（机械制造及其自动化专业论文）黄壤土基铸造涂料性能的研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确 注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：墨、搬为 日期：矽7 | 年弓月厂日 东华大学学位论文版权使用授权书 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，同意学校 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 阅或借阅。本人授权东华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。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密讯 学位论文作者签名：描、撤易 日期：劢7 j 年；月罗日 指导教师签名：霾豸身琴 日期：力年方月，日 摘要 黄壤土基铸造涂料性能的研究 摘要 现代化工业发展对铸件质量要求正在不断提高，在铸型表面施涂涂料 能很好的提高铸件的品质。开发新型的耐火粉料以提高涂料的抗粘砂性能、 研究铸铁件用的浅色涂料以改善劳动环境，是铸造涂料的发展趋势，同时 也符合提高铸件品质和绿色集约化的铸造技术发展总趋势。 由东华大学开发研究的黄壤土天然粘土砂铸造工艺是一种绿色环保型 造型生产工艺，已经取得了很好的应用效果。其特点在于浇注过程中铸件 表面形成可剥离的烧结壳，生产的铸件表面不粘砂、表面质量好；而且造 型材料中不添加以造成环境污染的煤粉等有害物质。为了进一步拓宽黄壤 土在铸造领域的使用范围并推广这种节能、环保、优质、高效的造型材料， 结合黄壤土的性能特点，作者以黄壤土粉、矿渣粉为主要原料，将其研制 成黄壤土基铸造用涂料，并对这种涂料的性能进行研究，得到了以下的结 果： 1 采用黄壤土粉和矿渣粉可以制备出土黄色的水基黄壤土基铸造用涂 料，并且以篮式研磨法作为配制黄壤土基铸造涂料的方法。 2 采用激光粒径分布仪分析不同研磨时间下颗粒粒径分布情况，应用 扫描电子显微镜观察研磨前后粉料的颗粒形态特征，确定研磨2 h 后的耐火 粉料粒度可以满足黄壤土基涂料的使用要求。 3 添加不同的涂料组成物进行涂料性能分析得出，黄壤土基涂料不需 t 摘要 额外添加悬浮剂和粘结剂。流变性试验结果表明黄壤土基涂料属于带屈服 值的假性流体。 4 对黄壤土基涂料进行了改性，分析经过处理后的黄壤土基涂料成分， 涂料的触变性和涂刷性在原有基础上得到了提高。 5 浇注试验结果表明，黄壤土基涂料具有良好的使用性能，浇注后涂 层形成易剥落的烧结壳，浇注的铸件质量良好。 关键词：黄壤土粉、铸造、涂料、性能 i i s t u d yo nt h ep r o p e r t i e so fy e l l o w l o a m co a t i n gf o rc a s t i n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fc a s t i n gb yc o a t i n g o n t h em o l ds u r f a c eh a sb e e nw e l lu s e d r e c e n t l y , c a s t i n gp r o d u c t i o nh a sg r a d u a l l yd o m i n a t e d w o r l d ，i n c r e a s i n gd e m a n df o rs a n db r i n g sn e wc h a l l e n g e st ot h ee n v i r o n m e n t t h ey e l l o w l o a mn a t u r a lc l a ys a n de x p l o i t e db yd o n g h u au n i v e r s i t yi san e wt e c h n o l o g yw h i c h i sg r e e n a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n g o o dr e s u l t sc a nb ea c h i e v e dw h e nc a s t i n gf r o mt h i nw a l l e d p i e c e st om i d d l ea n d t h i c kw a l l e dp i e c e sc a s t i n g s i tc a nb ed u et ot h ef o r m a t i o no ft h i n s i n t e r i n gs k i no nt h ec a s t i n gs u r f a c ei nt h ep o u r i n gp r o c e s s t h i st h i ns i n t e rs k i ni sa t t a c h e dt o c a s t i n gs u r f a c ea th i g ht e m p e r a t u r e ，a n di tc a nb ee a s i l ys t r i p p e dw h e nc o o l i n g h e n c e ，i ti s p o s s i b l ef o rt h ei r o nc a s t i n g st ob ek n o c k e d o u ta th i g ht e m p e r a t u r e ，a n dt h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c yh a sb e e nr a i s e d i na d d i t i o n ，t h e r ei sn oc o a l d u s ti n t h es a n d ，h e n c et h et e c h n o l o g y i sl o wc o s ta n dw i t h o u ta n yp o l l u t i o n ，m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so f “g r e e nc a s t ” t ob r o a d e nt h ef i e l do fy e l l o wl o a mw h i c hi su s e di nt h ef o u n d r ya n dp o p u l a r i z et h e e n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，h i 曲q u a l i t y , e f f i c i e n tm o d e l i n gm a t e r i a l ，as i n t e r e d a n ds t r i p p e dc o a t i n gf o ri r o nc a s t i n gi si n v e s t i g a t e d ，a n dt h et e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h e c o a t i n ga r em a i n l ym e a s u r e d i nt h ec o a t i n g ，y e l l o wl o a mp o w d e ra n ds l a gp o w d e r a r eu s e d f o rr e f r a c t o r yp o w d e r r e s e a r c ha c h i e v e m e n t sg a i n e di nt h i sw o r ka r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ef a v o r a b l ep r e p a r a t i o no fy e l l o wl o a mc o a t i n gi sg a i n e db yt h ea n a l y s i so fp a r t i c l e c h a r a c t e r i s t i c s 2 p a r t i c l es i z e sd i s t r i b u t i o na n dp a r t i c l em o r p h o l o g yw h i c hi sa l t e r e db yt h em e t h o do f a b r a s i v eo f y e l l o wl o a mp o w d e ra n ds l a gp o w d e r a r eg a i nb yl a s e rp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n m e a s u r e m e n ta n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ；t e c h n o l o g yo ft h ea b r a s i v ei sg a i n e d i i i 东华大学硕士学位论文 a b s t r a c t 3 p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o s i t i o n sa r eg a i n e db ya d d i n gd i f f e r e n tc o a t i n g c o m p o s i t i o n s ，s ot h ec o m p o s i t i o n so fc o a t i n ga l ed e f i n e df u r t h e r 4 y e l l o wl o a mc o a t i n gi si m p r o v e db ys o m em e t h o d s ，c o m p o n e n t so fi m p r o v e dy e l l o w l o a mc o a t i n ga r ea n a l y z e da n dt h ep e r f o r m a n c e so f y e l l o wl o a mc o a t i n ga r ei m p r o v e d 5 t h ep o u r i n ge x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt ov e r i f yt h ec o a t i n g t h er e s u l t sh a v e i n d i c a t e dt h a tc r a c k - r e s i s t a n c ea n dp a i n t i n ga r ee x c e l l e n t ，a n dm u c hs m o o t h e rs u r f a c eo ft h e c o a t i n g sc a nb eo b t m n e d h u a n gs h u f a n g ( m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n ) s u p e r v i s e db yp r o f z h us h i g e na n dl u oy i l a n k e yw o r d s ：y e l l o wl o a mp o w d e r , f o u n d r y , c o a t i n g ，p r o p e r t i e s i v 东华大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 一i i i 第一章绪论1 引言1 1 1 铸造涂料的使用与配制2 1 1 1 铸造涂料的使用2 1 1 2 铸造涂料的组成3 1 1 3 铸造涂料的常用配制方式4 1 2 铸造涂料的性能与测试5 1 2 1 悬浮性5 1 2 2 涂刷性6 1 2 3 高温抗裂性6 1 2 4 流变性及其对涂料其他性能的影响6 1 3 “烧结剥离型 涂料工作原理7 1 4 本课题来源及研究意义8 1 5 本文主要研究内容8 第二章黄壤土基涂料的配制1 0 引言一1 0 2 1 试验方法1 0 2 1 1 试验材料1 0 2 1 2 试验操作过程1 2 2 2 试验结果与讨论1 2 2 3 本章小结1 3 第三章颗粒粒径分布对黄壤土基涂料性能的影响1 4 引言1 4 3 1 涂料分散系统特点1 4 3 2 试验方法1 6 3 2 1 试验材料1 6 3 2 2 主要试验仪器和设备1 6 3 2 3 粉料性能测试1 7 3 3 试验结果与分析1 7 3 3 。1 粒径分布、悬浮性试验结果与分析1 7 3 3 2 颗粒粒形分析2 0 3 4 本章小结2 1 第四章涂料组成对黄壤土基涂料性能的影响2 2 引言2 2 4 1 试验方法2 2 4 1 1 试验配方2 2 4 1 2 试验设备仪器2 3 4 1 3 各种性能测试方法2 4 4 2 试验结果及分析2 5 v 东华大学硕士学位论文 目录 4 2 1 悬浮性试验结果及分析2 5 4 2 2 触变性试验结果及分析2 6 4 2 3 涂刷性试验结果及分析2 6 4 2 4 流变特性试验结果及分析2 7 4 2 5 涂料抗流淌性试验结果及分析2 8 4 2 6 高温抗裂性试验结果及分析2 9 4 2 7 涂料粘结性分析3 0 4 4 本章小结3 0 第五章黄壤土基涂料的改性研究3 1 引言31 5 1 经过改性的粉料主要矿物组成31 5 1 1 试验材料和设备3 1 5 。1 2 测试方法3 1 5 1 3 试验结果与分析3 1 5 2 经过改性的黄壤土基涂料制备及性能的研究3 2 5 2 1 经过改性的黄壤土基涂料的制备3 2 5 2 2 经过改性的黄壤土基涂料性能3 3 5 3 本章小结3 5 第六章黄壤土基涂料浇注论证试验3 6 引言3 6 6 1 浇注试验构思及试样设计3 6 6 2 试验材料及熔炼设备3 6 6 3 系统浇注试验3 7 6 3 1 圆盘件浇注试验3 7 6 3 2 圆桶件浇注试验3 7 6 4 烧结壳分析3 8 6 5 浇注试验结果分析与展望3 9 6 6 本章小结3 9 第七章结论4 0 参考文献4 l 攻读学位期间发表的论文一4 3 攻读学位期间申请的专利一4 3 致谢4 4 v i 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 引言 第一章绪论 铸造生产是将液态金属注入铸型中使之冷却凝固成型，形成各种所需形状及符合要 求的生产方法，具有使用范围广泛，成本较低，适合不同种类的合金，铸件的尺寸精度 高等特点。 我国是世界上较早掌握铸造生产技术的文明古国。铸造技术在我国已有6 0 0 0 年的悠 久历史，从古代的司母戊鼎、刀剑和耕种工具等到近现代的汽车、机床、航天、国防等 等诸多行业，都与铸造技术紧密相关。从青铜器时代到铁器时代，一直到近现代，铸造 历史可以说是一部人类文明的进步史。2 0 世纪末到2 1 世纪初，随着国民经济的高速发 展，我国铸造业也迅猛发展，各类铸件的产量持续增长，铸件总产量到2 0 0 9 年底己达 到3 5 3 0 万吨，其中铸铁2 6 3 0 万吨，连续1 0 年稳居世界第一【l j 。中国虽然己经是铸造大 国，但就综合质量、成本、能耗、效益和清洁生产等方面分析远非铸造强国。纵观中国 乃至世界铸造业的生产，都存在着“三高两低”的特点，既生产温度高、生产过程粉尘 浓度高、劳动强度高；生产效率低、铸件质量低。经过我国铸造工作者的不懈努力，到 2 0 0 9 年底，中国合格铸铁件生产的平均能耗已从2 0 0 7 年的8 3 0 k g c e t ( 千克标准煤 吨) 降至6 1 0 k g e e t ，尽管如此，这个数据仍是某些发达国家的两倍多。为了实现可持 续发展，建设环境友好型社会，采取一切可能的对策，大力促进铸造行业节约资源，降 低能耗，将是铸造工作者当前和今后相当长时期内的重要工伊z 。 随着科技的进步以及人类对工具使用要求的提高，对铸件的质量要求越来越高。造 型材料的好坏直接影响铸件的质量，铸件生产总成本中的7 0 左右和一半以上的质量问 题都与造型材料及其应用有关。各种造型材料制造的铸型中，最普遍和大量使用的是型 砂，在我国或世界范围内，应用砂型生产的铸件占应用各种铸型生产铸件的8 0 以上p j 。 在砂型铸造工艺中，最常见的铸件缺陷是粘砂【4 j 。有关粘砂的机理，至今尚未完全清楚， 但比较成熟和公认的粘砂机理主要有机械粘砂和化学粘砂【5 j 。机械粘砂是铸件的部分或 者表面粘附着一层砂粒和金属的机械混合物，这是由于金属液渗入铸型表面的微孔形成 的，其清理难度取决于金属渗入微孔中的深度【6 j 。影响机械粘砂的因素主要有金属液对 铸型表面的润湿性，铸造用砂颗粒的大小，铸型表面的微孔尺寸，铸型内微孔中的气体 压力和金属液在型腔内停留的时间。化学粘砂是金属氧化物和铸型材料相互发生化学反 应，生成一系列低熔点物质牢固粘附在铸件表面的结果【7 j 。黑色金属极易氧化，表面生 成一层氧化膜，这层氧化膜与粘土高温分解产生的二氧化硅反应生成低熔点物质硅酸亚 铁。由于这类低熔点的物质流动性好，能润湿型腔内壁易于渗入砂型孔隙内，扩大铁的 东华大学硕士学位论文 氧化物与型砂的作用面积，从而加剧化学粘砂。化学反应的结果又扩大了砂粒间孔隙， 更有利于低熔点物质向砂型深处渗入，从而将金属和型砂联成一片。由于低熔点的物质 在铸件表面烧结，形成一层烧结层，烧结层如果与铸件表面牢固的结合在一起就形成化 学粘砂，但如果烧结层很容易从铸件表面剥离下来不但不会产生化学粘砂，反而会成为 防止化学粘砂的措施。根据化学粘砂的形成机理可以采用以下措施减少化学粘砂：避免 在浇注过程中生成低熔点物质，促使生成易剥离的烧结层等措施。实际生产的铸件中， 大多数粘砂都是机械化学综合粘砂，在浇注过程中，当金属液进入型腔后，金属液渗 入型腔的孔隙当中，同时金属液表面被氧化而形成了粘砂。 在铸造生产中，施涂铸造涂料是防止铸件粘砂，提高铸件表面质量和档次，减少铸 件落砂和清理劳动量，改善劳动环境，降低生产成本，提高经济效益的十分有效的技术 措施瞵】。据概略地估算，铸件清理成本约占铸件生产成本的3 0 ，涂刷上涂料后可使清 理成本降低至1 5 左右，扣除涂料及其涂敷成本约5 ，即涂敷涂料后使铸件清理成本 可降低1 0 【5 j 。随着铸造涂料的商业化、专业化、系列化，它己成为铸造生产中不可或 缺的重要造型材料之一。将来铸造生产的发展趋势是近净形和绿色集约化铸造，铸造涂 料的发展也必须顺应铸造技术总的发展趋势，在铸件精化、提高铸件品质、节约资源、 保护环境等方面充分发挥铸造涂料的作用。开发新型的耐火粉料以提高涂料的抗粘砂性 能、研究铸铁件用的浅色涂料以改善劳动环境是当前乃至今后很长时期，铸造涂料发展 应解决的主要问题桫j 。 1 1 铸造涂料的使用与配制 1 1 1 铸造涂料的使用 1 9 0 5 年在美国出现了最早期的现代涂料的配方，那时开始广泛使用木炭粉、滑石粉、 焦碳粉及煤灰 1 0 - l lj 。到1 9 3 0 年已普遍使用虫胶、清漆、石墨及水玻璃，并结合使用铝 铁粉来改善铸钢件的表面质量。至二十世纪5 0 年代开始出现各种不同性能的涂料，以 锆英粉为基本耐火材料的涂料已成为一种常用的铸造涂料【l2 1 。二十世纪8 0 年代开始我 国加强了涂料的研究开发，开发出了适应铸铁、铸钢、有色金属的水基、醇基涂料【l3 1 。 铸造涂料生产的铸造合金、应用的铸型种类、使用的耐火材料等不同，有不同的使用功 能，起着不同的作用，表1 1 对铸造涂料的功能和作用进行了总结归纳【l4 1 。 表1 1 铸造涂料的功能和作用 涂料的功能应防止的铸造缺陷 在金属液一涂层界面不起化学反应防止化学粘砂 涂层在高温下不剥离 防止铸件粘砂和夹砂 耐火度高，涂层有适度的渗透防止机械粘砂 涂料的功能应防止的铸造缺陷 防止铸件产生气孔( 侵入性气孔和皮下气 热分解的气体量少、含氮量低 孔) 能吸收、屏蔽来自呋喃树脂砂铸型防止铁件的石墨球变异，铸件夹杂( 渣) ， 的含硫、碳等气体铸钢件渗流裂纹，不锈钢件表面增碳等 涂层光滑、致密，热稳定性好降低铸件表面粗糙度 加固铸型( 芯) ，涂层强度高减少铸件冲砂缺陷 具有绝热热扩散润滑焓变和化保护并延长金属型寿命，控制铸件的凝固 学冷铁作用过程 强化金属一涂料一铸型( 芯) 间的相 互作用 改善铸件表面性能和内部质量 1 1 2 铸造涂料的组成 涂料在涂刷至砂型、砂芯之前是一种胶体状态的物理悬浮分散体系，这种物理悬浮 分散体系通常包括耐火粉料、载体、悬浮剂、粘结剂、以及其他添加剂等。具体如下： ( 1 ) 耐火粉料 耐火粉料是涂料的主要组成部分，它在涂料中所占的比例是最高的。常用的耐火粉 料有锆英粉、刚玉粉、石墨粉、铬铁矿粉等。通常耐火粉料的性质决定了涂料的性质， 按照铸件的材质、大小、壁厚来选择耐火粉料能很好的提高铸件表面质量，同时也能降 低生产成本。一种耐火粉料的耐火度不仅仅取决于耐火材料本身的物理化学性质，还与 其使用环境密切相关 1 5 】。 ( 2 ) 载体 载体是耐火粉料的分散介质，也是除耐火粉料外的其他组分的溶剂，同时还是施涂 铸型时的稀释剂。常用的载体主要有水和有机溶剂，以水为载体的涂料称为水基涂料。 最常用的有机溶剂为醇类，以各种醇类为载体的涂料称醇基涂料，此外还有氯代烃类。 这些组分通常在涂层干燥过程中被除去。按去除载体的方式可分为烘干法、燃烧法和自 干法。通常根据砂型( 芯) 所用的粘结剂种类、车间的干燥设备的有无、操作环境以及 生产率来选择载体 9 1 。 ( 3 ) 悬浮剂 悬浮剂通常是指具有使固体物分散，并使之悬浮在载体中的能力的物质，加入涂料 可以防止涂料中的固体粉料沉淀。水基涂料常用的悬浮剂有膨润土、凹凸棒石粘土、海 泡石、羧甲基纤维素、海藻酸钠、聚丙烯酰胺等；醇基涂料常用的悬浮剂有有机膨润土 ( 需用二甲苯或溶剂汽油引发) 、钠基膨润土、锂基膨润土、凹凸棒石粘土、海泡石、累 托石、聚乙烯醇缩丁醛等f 1 6 。 ( 4 ) 粘结剂 东华大学硕士学位论文第一章绪论 为使粉料颗粒粘接成具有一定强度的涂料层，并牢固地附着于铸型或型芯的表面上， 涂料中应有适当的粘结剂。粘结剂在涂料配方中的加入量虽不高，但若与粉料的化学性 质不合，则会影响涂层在高温下的化学稳定性。适宜作涂料用的粘结剂品种较多，主要 有耐火粘土、高岭土、白泥、陶土、松香、沥青、亚硫酸盐溶液、糖浆、糊精、水玻璃 等【l ”。在配制涂料的时候应根据各种粘结剂的特点来选用。 ( 5 ) 其他添加剂 其他各种添加剂是为了改善涂料的使用性能，方便存储运输环境等作用而添加到涂 料当中的，如增稠剂、防腐剂、消泡剂、流变促进剂、抗氧化剂、助熔剂等。值得注意 的是，膨润土在涂料工业中有非常广泛的用途，可作为涂料的增稠剂、悬浮防沉降剂、 辅助粘结剂等【l8 1 。 1 1 3 铸造涂料的常用配制方式 一种好的涂料，不仅要选择其组成成分，而且必须经过适当的配制，使其具有稳定 的性能以便涂覆。配制涂料的技术和设备都将影响涂料的质量，只有配制出符合于工艺 性能和使用要求的涂料，才能最终浇注出表面质量合格的铸件。合理的配制方法是稳定 涂料性能的基础，在这个基础上变更配方，以获得最佳涂料的使用效果。 涂料的配制方式通常有搅拌法和研磨法【j j 。 搅拌法是指不经过研磨工序，而直接用搅拌机来配制涂料的方法。其优点是设备简 单、投资少、操作简便、周期短、生产效率高。缺点是涂料的性能不易控制、涂料的性 能受原材料的影响较大，因此对材料要求较高。 研磨法是将各种原辅材料加入到有研磨作用的设备中，通过较长时间的研磨来制备 涂料。这样粉料能被进一步粉碎，从而形成大量新生的表面，使其活性增大，极容易被 载体润湿，有利于在载体中充分分散，又能形成内部的立体结构，从而使涂料的各方面 性能得到提高。但使用某些研磨设备时，配置周期较长，生产效率较低，设备的磨耗较 大，投资也相对多些。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 ) 轮碾机是铸造厂最早用于配制涂料的碾压设备，效果较好，可以生产膏状涂料， 但每次装料量较少。为了保证研磨效果，使用时要使碾轮和底盘紧密接触，不留间隙。 ( 2 ) 碾轮式混砂机是某些铸造厂和少数专业涂料厂配制涂料的设备，其效果和和轮 碾机大体相当，但每次装料量较多，可生产膏状涂料。碾轮和底盘之间也不应留有间隙。 ( 3 ) 球磨机是一种研磨作用好，密闭性也好的研磨设备，用其配制涂料时，载体不 易挥发和流失，但不宜配制很稠的膏状涂料，通常用来配制浆状涂料，少数专业涂料厂 和铸造厂用球磨机配制涂料。 ( 4 ) 胶体磨是一种超细粉碎研磨机械，很适合于生产浆状涂料。胶体磨体积较小， 但生产周期短，效率较高，可根据需要反复循环研磨，生产出性能较好的涂料。 4 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 铸造涂料的性能与测试 涂料性能主要包括物理性能、工艺性能、工作性能和流变特性等几个方面。根据涂 料不同的需要有选择性的对涂料部分项目加以检测和控$ l j 3 , 9 , 1 9 。 1 2 1 悬浮性 涂料悬浮性又称为沉降稳定性，是涂料抵抗固体耐火粉料分层和沉淀的能力，是涂 料重要的物理性能，也是表征涂料流变性能的重要参数，用悬浮率( ) 表示。悬浮性 的好坏还会影响涂料的其他性能，例如屈服值和触变性。悬浮性差会给涂敷带来困难， 影响涂层质量，使涂料出现严重沉淀、板结( 死沉淀) 、不易再搅匀等现象。在保证涂 料其他性能的前提下，其悬浮性越高越好。涂料悬浮性的测定方法主要有沉降柱法和量 筒法。 沉降柱法：将搅拌均匀的试样倒入沉降柱中，在静止状态下，水基涂料试样停放6 h ， 有机溶剂涂料停放2 h ，从分层处的上下两开口分别放出上段试样和下段试样，测得两段 试样的密度，再算出其沉降分层系数。试样的沉降分层系数可按式1 1 计算。 k = 笔( 1 1 ) p n t 式中：k 沉降分层系数( 1 c m h ) ； p 两层试样之间密度差( g c m 3 ) ； p 试样的原始密度( c m 3 ) ； b 两个开口之间的距离( c i l l ) ； t _ 试样在沉降柱中静置时间( h ) 。 k 值越大，表明试样悬浮性越差。 量筒法：将试样装入量筒中，使其达到l o o m l 标高处，在静置的状态下，静置相应 的时间后，记录澄清层的体积，按照式1 2 计算涂料的悬浮率。 ”：l o i 0 - 一vx1 0 0 ( 1 - 2 ) v 式中： r l 涂料的悬浮率( ) ； v _ 一量筒中试样上层澄清液的体积( m 1 ) 。 按照j b t 9 2 2 6 2 0 0 8 型砂铸造用涂料规定，稀释好的水基涂料的悬浮率指标应 为放置6 h 悬浮率9 6 ，放置2 4 h 悬浮率9 3 。 东华大学硕士学位论文 1 2 2 涂刷性 涂刷性是指采用涂刷方式时，涂料是否易于涂敷的工艺性能。通常靠涂刷操作者使 用涂料时的感觉来判定，涂刷时手感越滑爽、饱蘸一次后的可涂刷距离越长，则涂刷性 能越好，反之涂刷性越差，但这些都不容易用仪器进行测试。观察涂料的涂刷过程，涂 料在一般的使用条件下，都将经受较大的剪切速率和剪切应力。 涂刷性好的首要前提是消耗的能量少，当推刷距离一定时，要求剪切力小，而减少 剪切力，结合涂料粘度考虑，则涂料粘稠时( 粘度大) ，容易建立起厚实的涂层，在同 样刷子的线速度运动下，涂层越厚，剪切速率越小，剪切应力也较小；剪切应力与粘度 呈正比关系，剪切速率增加时，如果粘度不及时减小，推刷子就很费劲。涂刷性的好坏 主要是涂刷粘度对刷子运动是否能及时调整。根据粘度作用相互矛盾的两个方面，涂料 在剪切速率较小或不加剪切力的情况下粘度应尽可能大，但在剪切率较大时，表观粘度 越小越好，可以理解为粘度差越大，涂刷性就越好，两者的比值即称为涂刷指刻3 1 。 m=n 6 r l6 0 ( 1 - 3 ) oo u 其中：m 一涂刷指数； r l ，涂料在转速为6r m i n 下的表观粘度( m p a s ) ； r 1 ，。涂料在转速为6 0 r m i n 下的表观粘度( m p a s ) 。 1 2 3 高温抗裂性 涂料的高温抗裂性能是涂料的工作性能之一，是指涂料层抵抗高温激热而产生裂纹 和剥离的能力。通常是在高温条件下观察涂层开裂情况，按照等级评定优劣，裂纹从有 到无和程度自优至劣分为i 级。 1 2 4 流变性及其对涂料其他性能的影响 涂料的流变特性对涂料的涂刷性、渗透性、流平性、不流淌性，乃至涂层抗裂性等 许多性能有着密切的关系。流变学原理阐明了工艺性能好的涂料，应当具有“稠而不粘、 滑而不淌”的特点 1 5 】，涂料的粘度应该满足涂敷要求，涂料的粘度应该在规定的范围之 内。常用的涂料多为非牛顿流体。理想的涂料应当是带有屈服值和触变性的假塑性流体， 它既具有屈服值和剪切稀释能力，又具有触变性。 涂料具有屈服值，即对涂料施加的切应力必须达到一定值后，涂料才开始出现剪切 速率，这个能使涂料产生剪切速率的最低剪切应力，称之为屈服值。它反映涂料内部结 构的强弱程度，如果涂料所受到的剪切力小于屈服值，则涂料无法流动，这是使涂料具 东华大学硕士学位论文 有不流淌性的必要条件。屈服值的存在可以增强涂料的悬浮性和饱蘸性，合适的屈服值， 使涂料具有“滑而不淌”的工艺特性；涂料屈服值也不能太高，否则会降低涂料的流平 性和渗透性。 涂料的粘度随着剪切速率的增大而下降的能力，称之为涂料的剪切稀释能力，也称 剪切稀释作用。涂料的涂刷性和渗透性的优劣在很大程度上取决于涂料剪切稀释能力的 强弱，其剪切能稀释力越强，涂刷性和涂敷时的渗透性就越好。只有足够剪切稀释能力 的涂料才能具备“稠而不粘”的涂刷性能，结合足够的屈服值，涂料就会兼备“稠而不 粘、滑而不淌”的优异特性。带有屈服值的假塑性流体，既具备剪切稀释能力，又具有 屈服值。 涂料在固定的剪切速率作用下，其粘度随着剪切时间的延长而逐渐降低( 变稀) ，停 止剪切后其粘度又随时间的延长而逐渐恢复( 变稠) 的性能，被称作涂料的触变性。这 一过程能赋予涂料以流平和继续向型、芯表层内渗透的机会，因此，提高涂料的触变性 可以改善其流平性和渗透性，并对改善涂料的涂刷性也有一定的作用。与剪切稀释能力 不同的是，触变性有依时性。 除了上述提到的几种涂料主要性能外，还有涂层的耐磨性、涂层强度、透气性等性 能，可以根据实际的需要对其进行测试与分析。 1 3 “烧结剥离型”涂料工作原理 铸造涂料中起主要作用的是涂料中的耐火粉料。“烧结剥离型”涂料的耐火粉料一般 为复合型粉料，即由多种能在金属液浇注温度下相互烧结的粉料构成，主要通过在铸件 表面形成易剥离的烧结壳来预防粘砂缺陷，如在刚玉中加入铝矾土或者高岭土等 2 0 】。 耐火粉料的选择主要有两种理论指导。第一种按照“高耐火度”防粘砂理论配制， 即耐火粉料的耐火度须高于铸造合金浇注温度，如锆英粉。第二种按照“烧结剥离”防 粘砂理论配制，粉料的耐火度不必要求过高，主要考虑耐火粉料自身或者与涂料中其他 组分之间以及与砂型基体之间的反应烧结性，此时，要求其烧结点接近合金的浇注温度， 能在浇注过程中生成新相或产生轻度烧结，或完全熔融，涂料层呈陶瓷态或高粘度的玻 璃态，这样能抵抗金属液渗透，并且冷却之后易于与铸件剥离，得到表面光洁的铸件【2 1 1 。 浇注过程中的烧结现象与机理往往是十分复杂的，多年来，烧结研究取得了不少的进展， 但是离既能充分科学化又能系统定量化的处理烧结问题仍然有很大的距离。 如果涂层在浇注的高温作用下，其中的低熔点物质熔融，包围在高耐火度物质周围， 把高熔点物质连接在一起，也就是使涂层产生烧结，填塞铸型表面的空隙，阻碍铁水渗 透，可防止铸件粘砂等缺陷的产生。倘若根据这一原理制备烧结剥离型涂料，那么，对 涂料组分的要求会与以往有较大的不同，如对耐火粉料的耐火度要求不必太高，却应更 加关注耐火粉料本身以及与涂料中其他组成、与铸型之间物质的烧结性及其可调节性 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 2 2 - 2 3 1 4 本课题来源及研究意义 东华大学研究的黄壤土天然粘土砂铸造工艺已经在理论研究和生产实践中取得初步 成功，图1 1 所示为该工艺生产的铸件。 图1 - 1 黄壤土天然粘土砂铸造工艺生产的铸件 黄壤土天然粘土砂主要是以天然黄壤土为主要原料，添加矿渣经过适当处理和混制 而成。其中，黄壤土是一种十分常见的天然土壤物质，广泛的分布于我国各个地区，并 且储量相当丰富，可以实现就地取材；矿渣是采矿的废弃物，价格便宜。黄壤土天然粘 土砂铸造工艺与传统的煤粉湿型砂铸造工艺相比，黄壤土天然粘土砂中未添加在使用过 程中会产生对人体有害气体的煤粉，并且在铸件形成的过程中，铸件和铸型界面处形成 易剥离的致密烧结壳，生产的铸件表面不粘砂、尺寸精度高、表面粗糙度低、铸型还可 以高温打箱提高生产效率、适应的铸件壁厚范围广、废砂排放量少。整个工艺具有节能、 环保、优质、高效、低成本的优点 2 4 之7 1 。 本研究课题是在对黄壤土天然粘土砂铸造工艺的研究基础上的进一步拓展。 基于黄壤土天然粘土砂在铸造上获得的良好效果，结合铸造涂料的使用原理和特点， 以黄壤土为耐火粉料制备涂料，能把黄壤土天然粘土砂铸造工艺进一步拓宽。此外，这 还对铸件精化、提高铸件品质、节约资源、保护环境等方面；对提高我国铸造涂料的国 际竞争力有重要的现实意义。对研究者本身而言，本课题的研究对于丰富型砂以及铸造 涂料基础理论、开阔铸造思路具有指导作用。 1 5 本文主要研究内容 本文主要研究工作和具体内容安排如下： 第一章绪论对本课题研究的目的与意义进行阐述，主要对本课题的国内外研究现 状进行综述，简述了铸造涂料的使用和性能，烧结剥离型铸铁涂料的特征以及黄壤土使 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 用的优点与现状。 第二章黄壤土基涂料的配制通过研究行星球磨搅拌法和篮式研磨法两种制备工艺 对黄壤土基涂料耐火粉料悬浮性的影响，确定了适合于黄壤土基涂料的配制方法。 第三章颗粒粒径分布对涂料性能的影响通过控制研磨时间来控制颗粒尺寸以及粒 径分布，分析粒径分布对涂料悬浮性的影响，并观察和分析颗粒形貌的特点。 第四章涂料组成对涂料性能的影响通过分组试验，分析了涂料组成物的加入对黄 壤土基涂料性能所产生的影响，同时发现一些需要改进的性能，为后续工作奠定基础。 第五章黄壤土基涂料的改性研究对黄壤土基涂料进行了一些改性研究与探索。 第六章黄壤土基涂料浇注论证试验对黄壤土基涂料进行浇注验证试验。 第七章结论对本论文主要工作做一个总结。 9 东华大学硕士学位论文第二章黄壤土基涂料的配制 引言 第二章黄壤土基涂料的配制 黄壤土基铸造涂料以黄壤土粉和矿渣粉的混合物作为原料，其中黄壤土是一种天然 的普通粘土，矿渣为铅锌矿破碎颗粒，分别属于颗粒细小的粘土和细粒砂【2 8 1 。一种优质 涂料，除了合适的组成对性能产生影响外，涂料的配制设备和技术对涂料的性能和使用 效果影响【3 j 也产生较大影响。因此选取什么样的配制设备和涂料加工工艺，既能获得合 乎要求的黄壤土粉和矿渣粉的耐火粉料混合物，又能节约涂料的制备成本，将会对黄壤 土基铸造涂料的研究和生产发挥重要作用。 2 1 试验方法 以前的研究渊发现，黄壤土的含泥量为6 2 7 ，矿渣含泥量为6 5 ，颗粒组成如图 2 1 所示。 7 。 ” 船 l i t 器 毫 二” ：l j s 一，i l ”一。一 。! 。1 1 21 ”1 1t ：1 4 7l h*崎*为 啪 工时! 2 褪譬删 号【目， ，一神 j拉度丹4。 ” *一 2 。 。耋 羹oi量：i ：0 。* 邕一囊羹 o ：一7一。一：一一。5 z o扼。0；o7 0：4口2 0 0 ：锦毒吉? t 重号c 甘) ( a ) 黄壤土粒度分布图解 ( b ) 矿渣粒度分布图解 图2 - 1 黄壤土、矿渣粒度分布图解 由此可以看出，原料的颗粒较细小，为涂料的配制工艺奠定了一定基础，同时保证 了所制备的涂料具有一定的悬浮性及粘结性。尽管颗粒细小，但是不能满足作为涂料粉 料的颗粒大小的要求，因此需要使用一些机械手段将其制备成颗粒更为细小的黄壤土粉 和矿渣粉，以达到耐火粉料配制的目的。 2 1 1 试验材料 用浙江产黄壤土粉( 图2 - 2 a ) 和浙江产矿渣粉( 图2 - 2 b ) 按照7 ：3 的配比进行试验。 l o 东华大学硕士学位论文 第二章黄壤土基涂料的配制 ( a ) 浙江产黄壤土粉( b ) 浙江产矿渣粉 图2 2 浙江产黄壤土粉、矿渣粉 试验设备与仪器主要有：q m 1 s p 4 型行星式球磨机( 南京南大仪器厂制造) ( 图2 3 ) ； 7 3 1 2 一i 型电动搅拌机( 上海标本模型厂制造) ( 图2 4 ) ：m x y - c 1 5 型电动升降篮式研 磨机( 上海沐轩实业有限公司制造) ( 图2 5 ) ；实验室常用的玻璃仪器( 烧杯、量筒等) 等。 图2 - 3q m - 1 s p 4 型行星式球磨机 图2 1 47 3 1 2 i 型电动搅拌机 2 1 2 试验操作过程 图2 - 5m x y - c 1 5 型电动升降篮式研磨机 结合黄壤土基涂料原料自身特点，综合涂料常用配制方法的优缺点，以保证涂料具 有优异悬浮性为目的，本课题研究采用行星球磨搅拌法、篮式研磨法制备耐火粉料。 行星式球磨搅拌法是将耐