（材料加工工程专业论文）铸造用铝合金金属型涂料的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 铝制品被广泛应用于汽车、摩托车、内燃机、电子、航天及仪表等行业中。 这些铝制品大多是采用低压铸造、重力铸造等金属型铸造工艺成型的。对于金属 型铸造，涂料直接影响铸件表面质量和尺寸精度。 本课题首先研究了钠基膨润土、羧甲基纤维素钠( c m c ) 、磷酸盐a 和水玻璃 等助剂对涂料悬浮率、条件粘度、强度和发气量等性能的影响，接着又采用正交 试验方法探讨了硅藻土、滑石粉、高岭土对涂料性能的影响，之后又研究了涂料 的流型及金属型的预热温度对涂层形貌的影响，最后进行了浇铸试验，并找到涂 料的最佳配方。 试验发现，随着钠基膨润土和c m c 含量的增加，涂料的悬浮率、条件粘度和 发气量都提高。在添加量相同的情况下，磷酸盐涂料的强度是水玻璃涂料的1 0 倍， 悬浮率也比水玻璃涂料好。考查助剂对涂料悬浮率的影响规律时，发现钠基膨润 土和c m c 之间存在正交互作用，且是影响涂料悬浮率的较显著因素，磷酸盐a 和 钠基膨润土，磷酸盐a 和c m c 之间有负的交互作用但对涂料悬浮率的影响不显著。 增加硅藻土的含量，涂料的悬浮率提高，发气量增大，强度降低。随着滑石粉含 量的增加，涂料的强度提高，条件粘度下降；增加高岭土的含量，可以提高涂料 的条件粘度和发气量。这几种骨料在涂料中的含量不同时，涂料的流变特性不同， 涂料的流变特性对涂层的微观形貌没有影响。金属型的预热温度对涂层形貌有较 大影响，预热温度为2 0 0 c 时，涂层的孔隙率最低，涂层强度最高，涂层表面较光 滑；预热温度为3 0 0 * ( 2 时，涂层的强度最低，涂层孔隙率最高，涂层表面最粗糙。 预热温度为2 5 0 时，得到的涂层的空隙、强度和表面粗糙程度都较为理想。 钠基膨润土在水中发生体积膨胀，吸附在c i v i c 的彼此缠绕的大分子链上，形 成立体网状结构，使涂料的悬浮率和条件粘度得到提高。磷酸盐a 在水中能与钙、 铁、镁等金属离子生成络合物，水玻璃中的s i o 键是离子键，键能没有形成络 合物的配位键的键能大，故水玻璃涂料的强度没有磷酸盐a 涂料的强度高。不同 颗粒形貌，在受到剪切时，对涂料体系产生的影响不同，从而使得涂料表现出不 同的流型。由于喷涂过程在几秒钟内完成，故涂料流型对涂层的形貌没有影响。 金属型的预热温度直接影响涂料液滴中水分的蒸发速度，水分蒸发的速度过快或 过慢都不利于孔洞的形成。 关键词：铝合金，金属型涂料，助剂，耐火骨料 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a i u m i n u mp r o d u c t s ，w i d e l yu s e di na u t o m o b i l e s m o t o r c y c l e s ，i n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e s ，e l e c t r o n i c s ，a e r o s p a c ea n di n s t r u m e n t a t i o ni n d u s t r i e s ， a r eu s u a l l yf o r m e db y p e r m a n e n tm o l dc a s t i n gp r o c e s s ，s u c ha sl o wp r e s s u r ec a s t i n g ，g r a v i t yc a s t i n ga n d o t h e r s a n dt h ec a s t i n gs u r f a c eq u a l i t ya n dd i m e n s i o n a la c c u r a c ya r ed i r e c t l ya f f e c t e d b yt h ec o a t i n g s f i r s t ，t h ei n f l u e n c e so fs o d i u m b a s eb e n t o n i t e ，c a r b o x ym e t h y lc e l l u l o s ef c m c ) ， p h o s p h a t ea a n ds o d i u ms i l i c a t eo nt h ep r o p e r t i e so fw a t e r b a s e df o u n d r yc o a t i n g s ，s u c h a ss u s p e n s i o nr a t e ，c o n d i t i o n sv i s c o s i t y , s t r e n g t ha n dt h ea m o u n to fg a se v o l u t i o nw e r e i n v e s t i g a t e d s e c o n d ，t h ee f f e c t so fd i a t o m i t ep o w d e r , t a l c u mp o w d e r , k a o l i nc l a yo nt h e p r o p e r t i e so fc o a t i 。n g sw e r es t u d i e db yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s t h e n t h ei m p a c to f f l o wp a t t e r na n ds p r a y i n gp r o c e s so nt h em i c r o s t r u c t u r eo fl a y e r sw e r er e s e a r c h e d f i n a l l y 1 i q u i dm e t a lp o u r i n gi n t om o l dw i t hc o a t i n g sw e r ec a l l r i e do u t ，a n dt h eo p t i m a l c o a t i n gf o r m u l a t i o nw a sd e t e r m i n e d w i t ht h ep e r c e n t a g ec o m p o s i t i o no fs o d i u m b a s eb e n t o n i t ea n dc m ci n c r e a s e d t h es u s p e n s i o nr a t e ，c o n d i t i o n sv i s c o s i t ya n da m o u n to fg a se v o l u t i o no fc o a t i n g sa r e h e i g h t e n e d t h es t r e n g t ho fc o a t i n g sc o n t a i n i n gp h o s p h a t eai s1 0t i m e st h a nt h a to f c o a t i n g sc o n t a i n i n gs o d i u ms i l i c a t ew i t ht h es a m ea d d i t i o no ft h et w ob i n d e r si nt h e i r o w nc o a t i n g s a n dt h es u s p e n s i o nr a t eo ft h ef o r m e ri sb e t t e rt h a nt h a to ft h el a t t e r w h e nc o n s i d e r e dt h ee f f e c to fa d d i t i v e so nt h es u s p e n s i o nr a t eo ft h e s ec o a t i n g s ，i ti s f o u n dt h a tt h ee f f e c t sb e t w e e ns o d i u m b a s eb e n t o n i t ea n dc m ci sp o s i t i v ei n t e r a c t i o n a l s ot h es i g n i f i c a n tf a c t o r , w h i l et h ee f f e c t sb e t w e e np h o s p h a t eaa n ds o d i u m b a s e b e n t o n i t e ，p h o s p h a t eab e t w e e nc m cn e g a t i v ei n t e r a c t i o n ，b u tn o tt h es i g n i f i c a n tf a c t o r w i t ht h ec o n t e n to fd i a t o m i t ep o w d e ri n c r e a s e d t h es u s p e n s i o nr a t ea n dt h ea m o u n to f g a se v o l u t i o no ft h e s ec o a t i n g sa r er a i s e d b u tt h es t r e n g t ho fc o a t i n g si sr e d u c e d a st h e t a l c u mp o w d e rc o n t e n ti n c r e a s e d ，t h es t r e n g t ho fc o a t i n g si si m p r o v e d ，b u tc o n d i t i o n s v i s c o s i t yd e c r e a s e d i n c r e a s e dk a o l i nc l a yc o n t e n t ，t h ec o n d i t i o n sv i s c o s i t ya n dt h e a m o u n to fg a se v o l u t i o na t er a i s e d t h er h e o l o g i c a lb e h a v i o r so fc o a t i n g sv a r yw i t ht h e r e f r a c t o r ya g g r e g a t e st y p ea n dt h e i rc o n t e n t si nt h ec o a t i n g sb u th a v en oe f f e c t so n m o r p h o l o g yo fl a y e r s m o r p h o l o g yo fl a y e r sw e r eg r e a t l y a f f e c t e d b yp r e h e a t t e m p e r a t u r eo ft h ep e r m a n e n tm o l dp r i o rt oc o a t i n gs p r a y i n g w i t hp r e h e a tt e m p e r a t u r e 2 0 0 t h em i n i m u mp o r o s i t y , t h eh i g h e s ts t r e n g t ha n dt h es m o o t h e s ts u r f a c eo fc o a t i n g s o nt h em o l dw o u l db ea c h i e v e d ，t e m p e r a t u r e3 0 0 ，t h em a x i m u mp o r o s i t y , t h e r o u g h e s ts u r f a c ea n dt h el o w e s ts t r e n g t ho fc o a t i n g sg a i n e d ，t e m p e r a t u r e2 5 0 ，t h e i d e a lp o r o s i t y , s t r e n g t ha n ds u r f a c eo b t a i n e d s o d i u m b a s eb e n t o n i t ep a r t i c l e sh a v eav o l u m ee x p a n s i o ni nt h ew a t e r , t h e na b s o r b o nt h em a c r o m o l e c u l a rc h a i n so ft h ec m c t h ec m cm o l e c u l e se n w i n dw i t he a c h o t h e rt of o r mt h r e e d i m e n s i o n a ln e t w o r ks t r u c t u r es ot h a tt h es u s p e n s i o nr a t ea n d c o n d i t i o n sv i s c o s i t yo fc o a t i n g sa r ei m p r o v e d i nt h ew a t e r , t h ep h o s p h a t ear e a c t sw i t h m e t a li o n ss u c ha st h ec a l c i u mi o n m a g n e s i u mi o na n di r o ni o nt of o r mc o m p l e x e sw i t h c o o r d i n a t i o nb o n dw h i c hh a v es t r o n g e rb o n de n e r g yt h a ns i _ oi o n i cb o n do fs o d i u m s i l i c a t e t h e r e f o r e ，t h es t r e n g t ho fp h o s p h a t eac o a t i n g si ss t r o n g e rt h a nt h a to fs o d i u m s i l i c a t ec o a t i n g s w h e nb e e ns h e a r e d ，t h er e f r a c t o r ya g g r e g a t ep a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n t m o r p h o l o g yh a v ed i f f e r e n ti m p a c to nt h ef l o wb e h a v i o r so fc o a t i n g s ，l e a d i n gt oc o a t i n g s t os h o wd i f f e r e n tf l o wp a t t e r n s b e c a u s eo ft h es p r a y i n gp r o c e s sf i n i s h e di ns e v e r a l s e c o n d s ，f l o wp a t t e r no fc o a t i n g sd o e s n ta f f e c tm o r p h o l o g yo fc o a t i n gl a y e r s t h e e v a p o r a t i o nv e l o c i t yo fw a t e ri nt h ec o a t i n gd r o p si s d i r e c t l ya f f e c t e db yp r e h e a t t e m p e r a t u r eo ft h ep e r m a n e n tm o l d ，t o of a s to rt o os l o we v a p o r a t i o nv e l o c i t yo fw a t e ri s n o tf a v o r a b l et ot h eh o l e sf o r m a t i o ni nc o a t i n g s k e y w o r d s ：a l u m i n u ma l l o y , p e r m a n e n tm o l dc o a t i n g ，a d d i t i v e ，r e f r a c t o r ya g g r e g a t e i i i 淑| ；j l 亡工繁火馨 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：易却聋b 啉1 年岁瞄日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 日期叩朋 易易枷 0 侈日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章引言 目前，我国的铝合金铸造业受国内汽车、摩托车工业的跃升和拉动而进入一 个新的发展时期，铝合金铸件的产量逐年增加。这些铝合金铸件大多采用金属型 铸造，金属型铝合金铸件质量优劣与否，涂料是关键技术之一，直接影响铸件表 面质量和尺寸精度。 目前，国内使用的金属型涂料大多是进口涂料 价格昂贵，无疑增加了企业 的生产成本。国产涂料价格相对便宜，但是普遍存在使用寿命短、发气量大等缺 陷。国内的一些企业和科研机构研制了很多离心铸管用的金属型的涂料，对于铝 合金金属型铸造用涂料的研究较少。关于铝合金金属型涂料用助剂、骨料、工艺 等方面的研究，鲜见报道。 根据金属型涂料的研究现状和市场需求，同时受襄樊3 6 1l 机械厂的委托，研 究一种适用于铝合金金属型铸造用的涂料。 1 2 金属型涂料的研究现状 1 2 1 金属型涂料概述 金属型铸造是随着上世纪2 0 年代欧洲汽车工业的发展而出现的，包括离心铸 造、金属型重力铸造、低压铸造、高压铸造和挤压铸造晗3 等。铝合金的低压铸造工 艺首先由德国于二次世界大战期间发展起来，其后，这种工艺又在法国和日本发 展起来，我国的铝合金金属型铸造起始于2 0 世纪4 0 年代，但在工业上大量应用则在 1 9 5 8 年以后嘲 金属型铸造和砂型铸造相比，具有较好的冶金性能和铸件表面性能、尺寸公 差小、生产率高、经济性好等优点h 3 。然而在铸造生产过程中，金属型的工作环境 非常恶劣，主要受到以下三方面的破坏：1 ) 熔融金属液的侵蚀和粘连，这是由金 属型基体和浇注金属液之间的化学反应造成的。2 ) 冲刷磨损，金属液高速充填型 腔，对金属型基体产生撞击和磨蚀。3 ) 疲劳裂纹，在整个铸造工艺过程中，金属 液从充填到凝固并开模取出，金属型受到反复的拉应力和压应力，从而产生疲劳 裂纹。这三个方面的破坏作用，使金属型的使用寿命大大缩短。为了提高金属型 湖北工业大学硕士学位论文 的寿命，常用的方法是对金属型的进行表面处理，包括表面渗氮、碳氮共渗，或 是通过物理气象沉积和化学气象沉积的方法，在金属型表面沉积一层耐磨涂料， 或是表面处理后，再进行物理或化学气象沉积处理嵋 9 1 。这些处理可以提高金属型 表面的硬度，增强其耐磨性，但不能缓解金属型受热疲劳应力的破坏，这需要在 经过表面处理的金属型表面再喷涂一层具有保温作用的涂料。这层保温涂料必需 具有以下性能工1 ) 和液态熔融的铝合金不润湿，2 ) 具有一定的耐磨损和氧化性 能，3 ) 能够缓解金属型在铸造过程受到的应力，4 ) 和金属型基体紧固粘结，5 ) 能够延迟疲劳裂纹的产生n 0 1 。 1 2 2 金属型涂料发展概况 国外金属型涂料的研究已有很长的历史，在金属型涂料的作用机理，涂层传 热系数的测定，金属型的清洗，涂料的施涂方法，涂料与熔融金属液的作用等方 面，做了大量的研究。 1 9 9 4 年，k n y a m e k y e 1 等人对金属型涂料的作用，涂料的组成成分进行了综 述，认为金属型涂料具有绝热、调节铸件的凝固顺序和凝固速率、减少对金属型 的热冲击、排气和润滑的作用，同时列举金属型涂料常用的骨料和助剂等。同时 通过建模得出凝固过程中，热量的流量公式q = h 。a t ，其中，t 为铸件和金属铸 型之间的温度差，h 。为铸件和涂料层之间的空隙的导热系数，并给出铝合金压铸 的h 。值，在空隙层形成前为4 4 0 8 8 0 ，空隙形成后，其值为7 0 1 9 9 5 年，日本的h a n a n o 和t a k a s h i n 2 3 发明了一种金属型粉末涂料的施涂方法。 将一个带静电喷枪的喷头和金属型的浇口紧密连接，再用一个连着真空泵的吸头 和金属型的冒口紧密连接。合模时，将上述两处拧紧，然后用真空泵将模腔内的 气体吸出，使模腔内部形成负压。接着，粉末涂料在涂料进给装置的作用下，进 入喷枪，并带上负电荷，在负压作用下，从喷枪排出，最后吸附在金属型上。 1 9 9 8 年，l e r n e r y u r y s t , 3 1 提出金属型的保护涂料由两层组成，底层是具有半 永久性的绝热涂料，表层是含碳的润滑涂料，在每次浇铸前都要使用。底层涂料 可以是含耐火骨料的水基涂料，也可以是陶瓷粉末涂料。水基涂料在使用前，需 将金属型预热到1 2 0 - 1 5 0 ，水基涂料价格低，但是很容易脱落。可以将陶瓷粉末 涂料用热喷涂或等离子喷涂的工艺涂敷在金属型表面来代替水基涂料。陶瓷粉末 涂料的热喷涂工艺：首先将金属型清理干净，再预热到1 0 0 ，然后用c r - n i m o 钢 丝作粘结剂，涂抹在金属型的表面，厚度为0 0 4 0 0 5 m m ，然后在喷涂由氧化铝、 2 湖北工业大学硕士学位论文 氧化锆、氧化钙组成的陶瓷粉末涂料，厚度为0 3 - 0 4 m 。 2 0 0 1 年，p a k o b r y n 和s l s e m i a t i n n 钔研究了铝合金t i - 6 a i - 4 v 金属型铸造 过程中铸件的几何形状对传热系数的影响。试验选用轧辊类铸件和管状铸件，研 究受阻收缩和自由收缩的传热系数h o 。对于自由收缩，传热系数h 。从液相时2 0 0 0 w m 2k 降低到固相的1 5 0 0 w m 2k ，到了气隙处，传热系数降至- e j 3 2 5w m2 k ，之后以 速率0 3w m 2 k k 下降。对于受阻收缩，传热系数h o 从液相的2 0 0 0w m 2k 上升到固 相的2 5 0 0 w m 2k ，到气隙处，达n 5 0 0 0w m 2k ，之后保持一个常数。 2 0 0 1 年，s t e p h e nt r o b i s o n 【，1 5 对美国和加拿大的6 0 0 多家用金属型生产铝铸 件的厂家进行了关于“模型清理方法 韵问卷调查。调查结果显示，最常用的清 理方法是用石英砂、干冰、玻璃珠、超声波或是几种方法的综合。用石英砂清洗 的效率最高，但是对模型的损害最大，对工人的健康有害。干冰清洗法比用石英 砂可使模具的使用寿命提高4 0 ，但是清洗时问较长。用玻璃珠很难对模型细小和 精确的部位进行清洗，而且模具的磨损量也较大。超声波清洗对模型没有任何磨 损，但是需要定期的化学维护和容器。 2 0 0 2 年，日本的s e r a t o m o a k i n 蜘等人，研发了一种金属型铸造模具用钢，成 分如下，c ：0 0 5 - - - 0 2 ，s i ：0 1 1 5 ，m g ：0 i 一- - i 5 ，n i ：2 0 ，c r ：7 1 5 ，c u ：2 0 ，m o ：1 o ，w ：3 ，v ：0 0 5 1 5 ，a 1 ：0 1 ，n ：0 1 ，b ： 0 0 2 ，t i ：0 0 5 ，s ：0 0 1 5 ，不能含有c o 同时提供了一种用于这种钢的涂料， 即4 0 5 0 的水玻璃，4 5 5 5 的m g o ，5 一- - 1 0 的水。 2 0 0 2 年，美国印第安纳州的s t e p h e ng b a k e r n 7 3 提出铸造涂料应具备良好的透 气性，适当的波美度、一定的浸透性、良好的悬浮性，足够的强度以保护砂型( 芯) 不溃散，不变质等性能，同时给出了检测这些性能的方法。该文献提供了一种测 量涂料分子活性的方法，即在一个6 1 0 英寸的很细的玻璃容器里，装入占容器容 积5 5 7 5 的涂料，然后在涂料的液面处划上水平线，再将容器上端盖起来，但 不能完全密封，确保一部分空气能够进入，静置2 4 d , 时，观察涂料液面和记号线 的位子，若涂料液面高于记号线，则说明涂料有很高的生物活性，反之，则没有 生物活性。 2 0 0 2 年，s u m a n t hs h a n k a r 和d i r a na p e lj a n n 鲫研究了铝合金的浇注温度、模 型温度、铝合金和金属型的化学成分、金属型的表面处理工艺、几何特征、涂料 对铝合金盒属型界面反应的影响。通过物理气相沉积工艺在h 1 3 钢表面涂覆一 层氮化硼可以有效防止液态铝合金和铸型发生粘模，同时提高金属型的使用寿命。 通常是在h i3 钢的表面预先涂覆氮化锆涂层，在氮化锆涂层表面，在涂覆氮化硼， 因为氮化锆和h 1 3 钢和氮化硼都具有很好的兼容性，可以和二者粘结紧固，而氮 3 湖北工业大学硕士学位论文 化硼和h 1 3 钢不兼容。 2 0 0 3 年，加拿大的a f m a r k 和b r d a v i sn 训将铝合金金属型铸造常用的8 种涂 料用于镁合金金属型的铸造试验中，从中发现了这些涂料用于镁合金铸造寿命短 的原因含有s i o ，的粘结剂在高温下会和熔融的镁合金反应，生成m g o 和少量的 a 1 ，0 ，、n a ，o 和s i o ，同时，粘结剂中的水分在高温下也会和镁合金反应生成m g o ， m g o 以颗粒形态在涂层凸起的部位析出，并粘附在镁铸件上。当铸件从模型中取出 时，涂料层凸起的部位就和涂层剥离，从而降低了涂料的寿命。同时还研究了涂 料成分、涂料中骨料的细度组成及涂层表面粗糙度水平对m g o 颗粒析出的形态、数 量及位置做出了分析。并指出可以通过烘干涂层、更换粘结剂或控制浇铸过程中 的水蒸气的含量来解决这一问题。 2 0 0 4 年，英国的c p h a l l a m $ 1 w 0 g r i f f i t h s 3 推导出了涂料和铸件界而的传 热系数公式h 。i = _ = 百习：1 _ 瓦i - i ，其中，尺二c ，。尺三c m r ，+ 尺：2 c 删，x 七。2 k 。k 。 是涂料最大厚度值，r ，( ) 是涂层断面最高峰值，r ：。删) 是涂料断面最低峰值， r ：。酬) 是铸件表面断面最小峰值，u 是涂层和铸件界面间的空气的厚度，k 。是涂层 的导热系数，k 。是空气的导热系数；他们认为影响界面的热传导率的因素主要有 两个：一是涂料本身的耐热系数，还一个就是涂料和铸件之间的空气间隙。同时 测量了当冷却温度、涂层厚度、涂层种类不同时，铝合金金属型铸造的铸件一涂料 一铸型界面的热传递系数。 2 0 0 4 年，j a h e d i m a h n a z 乜妇等人发明了一种适用于重力和低压铸造用的多孔 涂料。该涂料由陶瓷粉末和多聚物粉末组成，采用热喷涂或等离子喷涂等工艺施 涂。陶瓷粉末可由氧化铝、氧化锆、二氧化钛、二氧化硅、碳化钨、钛硼化物、 锆硼化物、氮化硼、氮化硅中的一种或几种组成，多聚物可由聚苯乙烯、聚甲基 丙烯酸酯、聚酰胺、聚四氟乙烯中的一种或几种组成，颗粒的半径为5 - - - , 6 0 | lm 。 涂层厚度为2 5 0 - , 4 0 0um 。将喷涂好的的涂料加热到4 5 0 。c ，使涂料中的多聚物燃 烧或分解掉，从而在涂层中形成孔洞。 2 0 0 7 年，澳大利亚的a h a m a s a ii d 口2 1 等人采用石墨基和t i o ，基涂料，浇铸合 金a i - 7 s i - o 3 m g 和a i - 9 s i 一3 c u ，进一步研究了涂料种类、涂层厚度、及合金成分 对金属型铸造模型界面热转换的影响。文献中设计了一种可以测定模型界面热转 换系数的装置。并指出在凝固的初期，影响界面热转换率的主要因素是涂层的厚 度，结晶时，影响界面热转换率的主要因素是涂层的成分。 4 湖北工业大学硕士学位论文 2 0 0 7 年，加拿大的f c h i e s a 瞳踟等人指出，用于铝合金的水玻璃涂料用于镁合 金铸造时，水玻璃和镁合金在涂料层表面发生反应，是涂层表面产生剥离。研究 了镁合金金属型铸造用氮化硼涂料的最佳工艺方案：3 0 p s i 的空气压力、l 英尺的 喷射距离、4 0 0 f 的模型温度、4 5pm 的涂层厚度、1 3 5 0 f 的浇注温度。 2 0 0 8 年，a s h l a n d 乜4 1 公司开发了一种可变色的涂料。当涂料变干时，涂层会办 成亮紫色。这一性质可以让操作人员方便地判断涂层是否干燥，从而减少了应涂 层中的水汽而造成的铸造缺陷。该涂料可以配合众多粘结剂使用。 当然，国外的许多专家和学者对金属型的研究和开发远不止这些，由于受知 识产权的保护，很难检索到。国内的专家和学者对金属型的研究大多借鉴国外的 经验，近年来由于汽车等行业的振兴，铝铸件的产量快速增加，同时对铝铸件的 质量要求越来越高，因而铝合金金属型铸造用涂料的研究和开发非常具有市场前 景。 1 9 8 9 年，赵占西瞳司等采用正交试验法对金属型涂料的防粘附机理进行了探讨。 采用骨料有锆英粉、石英粉，粘结剂有硅溶胶、水玻璃，悬浮剂有膨润土、c m c ， 矿化剂有水玻璃、滑石粉、萤石粉和碳酸钠，附加物有：聚乙烯醇和热固性树脂， 载体为水。发现：滑石粉做涂料矿化剂时，涂层易与铸铁金属模发生粘附，是 由于滑石粉在8 0 0 。c 分解出s i 0 ，在高温状态，s i o ，具有很高的活性，与铸铁金属 模发生反应：2 f e ，o + s i o ，一2 f e o s i o ， 2 f e o s i o ，+ s i o ，一2 ( f e o s i o ，) 从而使涂层和铸铁模黏在一起。 用萤石作涂料矿化剂时，能够与涂层完全烧结并且与铸模的剥离性很好，对硅酸 盐耐火填料涂料具有通用矿化性。 1 9 9 1 年，吴卫啪3 等采用漂珠作骨料，研究出了适合铝合金铸造用的金属型涂 料。配方为：漂珠1 0 0 ，( 其它为占漂珠的质量分数) ，n c l ( 常温粘结剂) 3 0 ， s s b ( 高温粘结剂) 2 0 ，有机树脂( s - 1 6 5 ) 7 0 ，c 一2 胶卜3 ，o r a2 4 ，自来水 为载体，控制密度为1 1 1 2 9 c m 3 ，喷涂。该涂料的使用寿命比石棉涂料提高2 倍以上。 1 9 9 3 年，黄乃瑜幢7 1 等研究出了金属型半永久型h p 系列复层涂料。通过生产应 用和测试，发现该涂料的静摩擦系数比氧化锌涂料低4 0 ，可以连续使用9 0 h 以上， 用量为氧化锌涂料的3 0 - - - 4 0 ，表面光洁( ra6 3 - - 3 2um ) ，可以提高生产率 4 0 删。 1 9 9 4 年，郝秀云啪1 等用硅藻土研制出适用于金属型离心铸管用的涂料，该涂 料的性能：密度1 0 6 - - - 1 1 0g c m 3 ，发气量 l o m l g ，悬浮性1 0 0 ，烘干裂纹1 级， 5 湖北工业大学硕士学位论文 涂层强度 o 4 0 9 m i n 喷涂时，金属模预热温度2 0 0 - - 4 0 0 c ，涂层厚度0 3 - - , 0 5 咖 。 1 9 9 7 年，王华啪1 通过正交试验研制出了一种适用于硅铁合金浇铸模的涂料。 刚玉粉1 0 0 ，石墨4 0 ，滑石粉2 ，水玻璃1 0 、钠基膨润土4 ，c m c o 3 8 。并通 过分析指出：c m c 和钠基膨润土并用比单独使用其中种时更易形成网状结构， c m c 有利于提高涂料的干强度，但过多的c m c 不仅不再提高涂料强度，反而影响涂 料魄附着力和增加涂料的发气量。 ； 1 9 9 9 年，刘志明日门等人自行研制了金属型复层涂料，底层涂料的耐火粉料为 锆英粉，面层涂料的耐火骨料为硅藻土细粉。型腔的整个部分都喷底层涂料，厚 度为0 2 m m ，面层涂料只喷在冒口和需要补缩的位子，厚度为0 8 1 2 m m 2 0 0 2 年，金科福士科有色冶金材料有限公司。堙1 研制了绝热涂料、润滑涂料、 导热涂料和半绝热涂料等一系列重力和低压铸造涂料。并指出绝热涂料的骨料颗 粒较粗，润滑涂料的骨料含有片状骨料。 2 0 0 4 年，张鑫口3 3 研究了钠基膨润土、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠等涂料常用 的原材料的性能，在相同的加入量的前提下，海藻酸钠涂料的悬浮性最高，羧甲 基纤维素钠涂料居中、钠基膨润土涂料的悬浮性最低。加入量 1 时，涂料悬浮率上升缓慢。同时指出膨润土被水润湿后，水 分子不仅吸附在膨润土颗粒表面，还会进入膨润土的晶层间，使之形成网状结构 的带有屈服值的胶体溶液，使耐火骨料不易下沉钔。 1 2 3 金属型铸造涂料的组成 金属型涂料由多种原辅材料配成，通常包括耐火骨料、悬浮剂、粘结剂、载 体及改善涂料某些性能的添加剂组成。 1 耐火骨料 耐火骨料是金属型铸造涂料的主体，具有隔离、绝热和降低低铸件表面粗糙 度等作用。金属型涂料早期用的耐火骨料有白垩粉、漂珠、氧化锌、石棉粉、石 英粉啪埘堋3 等，其中白垩粉涂料的绝热性能差；石棉涂料的强度低、涂敷工艺差， 而且对人体有致癌作用；氧化锌涂料悬浮性差、强度低、润滑性差；石英粉涂料 的悬浮性差。目前占主流的骨料是铝矾土、石墨粉、锆英粉、硅藻土、滑石粉、 高岭土等，或是这几种骨料的组合删3 7 1 矧。 2 载体( 溶剂) 载体的作用是使耐火粉料分散和悬浮，并制成浆料。载体在金属液浇注到铸 6 湖北工业大学硕士学位论文 型之前应全部消失，否则会影响铸件质量。常用的载体通常分为水和有机溶剂两 类。水做载体的优点是易使涂料获得良好的悬浮性、涂刷性、渗透性和流变性， 廉价、来源广、安全环保，缺点是干燥慢，有时需要烘干啪1 。生产中最妊使用软 水，因为硬水中的溶盐可能与粘结剂和悬浮剂发生化学反应，引起涂料变质h 们 3 悬浮剂 悬浮剂用来防止耐火骨料的沉淀，还可以使涂料具有所要求的流变学性能。 涂料中使用的耐火骨料一般都比载液( 水或者酒精) 的密度大得多，故涂料中必 须使用悬浮剂才能使耐火骨料悬浮在载液中并保持均匀的弥散状态。水基涂料的 悬浮剂主要是钠基膨润土儿3 4 l 、累托石h ，其次还有高分子化合物如羧甲基纤维 素钠( c m c ) 、聚乙烯醇等，高分子化合物可以与膨润土同时使用。 4 粘结剂 粘结剂的作用是使粉料颗粒之间相互粘合并使涂层牢固地粘附在铸型( 型芯) 表面。水基涂料用的常温粘结剂有h2 l ：膨润土、披甲基纤维素钠( c m c ) 、水溶性酚 醛树脂、聚醋酸乙烯等，加入这些粘结剂的涂料干燥后都有较高的表面强度。高 温粘结剂有：硅溶胶、水玻璃、粘土、磷酸盐等。 根据所铸金属浇注温度的高低来选择不同的粘结剂或高低温混合粘结剂，常 温下有机粘结剂和无机粘结剂共同支承强度，在高温浇注时，有机粘结剂被烧化， 增加涂层的空隙率，此时的强度要依靠无机粘结剂。对粘结剂的选择应考虑以下 几个方面：减少高温发气性；提高涂料模样的附着力；提高涂层的强度和刚度， 不侵蚀模样。 5 添加剂 为了改善涂料的使用性能和工艺性能，需要在涂料中加入一些附加物，包括： 表面活性剂，为了改善涂料对铸型( 型芯) 表面的润湿性和渗透性，需要在涂料 中添加微量的表面活性剂，女f l j f c ( 脂肪醇聚氧乙烯醚，非离子型) ，o p 一1 0 ( 烷 基酚与环氧乙烷缩合物，非离子型) 等。消泡剂，用以消除水基涂料在制作过程 中产生的泡沫。如正辛醇、s p a 一2 0 2 消泡剂( 聚醚消泡剂) 等。防腐剂，如甲醛、 五氯苯酚、五氯酚钠、苯甲酸钠等。 1 2 4 金属型涂料的生产方法及设备 涂料的配制设备对涂料的性能和使用效果影响很大h 引。因此在设计和确定涂 料的配比及性能的同时要考虑好与之相匹配的设备。涂料的配制方式通常有搅拌 法和研磨法。 7 湖北工业大学硕士学位论文 搅拌法优点是：设备简单、投资少、操作简便、周期短、生产率高。缺点是： 涂料的性能质量往往不易控制，涂料的性能受原材料的影响较大，因此对原材料 的要求较高。常用的具有搅拌作用的设备有涂料高速搅拌机。 研磨法的优点是耐火骨料被进一步粉碎，从而形成大量新生的表面，使其活 性增大，既易被载体润湿，有利于在载体中充分分散，又能更好地吸附粘结剂、 悬浮剂等材料，形成立体内部结构，从而使涂料多方面的性能得到进一步提高， 即起到熟化作用。缺点是使用某些研磨设备时，配制周期较长，生产效率较低， 设备的磨耗较大，投资也相对多一些。常用的具有研磨作用的设备有轮碾机、碾 轮式混砂机、球磨机和胶体磨等。 。 1 2 5 施涂方式及工艺 涂料的喷涂方式有：空气喷涂法、低压热空气喷涂法、高压无气喷涂法、低压 无气喷涂h4 i 。空气喷涂的主要设备为空气压缩机和喷枪n 9 1 。喷枪有两种类型，吸 力型喷枪和压力型喷枪，吸力型喷枪是利用压缩空气在喷咀附近产生的负压，将 涂料从料罐中吸出雾化，并射向砂型( 芯) 表面。压力型喷枪涂料罐与喷枪分离， 两者用软管分离( 并联) 。向涂料罐中通压缩空气，它迫使涂料沿着软管到达喷枪。 当打开喷枪开关时，涂料即从喷嘴喷出。 在金属型表面喷涂涂料之前，金属型需要清洗和预热。 清洗金属型的方法很多，可以用喷丸法、化学浸泡法、超声波震荡法和磨削 法口5 1 。喷丸种类很多n 剐，可以是石英砂、干冰、玻璃珠等；化学浸泡法可以采用 用5 0 氢氧化钠溶液加热到5 0 ，浸泡3 0 分钟，就可以去除模腔上的涂料h 副。 金属型的预热温度和模型的大小，壁厚及涂料种类有关。一般金属型的预热 温度为1 2 0 - - - - 2 0 0 之间，模型尺寸较大的，取下限，反之，取上限；施涂底层涂 料时，预热温度要低于施涂面层涂料的预热温度洲。 1 2 6 金属型涂料强度的检测方法及设备 涂料的悬浮率、发气量、粘度、触变性等性能已有标准的测试方法来检验。 而对与涂层的强度的检验，以下文献给出了不同的检测方法和设备。 1 9 9 2 年，李英民和程宽中m 3 对涂料附着力的测试进行了研究，设计了一套操 作型很强的附着力计见图卜1 。 8 湖北工业大学硕士学位论文 习鲻ijji咿 i 1 辨艳 暑弹簧计 & 蟪忤 j 动i j 小车o 5 j i 莲耐蜊1 i t5 6 7 】埒l 7 埭料试片l 8 试片小车 曩手犯 图1 - 1 涂料附着力计示意图 此附着力计的测试原理是利用楔形做成的刀具将涂料层从玻璃试片上取下， 取下涂层的力由弹簧计上读得，代入公式求得附着力，如由下图可知附着力t 与涂 d 层对刀片的阻力p 以及涂层的摩擦力f 间关系为t = _ 二_ 其中妫摩擦系数， s l f l a + 庀c o s q q 为刀片与玻璃片的夹角。改变q 值测同一涂料即可求出艟，见图1 _ 2 。 图1 - 2 附着力测试原理图 o 1 9 9 4 年，华中科技大学的叶升平等h 7 3 白行设计检测装置，如图卜3 ，对金属型 涂料的绝热性能和涂层的抗剪切破坏强度进行了测试。 t ) 潮i s , 前 b ) 肇屡截建坏 1 冷屈钒5r n m ) 2 上走头3 。甲走兔 图1 - 3 测试涂层抗剪破坏强度示意图 其他文献中还给出了划痕法4 钔、落砂法h 伽和重锤冲击法羽。 9 湖北工业大学硕士学位论文 o 1 3 金属型涂料的作用及主要性能指标 1 3 1 金属型涂料的作用 金属型表面的涂料具有如下作用： 1 涂料在金属型和液态铝合金之间形成了一个屏障，一方面可以防止液态铝 合金和金属型发生粘膜，另一方面，又为金属型提供了绝热保护层，降低所受的 热冲击，减少型腔的内应力。 2 可根据需要，使用不同性能的涂料来调节系统热阻，控制铸件的冷却速度， 保证其组织和性能达到要求。 3 由于涂料将高温金属液与铸型隔开，减少铸型对金属液的激冷作用，使金 属液能较快和完整地充填铸型。 4 涂料具有一定的润滑作用，改善金属液充填条件，减少铸件冷隔、厚薄不 均等缺陷嘞1 。 5 因为涂料层干燥后留有许多小孑l 隙，所以有一定的蓄气和排气能力，在一 定程度上可防止因金属液中偶有的气体而使铸管产生气孔、针孔缺陷h 1 。 1 3 2 金属型涂料的主要性能指标 。金属型涂料的主要性能有悬浮率( ) ，密度( g c m 3 ) ，发气量( g m l ) ，条件 粘度( s ) ，强度( m p a ) 等。以下就金属型常测的性能加以论述。 1 悬浮率( ) 涂料的悬浮率是指涂料抵抗固体耐火骨料分层和沉淀的能力，用( ) 表示。 影响悬浮率的因素很