用于冷芯盒工艺的高性能水基涂料的研究

H:\精品资料\建筑精品网原稿ok（删除公文）\建筑精品网5未上传百度用于冷芯盒工艺的高性能水基涂料的研究DevelopmenttheWater-basedcoatingforcoldboxprocess刘生银,孙兴华,金晓春,黄爱民(亚什兰(中国)投资有限公司铸造部,上海30)摘要: 水对冷芯盒工艺的砂芯强度影响非常大, 试验数据表明,已经生产出来的砂芯,如果在高潮湿(相对湿度90%)中存放24小时,强度会下降50%-67%.生产实际中,芯砂中如果含水量大于 0.2%时,几乎不能用于冷芯盒工艺;鉴于此,开发出一种对砂芯强度影响最小的水基涂料。关键词: 冷芯盒工艺; 砂芯强度;9022C水基涂料Abstract:Sandcoresmadebycoldboxprocessareverysensitivetomoisture.Itisshownthatthetensilestrengthofsandcoreswilldecreaseby50-67%aftertheyarestored24hoursunder90%relativehumidity.Itisrecommendedthatsandmoistureshouldbelessthan0.2%inthefoundry.Tominimizetheimpactofwaterbasedcoatingtosandcorestrength,Ashlanddevelopedakindofcoatingwithminimalpenetrationintosandcores.KeyWords:ColdBoxProcess,Sandcorestrength,9022Cwaterbasedcoating早在上世纪60年代时,冷芯盒工艺就由亚什兰公司创造并申请了专利,随后的80年代,中国引进了该工艺用于汽车发动机主要零部件的生产,并一度在我们的铸造教科书上称之为亚什兰工艺。冷芯盒树脂是由酚醛树脂和异氰酸酯树脂两组分组成,两组分在三乙胺作催化剂的作用下,常温时快速硬化。该工艺的优点明显,可快速同时硬化(10秒之内),无需加热,初始强度和终强度高,适合大批量快速生产要求。冷芯盒树脂反应机理:酚醛树脂

异氰酸酯

聚氨酯随着国内铸造业对该工艺的深入了解和实际使用,越来越多的铸造厂采用了该工艺,据不完全统计,当前国内几乎所有大型汽车发动机铸造厂家均采用冷芯盒工艺。可是该工艺中的II组份异氰酸酯和水有很强的反应倾向异氰酸酯与水反应:HR-NCO+H2O

[R-N-COOH]

R—NH2+CO2异氰酸酯与水的反应优先于与I组分酚醛树脂的反应,即反应前,如果异氰酸酯遇到水,无论是在树脂中或砂子中,均会先与水反应,然后才会和酚醛反应,因此砂芯强度会大大降低。因此冷芯盒工艺要求芯砂中含水量不得高于0.2%.1 原砂中带有水分的情形我们在试验室里做了试验,采用标准大林砂50/100目,原砂含水量为0.13%.试验前,先将砂子在烘箱中烘干,再分别加入0.2%、0.3%、0.4%、0.5% 和1.0%的水, 然后测试不同含水量的砂子的冷芯盒工艺强度。采用亚什兰的440C/840C冷芯盒树脂, 树脂加入量两组份共为1.5%(组份I: 组份II=50:50)。表1:砂含水量对砂芯强度的影响砂含水量,%30s1hr3hr24hr

0.0011.1214.7615.1017.41

0.2010.3513.6414.6216.15

0.309.7911.8911.4713.50

0.404.976.575.457.69

0.502.804.553.993.08

1.000.000.000.000.0012.009.006.003.000.000.00

原砂含水量对瞬时强度(30S)的影响0.20 0.40 0.60 0.80含水量(%)

1.0020.0015.0010.005.000.00

图1 原砂含水量对瞬时(30s)强度的影响原砂含水量对3小时强度的影响0.00

0.20

0.40

0.60含水(%)

0.80

1.00强度(KGF)强度(KGF)强度(KGF)图2 原砂含水量对3小时强度的影响从表1、图1、图2结果能够看出,当原砂中含水量为0.3%时,砂芯3小时强度及24小时强度明显降低,因此冷芯盒工艺要求原砂含水量小于0.2%。2 固化后的砂芯遇到水分的影响采用亚什兰的440C/840C冷芯盒树脂,大林标准40/70目砂,砂含水量低于0.2%, 树脂加入量两组份共为1.5%(组分I: 组分II=50:50)。将固化后的砂芯分别放置于室温,50%相对湿度,以及40℃,90%相对湿度下比较湿度对砂芯强度的影响。表2:大气湿度对固化后的砂芯强度的影响试验室温度/湿度 25℃/50RH

40℃/90RH30s5Min1Hr3Hr5Hr7Hr9Hr24Hr25.020.015.010.05.00.0

13.817.118.619.119.720.321.021.5

14.215.014.414.913.312.412.27.1440C/840C,25C,50RH440C/840C,40C,90RH30S 5Min 1Hr 3Hr 5Hr 7Hr 9Hr 24Hr时间图3 大气湿度对砂芯强度的影响从表2和图3能够得出如下结论:1)440C/840C冷芯盒树脂在加入量各组份仅为0.75%时,初始强度已经达到14.2KGF, 明强度(强度(Kgf)显高于正常客户的使用需求;2)在常温(25℃)和常湿(相对湿度50%)状态下,砂芯强度由初始的13.8KGF达到24小时的21.5KGF,增加了56%. 说明冷芯盒树脂继续反应,砂芯强度会随着时间继续增长。3)在高温(40℃)和高湿(相对湿度95%)状态下,砂芯强度由初始的14.2KGF降到24小时的7.1KGF,降低了 50%.说明固化后的树脂与水发生了反应,同时由于水与砂子有更强的亲和性,阻碍了树脂与砂子的结合作用,从而导致强度明显降低.由此可见,固化后的冷芯盒砂芯遇水强度会明显降低。因此,开发一种能对砂芯强度影响最小的涂料是我们的一个重要课题。采用不含水的涂料,如醇基涂料影响较小。可是醇基涂料价格较高,而且醇基易燃,对环境不友好,运输不便,包装要求较高。采用水基涂料有价格较低,包装运输方便等优点,国内较多的工厂采用水基涂料,大部分水基涂料因为渗透较深,会明显影响砂芯强度。因此我们开发出一种高性能、低渗透的水基涂料－9022C来满足国内客户的需求.该涂料由高档铝硅酸盐材料、云母、石墨、粘土、有机粘结剂、表面活性剂和防腐剂组成。含片状绝热耐火矿物材料,有助于减少脉纹缺陷,并使粘砂和表面侵蚀最小。加入足够的石墨,在多数情况下可使涂料在铸件表面形成一层易脱落的壳层。对未喷涂过量的脱模剂的砂芯表面具有良好的润湿性和粘结性,涂料渗透性小,能够为细薄的砂芯因水分侵蚀而产生的断裂减少到最小。9022C涂料在充分满足常规涂料的常温和高温强度的前提下,涂料渗透到砂芯表内层非常少,对砂芯的强度影响很小。3 涂料对砂芯强度影响的实验我们在实验室做了如下试验:准备工作:制备了标准8字样块( 样块采用的440C/840C冷芯盒树脂, 大林标准40/70目砂,砂含水量低于0.2%, 树脂加入量两组份共为1.5%I:II=50:50), 准备了9022C、9105C涂料各1KG .(其中9022C为低渗透涂料,而9105C为普通渗透涂料,作为参比对象).我们将生产现场提取的涂料,分别加入不同比例的水,调整到相同的波美度,Baum=30,测得结果如表3。表3 所用两种涂料的性能涂料名称加入水量固体含量粘度,100rpm/10rpm,(cps)

9022C35%31.71%42/330

9105C49%29.31%37/250注:以上数据均采用较高精确度的测量仪检测,其中称量仪采用梅特勒-托利多的PL303型电子天平,精确度达0.001G;粘度仪采用美国Brookfield公司的DVII-Pro,波美计采用亚什兰公司的90DIETERTDetroitMI。涂料稀释后,用8字样块浸涂上述不同涂料,而且模拟实际使用情况,在拉伸仪上测试拉伸强度,测得结果见表4。表4 浸涂料对砂芯抗拉强度的影响抗拉强度(KGF)

未浸涂料 浸涂9022C 浸涂9105C 浸水不烘干,放置2分钟不烘干,放置30分钟先不烘干,放置30分钟,然后再120℃烘30分钟

15.1015.1020.70

10.778.1812.66

10.286.369.44

10.497.7611.89由测试结果可见,低渗透9022C的砂芯强度比普通渗透的9105C高出20%以上。最后,我们用烘干好的8字样块,用拉伸仪自然拉断后,断面未经任何处理,放在高倍显微镜下,拍出的涂料渗透厚度如图4所示。图4 9022C低渗透涂料与普通涂料9105C渗透厚度的对比,采用MOTICSMZ-168高倍显微镜,同时我们采用千分尺将涂料渗透厚度进行了测试,结果见表5。表5 两种涂料的渗透厚度涂料名称渗透厚度

9022C0.8mm

9105C1.8mm市场上通用涂料的渗透厚度一般为2mm左右,而9022C涂料的渗透厚度减少了一半,小于1mm,因此能最大限度的减少对砂芯强度的影响。综合以上数据能够得出,9022C涂料是一种低渗透性的高性能水基涂料,适合机械化大批量生产使用。4 9022系列涂料的应用实例(1)9022C用于山西三联发动机缸体9022C水基涂料典型物理属性: 形状: 浆状; 金属: 铸铁; 颜色: 灰色/黑色; 应用方法:浸涂; 耐火材料: 混合物; 作用方式:形成涂层; 溶剂:水; 干燥方法:烘干; 固体％:42.0; 比重:1.33;波美度:50应用: 在多数情况下,9022C 浆状涂料供货状态时的粘度比使用时高。故需采用与涂料相容的清洁水加以稀释,加入30-40%的水。根据应用方法和砂芯温度的不同,9022C 浆状涂料使用波美度一般在30-32。有时候波美度不足以充分说明涂料的性能。为使涂敷达到满意的效果,还需要测定涂料的比重或固体含量。生产稳定后,波美度可用作检测浆状涂料性能的快捷手段。图5:山西三联为韩国现代生产的1.6L发动机缸体,采用9022C涂料(2)9022D用于保定长城内燃机及镇江银峰阀类铸件采用人工方式浸涂涂料时,由于很难控制精确的涂料滴淌时间,要求涂料有良好的触变性,因此我们在9022C的基础上,改进了流淌性,开发出9022D涂料。9022D能够满足人工方式浸涂,因为当手工浸入涂料提起来时,9022D涂料就会马上停止流淌,没有滴挂,表面非常光洁.图6 保定长城内燃机用9022D涂料(具有非常好的平滑表面)图7 镇江银峰铸造公司采用9022D水基涂料代替醇基涂料生产汽车和阀类铸件.(3)9022FD涂料用于武汉威斯卡特排气歧管为满足一些客户低温快干的要求,我们又开发了9022FD快干涂料,9022FD涂料可在80