21世纪铸造涂料的发展趋势

21世纪铸造涂料的发展趋势

21世纪的铸造技术发展趋势是近净型和绿色集约型。铸造材料的发展也应适应造船技术的总趋势，充分发挥铸造材料的作用，提高铸造质量，节约资源，环境保护。80年代以来,国内涂料技术获得了飞速发展,涂料的品种日益增多,性能不断提高,基础研究逐渐深入,涂料的功能亦更加丰富。近年来出现的流涂、非占位涂料(亦称转移涂料)及环绕粉末喷涂等工艺标志着涂料涂敷模式的深刻变化。而消失模(EPC)、真空造型(V法)等铸造新工艺对涂料提出了一些新的要求。下面分别从几个方面论述铸造涂料的发展趋势。1专用涂料的开发未来涂料的品种将更加多样化,归结起来有以下几个发展趋势:1.1发展水基涂料铸型涂料有水基和醇基涂料2大系列。醇基涂料可点火干燥,使用方便,在市场上占有很大比例。其缺点是价格高、有着火及爆炸危险、运输困难,而且使用性能尚有待改进。水基涂料价格低廉、安全可靠、性能稳定、运输方便、清洁无污染,因此,水基涂料是未来涂料发展的方向。其缺点是水的蒸发速度较慢,需要辅助干燥措施如红外、远红外、微波、热风或进窑烘干,增加了设备投资和运行费用,因此,开发水基快干涂料是涂料研究的一个重要课题。水基涂料实现快干的途径有以下几个:(1)提高涂料的含固率,降低涂料中的水分含量;(2)减少涂料中的水分向砂型内渗透;(3)采用水溶性快干粘结剂。例如国外配制出以硅溶胶为粘结剂的水基快干涂料,该涂料干燥速度快、常温及高温强度高。国内的研究发现,一些有机粘结剂由于在涂料表面形成1层致密粘结膜而防止了水分的蒸发,粘结剂膜越致密,涂料干燥越慢。(4)借助放热反应加速水分蒸发或固化。1.2发展特种工艺专用涂料近年来发展起来的消失模铸造、V法造型、非占位涂料(转移涂料)以及流涂等特种工艺对涂料提出了一些特殊要求。专用涂料是国内涂料的薄弱环节。许多单位正在积极开发各种专用涂料。1.2.1消失模涂料消失模铸造(EPC)近年来发展迅速,国内已有一些厂家引进了消失模生产线,但是,目前国产消失模涂料不能满足性能要求,不得不采用进口涂料。因此研制铸铁件、铸钢件及铝合金消失模专用涂料是1项非常迫切的任务。1.2.2V法涂料V法造型(真空密封造型)中,涂料是喷涂在塑料薄膜表面,要求涂料有较高的附着力和自身强度,也需要专用的涂料。1.2.3非占位涂料(转移涂料)非占位涂料(转移涂料)是将涂料直接涂敷于芯盒壁上,填砂后与砂芯一起硬化,起模时涂料从芯盒表面转移到砂芯表面。涂料不占据型腔的有效空间位置,因此可很好地保证铸件的尺寸精度。非占位涂料的特殊涂敷工艺决定了其成分和性能的特殊性。例如热模法非占位涂料要涂于热的芯盒上,涂料与芯盒表面及砂芯的结合强度决定着涂料能否转移,而自硬法非占位涂料则要求涂料能够自硬且不影响界面砂芯的硬化。普通砂型涂料难以满足上述要求,必须根据具体工艺研制开发专用非占位涂料。1.2.4流涂涂料流涂是一种较为先进的涂料涂敷工艺,具有涂层表面品质好、涂敷效率高等特点,但是,流涂对涂料的流变性能有较高的要求,刷涂及喷涂涂料通过简单的粘度调整难以满足其要求,必须采用专用流涂涂料。1.2.5湿型砂涂料湿型砂在造型制芯工艺中占有十分重要的地位。近年来,为了进一步提高铸件的表面品质,很多湿型砂生产线配备了喷涂工位,一般采用醇基涂料。铸铁件湿型砂中普遍采用煤粉砂,煤粉的加入降低了型砂的透气性,也恶化了劳动条件,因此,开发能够取代煤粉的湿型砂涂料亦是涂料研究的1个重要方向。1.3发展功能涂料现代铸造涂料的功能正在不断扩展。铸造涂料既可用来防止铸件粘砂,又可通过配入一些特殊成分而具有某种特殊功能,目前的功能涂料主要有以下几种:1.3.1表面合金化涂料通过在涂料中加入合金元素,可使铸件表面实现合金化。例如,在涂料中加入锡、锑、锌等元素可增加铸件表面的珠光体含量;加入碲、铋、铬等元素可使铸件表面形成较多的碳化物,提高铸件表面的耐磨性能;含有碲粉的涂料还被成功地用于防止耐压铸件的渗漏。1.3.2孕育涂料孕育涂料是将孕育剂以涂料的形式涂于浇注系统或型腔某个部位,以达到强化孕育、防止衰退的目的。1.3.3防渗碳渗硫涂料呋喃树脂自硬砂在国内获得了广泛的应用,但是,该工艺所用固化剂(对甲苯磺酸或二甲苯磺酸),在浇注过程中会分解出有害的硫。在浇注低碳钢及奥氏体不锈钢时还会发生表面增碳。解决这个问题的有效方法是在砂型表面涂一层屏蔽涂料。例如在涂料中加入氧化钙、氧化铁、氧化硅等可明显减少树脂砂铸钢件的渗碳及渗硫缺陷。其中,氧化铁具有氧化和促进烧结作用;氧化钙具有脱硫和促进烧结作用;氧化硅主要是促进烧结。该涂料在浇注时可形成具有氧化、脱硫作用的致密烧结层,能有效地隔绝来自铸型分解的COx和SOx系气体,从而可有效地防止铸件表面渗碳、渗硫。1.4无骨料涂料在液压阀等小型复杂铸件的生产中,经常因涂层局部过厚而引起铸件尺寸超差。针对这一问题,沈阳铸造研究所开发了1种不含耐火骨料的抗粘砂涂料,即无骨料涂料。该涂料由高温粘结剂、常温粘结剂、溶剂及增稠剂等组成。由于不含耐火骨料,涂料不形成涂层厚度,因而涂料不会降低铸件的尺寸精度。该涂料在浇注时可使砂芯表面适度烧结,在金属/砂型界面形成还原性气氛并析出少量的亮碳膜,从而可有效地防止铸件粘砂。用此涂料浇注了Rexroth409及RexrothTDLIH6-5等阀体铸件,获得了良好的效果。此外,特殊配制的无骨涂料可防止铸钢件皱皮及粘砂。1.5发展醇基粒状涂料醇基涂料属易燃危险品,运输周期长,费用高,而且由于醇基涂料的悬浮稳定性较差,涂料在长途运输和存放过程中易产生板结(死沉淀),因此,开发醇基粒状或粉状涂料是涂料的1个发展方向。例如,英国Helpworth公司即有此种产品。国内有些厂家如沈阳铸造材料厂、圣泉公司也开发了粒状涂料。粒状涂料不含易燃溶剂,故可用编织袋内衬塑料袋包装,比浆状涂料所用的塑料桶便宜得多。粒状涂料可按普通货物运输,运输周期短、费用也大大降低。但是,目前醇基粒状涂料或粉状涂料在性能方面还赶不上浆状及膏状涂料。研究的重点应放在悬浮剂的改性方面。1.6开发新型及复合耐火骨料耐火骨料是砂型涂料的主体,决定着涂料的抗粘砂性。越来越多的耐火材料被用于砂型涂料,从原来的锆英粉、铝矾土、刚玉粉、镁砂粉、铬铁矿粉、石墨、石英粉等到镁橄榄石粉、铬刚玉粉、锆刚玉粉、地开石粉、叶蜡石、尖晶石、蓝晶石、珠光粉等均被用于涂料的耐火骨料。近年来,一些高级耐火材料如纯氧化锆、氮化硼、氮化硅、碳化钛、碳化硅等也被用于砂型涂料。这些材料的突出特点是耐火度高,与金属及其氧化物不润湿,因此有极好的抗粘砂性。另外,采用复合耐火骨料也是涂料的1个发展趋势。1.7新型高性能抗粘砂涂料国外最新研制成功新一代抗粘砂涂料,用于铸钢、铸铁及有色铸件,可代替现有的铸造涂料如锆英粉涂料、石墨粉涂料、刚玉粉涂料等,其涂层厚度只有现有涂料的1/4。该涂料是用1种特殊的合金粉末配制的醇基涂料,可用喷、刷、浸等方法进行涂敷。在浇注时,这种合金粉末会发生化学反应,形成具有极高耐火度的涂层,可有效地防止金属渗透及粘砂。2醇基涂料的热膨胀聚合技术未来对铸件的表面品质和尺寸精度的要求会越来越高,无疑对涂料的性能也会有越来越高的要求。近年来,流变学的发展,极大地促进了砂型涂料的发展,涂料的悬浮性、流平性、触变性等有了很大提高。目前涂料性能研究的重点有以下几个:2.1醇基涂料的悬浮性、流平性目前醇基涂料的悬浮性、流平性仍赶不上水基涂料,在运输、贮存及使用中易出现沉淀。醇基粒状涂料的悬浮性及流平性更差。解决上述问题的途径有以下几个:2.1.1寻找新型悬浮剂目前醇基涂料的悬浮剂主要有锂土、有机土、PVB等。近年来一些研究者对凹凸棒土、海泡石、累托石等含镁硅酸盐矿物进行了研究试验,显示出较好的使用效果。这几种矿物虽然膨胀性能并不高,但是其特殊的纤维状或棒状结构使其具有独特的流变特性。2.1.2膨润土的改性工作膨润土的改性是改善涂料悬浮及流变性能的有效途径。目前,膨润土的改性工作主要集中在膨润土与高分子的复合以及通过阳离子交换法进行的改性处理等。1个新的研究方向是将纳米技术用于膨润土的改性,利用膨润土的吸附性、离子交换性和层间膨胀特性将一些聚合物引入到膨润土层间域形成性能优异的聚合物/粘土纳米复合材料。某些有机化合物可以进入到蒙托石的片层之间,并能在其间发生聚合,在有机单体的热聚合过程中,蒙托石层状结构被撑开,碎裂成纳米尺寸的颗粒。这项技术为解决醇基粒状涂料的悬浮体系提供了1条新途径。目前醇基涂料所用的粘土类悬浮剂,其膨胀是可逆的,即在引发时粘土层间发生膨胀,但在干燥时在氢键和范德华力作用下又重新聚结在一起,在醇类溶剂中失去膨胀悬浮的能力。利用纳米技术可使粘土类悬浮剂发生不可逆膨胀,从而制得预膨胀或预分散高效悬浮剂。2.2消失模涂料的性能消失模涂料的工作条件与普通砂型铸造绝然不同,因而其工作性能和砂型涂料也有很大不同,归结起来消失模涂料有以下几个特点:2.2.1良好的透气性在消失模铸造工艺中,浇注时聚苯乙烯泡沫塑料模在高温下液化及分解产物都要通过涂料排出,因此,消失模涂料要有良好的透气性和吸附泡沫塑料液化产物的能力。一些研究表明,消失模涂料的高温透气性更为重要。获得良好透气性的途径有以下几个:(1)将不同种类的粒度的耐火骨料进行合理搭配耐火骨料的种类和粒度对涂料的透气性影响很大。一般来说单独使用某1种骨料时涂料的透气性较差,而将不同的耐火骨料搭配起来使用时透气性较好。如铝矾土与适量石英粉复合可获得良好的透气性。骨料的颗粒形状对涂料的透气性也有很大影响。球形颗粒(石英,刚玉)形成外露的微孔,而片状颗粒(滑石,叶腊石,云母)形成隐蔽的微孔。胞格状组织(珍珠岩)及纤维结构(石棉,蛭石)填料构成无序排列,形成堆垛松散的多孔结构,透气性较高。将不同种类的骨料进行合理搭配可在一定范围内调节涂料的透气性。(2)采用有机粘结剂有机粘结剂在高温下分解可形成一些孔洞,从而增加了涂料的高温透气性。而高温粘结剂如硅溶胶、水玻璃等配成的涂料透气性较差。(3)加入氧化剂塑料模在高温下不完全分解时会在涂料表面沉积一些亮碳,阻塞排气通道,从而降低涂料的透气性。加入一些氧化剂可加速塑料模的分解,从而防止亮碳沉积,增加涂料的透气性。2.2.2良好的润湿性和附着性聚苯乙烯泡沫塑料为非极性材料,表面张力低,不易被水基涂料润湿、渗透。因此,涂料中须加入少量表面活性剂并选择适当的粘结剂。非离子表面活性剂效果较好。大部分无机粘结剂对塑料模粘附性差,需与有机粘结剂配合使用。2.2.3良好的涂挂性消失模涂料一般涂层比较厚,要求涂料有较高的屈服值和假塑性,严格控制涂料的流淌性。2.3流涂涂料的流变参数控制流涂涂料对涂料的性能要求较高,性能控制不当时会出现堆积、波纹、涂层过薄、厚度不均等缺陷。推荐的水基锆英粉流涂涂料的流变性能为:屈服值τ0=4~6Pa,触变率M=9%~12%,粘度=6~10s,流型为:带一定屈服值和触变性的假塑性流体。2.4镁质涂料的性能有待改进镁砂粉、镁橄榄石粉以及各种含镁复合耐火材料具有很好的抗粘砂性能,而且价格便宜,在高锰钢及碳钢铸件上应用非常广泛。但是镁质涂料往往悬浮性较差,易沉淀板结,涂刷性也比较差。其原因在于镁质耐火材料碱性较强,易水化,Mg2+离子对膨润土及一些高分子悬浮剂有很强的絮凝能力。解决上述问题的途径有以下几点:(1)加入某种表面活性剂对镁质耐火材料进行表面钝化处理,以降低镁质耐火材料的反应活性,抑制Mg2+离子的产生。(2)选择抗盐能力较强的悬浮剂。目前常用的钠基膨润土、锂基膨润土、CMC(阴离子型)等悬浮剂抗盐能力较差。而含镁硅酸盐粘土如凹凸棒土、海泡石、累托石及非离子型高分子有较高的抗盐能力。(3)加入络合剂与溶液中的Mg2+离子络合形成可溶性含镁络合物,从而消除或减轻Mg2+离子的有害絮凝作用。3砂型芯涂敷技术的研究1种涂料要想达到最佳的使用效果,除了涂料本身要具备优良的性能外,正确的涂敷方法和有效的涂敷设备也是十分重要的。传统的涂料涂敷方法有刷涂、喷涂和浸涂。近年来,国内外在涂料涂敷方法及设备方面也取得了很多新进展。一方面,传统的喷涂方法及设备有了很大改进,如出现了低压热空气喷涂及高压无气喷涂。另一方面,一些新的涂敷方法如流涂、静电粉末喷涂、非占位涂料(转移涂料)法及粉末环绕喷涂法等也相继出现,为铸造车间提供了更多的选择余地。未来涂料涂敷方法的发展趋势有以下几点:3.1更好地保证铸件尺寸精度和表面品质铸件的尺寸精度和表面品质取决于砂型芯的尺寸精度和表面品质,而涂料的涂敷品质对砂型芯的尺寸精度和表面品质有很大影响,传统的涂敷方法如刷、喷、浸以及目前较为先进的流涂工艺都是先制芯(或造型)再涂涂料。这种涂敷方法的固有缺点是涂层占据型腔有效空间位置,涂层表面的刷痕、流淌、堆积等缺陷均会复制在铸件的表面,影响铸件尺寸精度和表面光洁度。因此,要想进一步提高铸件的尺寸精度和表面品质,必须从根本上改变涂料的涂敷模式。非占位涂料是解决上述问题的1条有效途径。国内对非占位涂料技术已作了很多研究工作。归纳起来,目前非占位涂料技术主要有微波法、自硬法和热模法3种基本形式。尽管目前非占位涂料还不够完善,应用面也还比较窄,但是,其先进的涂敷模式以及由此带来的高精度、高光洁度和使用效果代表了铸造技术的发展方向。3.2高效率、高品质的涂敷方法提高涂敷效率和涂敷品质是涂料技术的发展趋势。流涂是近年来发展起来的1种新型高品质、高效率的涂敷技术。其工作原理是:用泵将贮罐中的涂料压入循环系统,通过软管或扇形喷咀将涂料浇到砂型芯的表面上,多余的涂料从砂型芯流下后返回涂料贮罐中。流涂涂层平整光滑、无刷痕、操作环境好,施涂效率高。目前国内已有流涂机产品。3.3新型涂敷工艺和设备近年来出现了一些新的涂敷方法和设备,如静电粉末喷涂及粉末环绕喷涂法等。国外已将静电粉末喷涂法用于湿型砂生产线。粉末环绕喷涂法是1996年德国LAMP公司开发的1种涂敷方法,用来防止有机粘结剂分解产物进入型腔引起的气孔及粘砂缺陷。该法是将耐火粉与一定比例的干砂混合并装入喷涂室中,通过装在底部的振动器及压缩空气使混合物运动起来,对放在混合物上砂芯进行环绕喷射,通过撞击和摩擦作用使耐火粉嵌入砂芯表面的孔隙之中,砂粒的动能较高,可强化撞击和摩擦作用,使耐火粉嵌得更深更牢。4iso9000质量控制建立健全涂料的品质保证体系不论对涂料生产厂还是涂料的用户都是非常必要的,也是涂料发展的必然趋势。国内企业对产品品质的控制越来越重视,一些单位已经通过了ISO9000认证,还有一些企业正在进行ISO9000认证工作。涂料的生产厂家及涂料用户也顺应这一趋势,参照ISO9000建立自己的品质保证体系,提高管理水平。涂料品质控制包括2大部分,1是涂料生产品质控制,2是涂料使用中的品质控制。现分述如下:4.1涂料生产品质控制涂料生产品质控制包括原材料品质控制、生