铸造涂料理论.doc

1、绪论1.2 铸造涂料的发展及现状1.2.1铸造涂料理论（1）抗粘砂机理，包括烧结剥离理论、光亮碳理论等。（2）为防止涂料开裂、剥落，指明涂料的涂层与砂型（芯）的急热膨胀量应基本近似。（3）宾汉模型和卡森模型。1.2.2涂料性能的检测波美读书为波美比重计；粘度为粘度杯；密度采用巴罗德泥浆天平（Baroid mud balance）1.2.3涂料品种（1）水基快干涂料：涂层界面上的厚度一般为0.11，渗入深度为2.54。这种涂料所采用的粘结剂主要为水溶性有机和（或）无机粘结剂。（2）转移涂料：称为K-Y法。这种涂料能精确复制出模样或芯盒内腔的形状。可明显提高铸件尺寸精度。（3）静电粉末涂料：是利用电晕放电原理是粉末涂料在喷枪头部的电晕放电区捕捉到一定电荷而带电，在电场力和风力作用下喷向砂型表面。耐火粉料如鋯英粉、石英粉等颗粒表面包覆一层树脂粘结剂（例如热塑性酚醛树脂和六亚甲基四胺）膜。（4）具有冶金效用基料如含碲、锡、铬、铝、硅、钴等。1.3 铸造涂料涂敷工艺评论1.3.1刷涂法（Brushing和Swabbing）1.3.2浸涂法（Dipping）1.3.3喷涂法（Spraying）(1)压缩空气系统的压强通常是500600kPa。（2）气流携带的液滴速度很高，撞击型面后回弹者颇多，影响涂料的表面质量。（3）铸造涂料多为硬的磨料，喷涂用的喷枪不能承受其摩擦作用，喷嘴很易磨损。（4）铸型中的深腔部分易产生压强，形成屏蔽效应而至喷涂困难。1.3.3.1 高压空气喷涂法常用的喷枪有两种类型：吸力型喷枪和压力型喷枪。1.3.3.2低压热空气喷涂大量低压空气（压力0.0350.07MPa），低压空气由可携式涡轮机产生，靠摩生热使空气升温至高于室温20以上。由于喷枪枪口直径大，故适用于密度大的鋯英粉涂料。1.3.3.3低压喷涂该搅拌器靠气动马达驱动，用于近距离（300380）、大流量喷涂。1.3.3.4高压无空气喷涂这种工艺是用液体压力喷出涂料。将涂料贮存在高压容器中，通过喷枪上的特殊喷嘴，涂料分散成小滴。由于不产生反力，故适用于深型腔喷涂和迅速快干涂料。.喷嘴直径一般小于1，流量达4/min，主流和辅流均由泵通过吸管吸取容器中的涂料。1.3.4流涂法 流涂法（flowing，overpouring，flooding）是一种低压浇涂方法。 流涂涂敷的优点：（1）涂敷快，比刷涂、喷涂节省砂型（芯）施涂工作时间。（2）涂层厚度均匀，不会由于操作者变动而明显影响涂层质量；（3）节省涂料，清洁，对环境污染少。1.3.5各种涂敷方法的适用性涂敷方法的正确采用，取决于型砂（芯）形状、大小、批量以及是型还是芯。表1-1 铸造涂料涂敷方法和适用范围之间的关系 涂敷方法适用范围浸 涂刷 涂流 涂喷 涂醇基水基醇基水基醇基水基醇基水基砂芯单件生产小型中型大型+0+-+-+-+-+大量生产小型中型大型+0+000000-0 +-+-+砂单件生产小型中型大型-+- 0 0 - 0 0 +型大量生产小型中型大型-0+-0+- 0 0 0 0 0 +00+ 注：上述符号“+”表示适合或常用的；“0”表示在某种条件下可能用；“-”表示不能或不常用； “”表示随着时间的推移，该涂敷方法已由不能或不常用或只在某种条件下可用发展为较常用。1.4流涂工艺的发展对水基和醇基涂料，流涂对较大的砂芯是一种非常适用的方法，这种工艺提供了几个优点：通过选择涂料正确的粘度，非常大的砂芯可以迅速地涂敷。2、流涂设备2.1引言流涂设备包括两部分：一是砂型（芯）夹持和旋转装置；二是流涂机。2.2流涂动力源的选择方法有：重力法，空气压力法，泵压法三种。2.2.1重力法2.2.2空气压力法2.2.3泵压法（1）涂料经泵循环，叶片高速剪切，可改变原来的结构，影响流涂效果；（2）对醇基流涂涂料应注意由于涂料贮存桶的敞开而导致的载体挥发；（3）泵的叶片易磨损。2.3动力泵的选择（隔膜泵和叶片泵）2.3.1隔膜泵的工作原理气动隔膜泵是一种新型的提升、输送机械。（1）不灌引水，吸程很高，自动扬程可达7m以上。（2）扬程、流量、任意可调。（3）毫无泄漏，确保安全。（4）不需用电。（5）通道宽敞，通过性好，能泵吸粘度大、带颗粒介质。（6）使用方便，工作可靠。25QB，流量：16m3/h，扬程：060m。40QB，流量：214 m3/h，扬程：060m。65QB，流量：530 m3/h，扬程：060m。2.3.2叶片泵的工作原理利用叶片内高速旋转的叶片产生离心作用而使液体产生压力，吸上和排出。2.4流涂涂料在流涂机施涂管路中流动的压力变化由于涂料粘度大，加之管路的长短、粗细、表面粗糙度等都对涂料施涂压力产生影响。其流速以100200/s为宜；涂料的流出压力p必须不小于0.4105Pa，一般在0.41050.6105Pa之间，如果过大，则易产生飞溅。2.5流涂设备的运行机制、组成及结构特点2.5.2流涂设备的组成及结构特点 通常流涂设备由涂料回收部分、涂料贮存部分、涂料动力部分及涂料烧涂控制四个部分组成。2.5.2.1 涂料回收部分涂料仍旧可以通过另一层滤网滤过。2.5.2.2涂料贮存部分搅拌速度可在20r/min左右，有机溶剂涂料来说，最好用气动搅拌器，离开底部约50。2.5.2.3涂料动力部分2.5.2.4涂料浇出控制部分 包括软管、流涂杆头、控制开关等，软管将动力泵和控制开关联结起来。2.6砂型（芯）的夹持放置和翻转装置（1）有夹紧装置（2）有翻转机构（01800）（3）有涂料回收槽（4）有支撑框架3、流涂涂料的基本性能及检验方法3.2流涂涂料应具有的性能（1）符合流涂工艺要求的流变特性。（2）合适的涂层厚度。通常要求涂层厚度差最好0.2。（3）具有适当的渗透性。表面深度达1.52倍的砂粒直径。 以下的一些性能要求，类似对普通涂料的要求。 （1）好的悬浮稳定性。 （2）足够的抗激热开裂性和高温稳定性。（3）好的抗粘砂性。（4）低的发气性和好的气密性。（5）好的贮存性。（6）原材料成本低廉，资源丰富。粘度、密度，悬浮性、涂挂性、渗透性、流动性、流平性、涂层均一性、抗过流淌性、抗堆积性等；工作性能，涂层表面强度、发气性、抗激热开裂性、抗粘砂性等。3.4流涂涂料工艺性能的检测方法3.4.1 密度 涂料的密度是涂料各种组分的密度组成的。在涂料组成中，所有溶剂比耐火粉料、悬浮剂、粘结剂的密度均低。通常涂料密度大，则粘度大，涂层厚，流动性差；反之则粘度小，涂层厚度薄，渗入较深。 采用波美计测定涂料密度时，由于涂料的触变性，会影响测定的结果。 采用称重法，简便、易行、准确。测定的方法是：首先称取具塞量筒的重量m1g（精确到0.01g），然后倒入经过充分混合的待测涂料至100ML标高处，再称重为m2g，则涂料密度为m2-m1/100g/cm3。3.4.2 粘度有采用旋转粘度计测定的，生产现场经常采用的还是流杯法。可选用被醉直径为60.1、40.1，容积为1002mL的漏斗式粘度杯。流杯粘度也叫条件粘度，单位s。3.4.3悬浮性涂料悬浮性的测定方法有量筒法和沉降柱法。30mm100mL的具塞量筒中，使其达到100mL的标高处，（24h），悬浮性。V-悬浮涂料上部澄清层清液的体积。3.4.4 渗透性和涂挂性薄壁铸件0.150.30；中型铸件0.300.75；厚壁铸件0.751.00；特厚铸件1.002.00；大部分生产中、小型铸钢件，一般取涂层厚度0.50.8为最佳。3.4.5流平性直接观察法、定量涂料散开流平的流平法等对刷涂涂料流平性进行测定。1级：涂层表面光洁，平整，Ra6；2级：涂层表面略有不平整的凸起；3级：涂层表面出现叠层、波纹痕等痕迹，不明显；4级：涂层表面有叠层、波纹痕等明显缺陷；5级：涂层表面有严重的波纹痕、叠层等缺陷，并伴有堆积。3.4.6涂层均一性与抗过流淌性、抗堆积性合格的涂层应保证砂型表面上下涂层厚度尽可能一致，称之为涂层均一性。流涂时，最难控制的是涂层厚度和均匀性，这也是流涂涂料性能控制的关键。制作长宽厚=2004020。测量距底部20和180处涂层厚度A1、A2，=|A1-A2|，越大，表明涂层均一性越差。涂料的流淌是指涂敷时，涂料在重力作用下，所具有的向下流动的能力。一是在流涂的开始，如果此时涂料的流动性差，涂料不易流淌，则易使涂料流不动、堆积、涂层过厚，产生低痕等；但若年度太低，又会造成流淌过度、涂层过薄、裸型等。另一个是涂料浇灌流下后，形成的涂层结构恢复时的流淌，这时流淌严重，则造成涂层均一性差。要使涂料在流涂开始的短时间内流淌性好，使涂料均布于型腔的表面，然后应较快恢复结构，以涂层厚度0.2为流淌过度，以出现沟槽不清晰、堆积为抗堆积性差。3.4.7流动性流涂涂料要求流动性要好，凹槽、窄缝能进入涂料，并且使涂料易流出，不堆积，涂层均一性好。易产生砂型轮廓不清晰、波纹痕、叠层等缺陷，型砂打制成流动槽，倾斜10位置，5mL涂料缓慢注入漏斗中，使之落入斜槽中，流动长度代表流动性，该法采用长宽厚=130236的长条型砂样。1g涂料滴在砂样一端，直至停止流淌，干燥后测量其流动长度。即将2004020的砂块，砂块与水平面夹角为80，用吸液管吸上涂料，在其上端浇灌3mL，然后迅速将之直立，直到涂料停止流动。3.4.8抗滴痕性流涂涂料若流到砂型某些向下的棱角处不在流失掉，就会形成凸状悬挂物，这就是滴痕。滴痕是流涂出现的最为严重的缺陷之一。1级：无滴痕2级：棱角处有0.5的凸包状悬挂物；3级：棱角处有0.51的凸包状悬挂物；4级：棱角处有12的凸包状悬挂物；5级：棱角处有2的凸包状悬挂物；3.5.1涂层的表面强度机械擦刷法、振动法、落砂法、手搔法等。在1505烘干。1级：用手指甲用力划涂层才掉粉末；2级：用手指甲划涂层就掉粉末；3级：用手指用力蹭涂层才掉粉末；4级：用手指轻力抚摸涂料层就掉粉末。3.5.2发气性采用直读式或SFL型记录式发气性测定仪测定。1505烘烤1hr。3.5.3抗高温激热开裂性涂料的抗高温激热开裂性是指涂料涂层经受高温激热，涂层抵抗产生裂纹和剥离的能力。1级：土层表面光滑无裂纹，或只有极细的裂纹，涂层与砂型（芯）表层基体之间无剥离现象；2级：涂层表面有树枝状或网状细小裂纹，裂纹宽度小于0.5，涂层与砂型（芯）表层之间无剥离现象；3级：涂层表面有树枝状或网状裂纹，裂纹宽度小于1，裂痕纹较深，沿横向或纵向无贯通的粗裂纹，涂层与砂型（芯）表层之间无明显的裂纹；4级：涂层表面有树枝状或网状裂纹，宽度大于1，纵向和横向间有贯通裂纹，涂层与砂型（芯）表层基本间的剥离。3.6.1裸型（1）砂型棱角上沿，由于涂料过渡流淌而涂挂不足，造成涂层厚度过薄。（2）涂料粘度低，过渡流淌，使涂层过薄。（3）流涂涂敷操作失误，有些地方位流上涂料。3.6.2波纹痕（1）涂料粘度太高，流动性差，不能流平；（2）流涂时流涂嘴移动太慢，而导致重复多次施涂。“峰”点烘干时易产生裂纹。3.6.3叠层3.6.4冲击痕（1）施涂压力太高；（2）涂料太稠（3）流涂杆头选择不当。4、流涂涂料及其设备4.2.1耐火粉料（Refractory Fillers）表4-1 不同金属铸件砂型（芯）涂料常用的耐火涂料铸件金属耐 火 涂 料镐英粉白钢玉粉棕钢玉粉铝矾土粉（熟料）石英粉镁橄榄石粉镁砂粉鳞片状石墨粉土状石墨粉滑石粉铬铁矿粉碳钢+-高锰钢-+-不锈钢耐热钢+-灰口铸铁-+球墨铸铁-+-+可锻铸铁-+-+铜合金-+铝合金-+注：“+”表示正常；“”表示在某种条件下采用；“-”表示不用或很少用；“”表示常和其他耐火粉料配合使用。常用的耐火粉料有锆英粉、棕钢玉粉、铝钒土粉、石英粉、莫来石粉、铬铁矿粉、镁砂粉等，其中锆英粉是铸钢极好用的耐火粉料。锆英粉即癸酸锆粉，成为ZrO267.2%，SiO232.8%，熔点243020，ZrO263%以及含Fe2O3、CaO、TiO2和Al2O3等杂质，其熔点仅16001800，而锆英粉中硅酸锆在1540开始分解成单料ZrO2和非晶质SiO2，后者会与FeO及碱性物质作用产生低熔点化合物，甚至在温度低于1400时，锆英粉涂料有利于防止铸件粘砂。加上锆英粉热膨胀低（仅为石英的1/31/6）,热导率和蓄热系数高（使涂层对金属有较大激冷能力），化学惰性大，因此可获得表面相当光洁的铸件。如果用于厚实铸件和多种钢，建议控制其ZrO2，含量65%，而杂质（TiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O、P2O5、游离SiO2）含量不大于2%为宜；用于不复杂的一般铁碳合金铸件，可用ZrO263%的锆英粉。锆英粉密度为4.04.8g/cm3，因此对涂料的悬浮体系要求高。广东锆英粉、玉林锆英粉以及澳大利亚进口的锆英粉。前三种的ZrO2含量均在63%65%之间，进口的ZrO265%，耐火度均1700。表4-2 锆英粉沉降分级粒度分布/%级 别01234524h不沉淀物粒度范围/m26.120.326.111.620.38.711.65.88.72.95.82.9广东锆英粉3.516.93012.59.1253.0玉林锆英粉（1）4.48.116.711.710.144.84.2玉林锆英粉（）7.711.415.611.911.836.44.2澳大利亚锆英粉1.97.535.66.12620.12.84.2.2 载液（Carrier Liquids）该造型线必须有烘干工位，醇基氯化物，对水基涂料，宜用软水。4.2.3悬浮剂水基涂料常用的悬浮剂是膨润土、有机高分子化合物、膨润土-高分子化合物复合稠化体系。HB型涂料用悬浮剂就是效果较好的一种。目前常用的膨润土有张家口膨润土、信阳膨润土等。醇基涂料使用较理想的悬浮剂是有机膨润土，它具有好的悬浮性、涂挂性和流平性，但载体乙醇很快就深深地渗入砂芯中，一方面对砂型（芯）工作表面强度破坏较大；另一方面是砂型（芯）工作表面的涂层来不及流平，一是填加其他合适的悬浮剂和粘结剂，使乙醇增稠，降低其渗透速率，减少渗透深度；二是综合开发新型性能好、价廉、适用流涂的悬浮剂，HB-I型醇基流涂涂料悬浮剂就是应用效果较好的一种。4.2.4 粘结剂粘结剂是使涂料中的耐火粉料彼此粘结在一起。对水基涂料来说，属于低温型的有：羧甲基纤维素钠（CMC）、海藻酸钠、水溶性合成树脂、聚乙烯醇（PVA）、聚醋酸乙烯乳液（白乳胶）、淀粉、糖浆、亚硫酸盐纸浆废液、水柏油、干性植物油等，属于高温型粘结剂的有：水玻璃、硅溶胶、膨润土、普通粘土、聚合磷酸盐等。对醇基涂料常用的粘结剂有热塑性酚醛树脂、癸酸乙酯、聚乙烯醇缩丁醛（）、松香、漆片等。4.2.5 其他添加剂4.2.5.1 表面活性剂为改善流涂涂料对砂型（芯）表面的浸润，渗透能力，提高涂层和砂型（芯）表面的结合强度，效果较好的有阴离子型和非离子型表面活性剂。4.2.5.2 消泡剂醇基涂料涂层在点燃干燥时也可能产生气泡或麻坑，前者常滴入微量的醇如正丁醇、正戊醇、或正辛醇等；后者则常靠加入熔点较低的恶物质，例如，硬质酸盐或其他有助于破坏干燥时粘结剂膜连续性的物质来实现。4.2.5.3 助溶剂为提高涂料的高温强度，碱金属和碱土金属的氧化物、氟化物、氢氧化物和盐类。4.2.5.4 减水剂用的减水剂有甲基奈磺酸甲醛缩合物。4.2.5.5 防腐剂纤维素衍生物，糖浆、淀粉等多糖类有机物，加入一些甲醛类、酚类及其衍生物可防止。4.2.5.6 分散剂是使以分散的单个粒子仍保持隔离状态而不凝聚。4.5 涂料配制工艺本书主要以铸钢用水基锆英粉涂料为例，进行系统的讨论。悬浮性、涂层厚度、渗入深度、流平性，涂层均一性、抗低痕性和流动性7种工艺性能。4.6水基锆英粉流涂涂料性能的影响HB型悬浮剂加入量为1份时，悬浮性已达97%。加入NT常温粘结剂2%，涂层的表面强度达到1级。采用广东锆英粉、澳大利亚锆英粉的涂料，其工艺和工作性能明显优于采用玉林锆英粉。4.4.1.2 锆英粉粒度及分布对流涂涂料工艺性能的影响涂料是一种悬浮体系，影响其粘度的因素很多，但主要有三个方面，即分散介质，分散相和条件因素。据研究：1100m的范围内粉料分布呈双峰型式，方具有较高的堆砌密度，所配制的涂料具有好的流动性。在耐火粉料中，随着粒子的细化，比表面和表面能增大，因而粒子间的作用增强。同溶积载液中粒子数量增加，界面面积及聚合物间的相互作用增加，碰撞的机会增多，结构中连接点较多，强度提高，表现出较大的屈服值和触变性。平均粒度较细，粉料中粒子（10m）含量愈多，屈服值变的愈高，使粘度增加。涂料中耐火粉料细，屈服值、触变性较大；则在流涂过程中，流动性、流平性、涂层均一性差，产生严重滴痕，涂层厚度增加，渗入深度减少。涂料中耐火粉料的粒度及分布等对流涂涂料的工艺性能影响较大，在选择耐火粉料时，不要过于片面地追求选择粉料细度而误认为越细越好，小于m的粉料比例不能太高。4.6.1.3锆英粉流涂涂料密度对工艺性能的影响同种涂料密度增加，粘度提高，密度的增加，涂层厚度急剧提高，随密度的增加，渗入深度减少，涂料密度增加，粘度增大，涂层厚度增加，渗入深度减少；粘度小的涂料，流动性好；粘度大的涂料，流动性差。涂料密度增加，涂层均一性变差，涂料粘度增加，涂层均一性变差。涂料的涂层流平性逐渐变差。涂料粘度增大，涂层流平性又变差之趋势，易堆积。粘度变大，涂料的抗滴痕性变差。涂料的密度、粘度增加，涂层厚度增大，渗入深度减小，即涂料的涂挂性变好，渗透性变差；流动性、涂层均一性，流平性、抗滴痕性均变差，所以，涂料的粘度不能大，但涂料的粘度低，密度小，涂层的致密程度变差，抗粘砂能力减弱，所以，应尽量减小密度变化对粘度变化的影响程度，对粘度的影响小，也就是说：涂料密度增加，并未引起粘度大幅度的增加，涂层厚度、渗入深度、流动性、涂层均一性、流平性、抗滴痕性增强或减弱的幅度也不大。Z004、z007涂料的流涂综合工艺性能较好。4.6.2 悬浮剂种类对锆英粉流涂涂料性能的影响4.6.2.1 试验结果及分析四种悬浮剂：HB型悬浮剂，河南信阳膨润土，河北张家口膨润土，湖北沼山膨润土。膨润土是目前最常用的水基涂料的悬浮剂，膨润土最重要的功能是由于离子吸附作用而使胶体分散体（涂料）形成结构，从而使涂料具有悬浮稳定性、屈服值和触变性。膨润土中，主要矿物组成是蒙脱石，此外为伴生杂质。膨润土使用前是钙基，加入Na2CO3进行活化。三种膨润土活化时Na2CO3的最佳加入量为3.5%，并且信阳膨润土的膨胀值最好且悬浮性最好，但高温激热开裂性差。总体上讲，随膨润土加入量增多，除了涂层厚度、悬浮性增大，流平性变好外，其他工艺性能均变差。然而，膨润土加入量少，涂料的悬浮稳定性差；另外，HB型悬浮剂是一种较优良的适于流涂涂料配制的悬浮剂。4.6.2.2 适用于配制流涂涂料的HB型悬浮剂HB型悬浮剂不同于膨润土，是将特种LT粘土经过改性处理而成。它不但具有好的悬浮性，不易板结，分散性好，而且耐火度高，其作为一种优良的流涂涂料悬浮剂的同时，还可以作为一种高温粘结剂，能够有效地提高涂层的高温强度。下面将HB型悬浮剂的膨胀值、发气性、耐火度与膨润土进行比较。（1）膨胀值：将HB型悬浮剂和经过活化的信阳、张家口、沼山膨润土的膨胀值进行测定：依次为100%、96%、92%、82%。（2）发气性：HB型悬浮剂的发气量在四种悬浮剂中最低，发气速度也最慢。所以，采用HB型悬浮剂配制涂料，产生气孔的可能性会降低。（3）耐火度：HB型悬浮剂的耐火度在16301650之间，三种膨润土的耐火度均在1250左右。HB型悬浮剂不仅可以做锆英粉涂料悬浮剂用于铸钢件涂料，而且可以用于配制石英粉、铝钒土粉涂料用于铸钢件的生产，用以代替锆英粉或刚玉粉涂料，可大大降低成本。4.6.3 粘结剂种类对锆英粉流涂涂料性能的影响聚醋酸乙烯乳液加入量增加，流平性变好，涂层厚度增加，但涂层均一性、流动性、抗滴痕性变差，在沟槽凹坑处有堆积。也就是说聚醋酸乙烯乳液加入量增多有增加流平流淌的趋势。对发气性，在加入量为5份时，最大发气量也仅为7.5Ml/g。水溶性酚醛树脂做粘结剂。涂料流动性好，发气量低，各种性能优于采用聚醋酸乙烯乳液。但随着水溶性酚醛树脂加入量增加，涂料流动性变差，流平性变好，却有增大滴痕的趋势。聚合磷酸盐作粘结剂，涂料的流平性、涂层均一性、抗滴痕性、流动性均较佳，随其加入量的增加，对流涂的流涂效果影响不大。采用糖浆和淀粉作粘结剂，涂层光洁发亮，流平性好，但涂料在涂层形成后，结构恢复慢，涂层均一性差，滴痕岁粘结剂加入量增加而渐趋严重，易产生堆积、轮廓不