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。 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。 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。 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。 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。 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%。 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。 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。
5 结论
(1）影响涂料悬浮率的最显著因素是钠土，影响涂料条件粘度的最显著因素是CMC，影响涂层强度的最显著因素是水玻璃，影响涂料附着量、发气量、涂层透气性的最显著因素是糊精。
(2）采用L9(34）正交试验，对钠基膨润土、CMC、糊精和水玻璃的加入量进行优化，得到该镁合金用水基消失模涂料的最佳配方为：镁砂粉60%、硅藻土10%、云母粉30%、钠土5%、CMC1%、糊精3%、水玻璃7%、T-80适量、正丁醇适量、硼酸锌适量、苯甲酸钠适量、水适量。
(3）经过浇注试验验证，该配方涂料涂挂性良好，涂料可以均匀地依附在EPS模样表面，涂挂性良好，成形铸件表面光洁，没有出现粘砂、气孔、冷隔、粘砂及充型不足等铸造缺陷，涂层容易脱落，易清理，能够很好地满足实际生产需要，经济性良好。
全部商品分类
易耐网公众号