVA的加入量为6%、0.8%和1%时, 分别加入2%、4%、6%、8%的钠基膨润土。钠基膨润土对涂料的悬浮性与粘度的影响见图1。 膨润土呈立体网状结构, 耐火骨料悬挂在立体网状骨架之间, 从而保证了涂料的悬浮性;钠基膨润土也具有增稠的作用。由图1可以看出, 随着钠基膨润土加入量的增加, 涂料的悬浮性与粘度呈递增趋势。在钠基膨润土加入量为6%时, 涂料悬浮性大于95%, 符合使用要求, 因此确定膨润土加入量为6%。
羧甲基纤维素 (CMC) 与钠基膨润土混合使用, 可以提高涂料的悬浮稳定性。在硅溶胶、钠基膨润土、PVA的加入量分别为6%、6%和1%时, CMC加入量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。CMC对涂料悬浮性能的影响见图2。
从图2可以看出, 随着CMC含量的增加, 涂料的悬浮性提高。膨润土在涂料中形成立体网状结构, CMC高分子长链参与网状结构之中;细小分散的粘土质点粘附在CMC大分子链与粘土立体网状结构上, 这样阻止了粘土质点互相接触合并、长大而下沉, 保证了涂料的悬浮稳定性。由图2还看出, 涂料粘度在CMC加入量为6%时达到最高, 之后粘度略微下降。结合悬浮性最高与粘度适中的要求, 确定CMC加入量为0.8%。 粘结剂可以提高涂料的强度, 也在一定程度上影响涂料的粘度。 在CMC加入量为0.8%, 钠基膨润土加入量为6%, 硅溶胶的加入量为6%的条件下, PVA加入量分别为0.5%、1%、1.5%、2%, 研究其对涂料的强度与粘度的影响, 见图3。 PVA是有机粘结剂, 为涂料提供常温强度, 也有显著的增稠效果。可以看出, 涂料强度随着PVA含量的增加而增加, 涂料强度最小值也大于300g, 满足使用要求。由图3还可以看出, 随着PVA含量的增加, 粘度呈递增的趋势。消失模涂料要求具有高强度, 结合粘度因素, PVA加入量应该控制在1%~1.5%范围内。
试验中CMC加入量为0.8%, 钠基膨润土加入量为6%, PVA的加入量为1%。硅溶胶加入量分别为2%、4%、6%、8%时涂料强度和粘度的变化见图4。
硅溶胶为无机粘结剂, 可增强涂料的高温强度。由图4可以看出, 硅溶胶对涂料的常温强度也有明显的影响, 硅溶胶含量由2%增至6%时, 涂料强度明显上升,大于6%时, 涂料强度呈下降趋势。由图4还可以看出, 随着硅溶胶含量的增加, 涂料粘度先降低后升高, 含量为8%时, 涂料粘度达到最大值。硅溶胶含量在6%~8%范围内时, 涂料粘度几乎不变, 所以硅溶胶确定加入量为6%左右。 根据图1~图4中各组分对涂料性能影响的研究, 选定各组分的加入量, 并确定涂料的配方, 见表3。
采用牌号为ZMgRE2ZnZr的镁合金进行熔炼。泡沫模样涂敷涂层, 烘干后见图5, 在负压状态下进行浇注, 铸件见图6。铸件表面光洁、平整、棱角清晰、无粘砂。涂料呈片状、易脱落, 容易清理。涂料能很好地浸润泡沫塑料, 表面强度、透气性等满足消失模铸造生产要求, 可以用于实际生产。
(1) 铝矾土与滑石粉作为耐火骨料, 分别可以提高涂料的透气性和流动性, 当其质量比为90∶10时涂料具有良好的透气性、强度和粘度。
(2) 用钠基膨润土与CMC为悬浮剂, PVA与硅溶胶为复合粘结剂;当钠基膨润土为6%, CMC为0.8%, PVA为1%, 硅溶胶为6%时制成涂料, 进行镁合金消失模铸造生产, 发现铸件表面品质好, 无粘砂、浇不足现象。表明涂挂性能良好, 可以用于镁合金消失模铸造生产。
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