新型鑄鋼醇基涂料的研究

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    新型鑄鋼醇基涂料的研究

    武曉峰1，孫銘遠1，楊忠興1，張寶軍2，劉聰2

    （1.遼寧工業大學材料科學與工程學院，遼寧錦州121001；2.天津市鑄誠鑄造輔料有限公司，天津300163）

    摘要：以紅柱石為耐火骨料,并合理選擇燒結助劑等其它組分，研制了新型鑄鋼醇基涂料。試驗表明,新型鑄鋼醇基涂料涂層中的紅柱石粉在鑄鋼澆注溫度（1550℃）作用下，生成大量的高熔點莫來石相，使得該涂料層具有了良好的抗粘砂效果,澆注的鑄件表面光潔,不粘砂,易清理,勞動強度低，且懸浮性、涂刷性、流平性及抗流淌性等工藝性能優良，同時與鋯英粉涂料相比成本低廉,適用于各類型碳鋼及中小型合金鋼鑄件。

    關鍵詞：紅柱石；醇基涂料；鑄鋼

    中圖分類號：TG22文獻標識碼：A文章編號：1674-3261(2014)01-0056-04

    醇基涂料包括靠有機溶劑揮發使涂層固化的自干涂料和靠點燃有機溶劑使涂層固化的點燃涂料。由于這些涂料均不需烘干，節約能源,縮短生產周期,改善勞動條件，故在生產鑄鋼、鑄鐵及有色合金等鑄件的水玻璃和樹脂自硬砂中得到廣泛應用，已成為獲得優質鑄件的必要的工序。目前在鑄鋼件的生產中,砂型所用醇基涂料的耐火材料主要有鋯英粉、剛玉粉、高鋁礬土粉和石英粉等。其中以鋯英粉涂料的性能為最好,生產的鑄件不粘砂，表面光潔。但是鋯英粉來源短缺,價格昂貴。而其他耐火材料雖然價格低,但只能應用于不太厚的小型鑄鋼件,厚壁大型鑄鋼件還不得不采用鋯英粉涂料[1]。

    紅柱石是一種無水鋁硅酸鹽礦物，具有高溫體積穩定性、耐熔性和易轉變為莫來石的性能，且原料本身不需要煅燒，因此，紅柱石材料在對抗熱震性與高溫強度要求高的領域有很好的應用效果[2-4]。目前,紅柱石的研究和利用主要是集中在冶金工業用耐火材料、冶金輔料和寶石等方面,未見有在鑄造涂料方面的報道。本文以紅柱石粉作為耐火骨料,配制成具有一定粉料配比的鑄鋼用醇基涂料,對涂料的組成和性能進行了系統的測試及分析，并在生產中進行了驗證。

    1·醇基涂料組分

    1.1耐火骨料與助劑

    涂料中的耐火骨料是涂料的主體部分，其耐火度、導熱性及熱化學穩定性等物理、化學性質是決定涂料使用效果的主要因素,涂料靠它來防止金屬液對鑄型的滲透、侵蝕以及起化學反應。因此，耐火骨料對防止鑄件粘砂起著決定性作用。

    紅柱石粉料是將天然紅柱石礦石破粹、篩分而成。呈灰白色，具有金屬光澤和折光現象。紅柱石粉料的主要化學成分與物理性能如表1所示[3]。

    表中數據表明，紅柱石粉耐火度高，達1780℃。其主要礦物成分為Al2O3和Si2O，所含雜質為Fe2O3、MgO和CaO等，含量都很低，均小于1%。紅柱石在常壓下加熱至1200℃以后，開始轉化成與原品體平行的針狀、柱狀莫來石，其反應方程為：

    3(Al2O3·SiO2)→3Al2O3·2SiO2+SiO2

    這是一種不可逆的晶型轉化。莫來石晶體是鋁硅酸鹽在高溫作用下唯一穩定的形式，具有比紅柱石更高的耐火性能，耐火度可達1800℃以上，且耐驟冷驟熱，機械強度大，抗熱沖擊力強，軟化點高并具有極高的化學穩定性。研究表明[4]，紅柱石類礦物轉變為莫來石，實際是由顆粒表面開始逐步深入內部，莫來石結晶成針狀、柱狀，長約20μm，莫來石結晶方向平行于原紅柱石晶面，體積膨脹為1%～5%，線膨脹率為1%～1.5%，由于在轉變期間產生的線性膨脹小，因此在發生莫來石轉化時，采用紅柱石粉作為耐火骨料制作的涂料涂層不會產生大的體積膨脹而形成裂紋。這樣形成的莫來石或部分莫來石涂層耐火度高、致密且無裂紋，有利于獲得優質的鑄件表面。

    在涂料加入燒結助劑。其目的是促進高熔點紅柱石耐火骨料的燒結，形成易剝離涂層，從而有利于獲得光潔的鑄件表面。

    1.2載體

    目前應用在醇基涂料中的載體有甲醇、乙醇及異丙醇等。異丙醇滲入砂型的量少，涂刷方便，配制的涂料質量好，且毒性小，但揮發慢、價格較高；甲醉價格低，易揮發，但單獨使用時有較強的毒性，刺激眼神經；乙醇無毒、無臭、易揮發、可燃燒，是最經濟、最安全的載液。但工業酒精純度在95％左右，含水約5%，影響涂料的點燃性，涂料點火燃燒困難，不易充分燃燒。選用工業酒精作為涂料主要載體，再加入少量甲醇及助燃劑，消除水分對涂料點燃性的影響，同時助燃劑可使涂料粘度提高，減少溶劑滲入砂型的深度，有利于防止鑄件表面氣孔的產生。

    1.3粘結劑

    粘結劑分為常溫和高溫粘結劑兩大類。常溫粘結劑的作用是將耐火填料顆粒粘結在一起使涂層具有一定的強度，并使耐火填料顆粒粘附在鑄型芯表面防止涂層從型腔表面脫落；高溫粘結劑的作用是保證涂層能夠抵御高溫金屬液體的沖刷而不脫落、開裂。選用酚醛樹脂和松香作常溫粘結劑。酚醛樹脂溶于醇類溶劑，不溶于水，常溫粘結力強，可使涂層獲得高的常溫表面強度，但發氣量較大，加入量大涂層點燃時易開裂，且易造成鑄件產生氣孔缺陷；松香價格低，而且在涂層點燃后不易開裂，澆出的鑄件表面光滑，但是其熱穩定性差，粘結強度低。采用酚醛樹脂與少量松香配合使用，不僅可以減少粘結劑的加入量，提高涂料的粘結強度，而且可以提高載體粘度，減少乙醇向鑄型內部滲透，防止涂層開裂，避免氣孔缺陷的產生。通過試驗，酚醛樹脂和松香的配比定為3∶1~5∶1。選用磷酸鹽作高溫粘結劑。在加熱條件下，磷酸鹽會產生少量粘稠液體，聚合成網狀結構，包裹耐火骨料顆粒，促使涂層燒結，增強涂層抵抗金屬液沖刷和開裂的能力。另外，磷酸鹽還能使涂料層促凝自硬，提高涂料的抗流淌性能。

    1.4懸浮劑

    紅柱石粉的密度雖然比鋯英粉的低，但仍比石墨、石英等粉料的高，因此必須加入懸浮性能較好的懸浮劑，以防止紅柱石骨料在涂料中分層沉淀，影響涂層質量。選用鋰基膨潤土和硅酸鎂鋁作為復合懸浮劑。鋰基膨潤土是以天然鈣基膨潤土為原料，經過人工鋰化改性制備出的一種礦物材料。它在水的引發下能夠與醇類溶劑形成膠體狀物質，獲得好的膨脹稠化能力，但用鋰基膨潤土配制的涂料在放置一定時間或中長途運輸脫水后，涂料變為硬層，形成板結，影響使用。硅酸鎂鋁是一種經人工提純的新型礦物材料，加入涂料中具有一定的懸浮能力，且能防止涂料板結現象的產生。

    1.5增稠劑

    與水基涂料相比，醇基涂料懸浮性、涂掛性及觸變性等性能仍顯不足。聚乙烯醇縮丁醛(PVB)具有較好的增稠效果，對溶劑的抗載體流失性具有較好的作用，有效地防止了溶劑的滲透力,提高涂料的涂掛能力，使涂料具有較好的工藝性能。PVB加入量控制在0.5%以下。加入量過多,PVB易形成連續膜，阻礙點燃時氣體的排出，導致涂層表面起泡，影響型芯的表面質量和抗粘砂性能。

    2·涂料的配比及制備工藝

    2.1涂料的配比

    通過正交試驗獲得紅柱石粉涂料的配比，見表2。

    2.2涂料的制備工藝

    涂料的制備工藝對于獲得優良的涂料工藝性能以至優質的鑄件表面至關重要。試驗表明，懸浮劑是影響涂料各項工藝性能的最主要因素。懸浮劑能否在涂料中得到良好的分散在很大程度上決定了涂料工藝性能的優劣。同時，懸浮劑也是涂料各組分中最難分散的組分。采用立式膠體磨預處理懸浮劑膏料。由于膠體磨轉齒與定齒之間的間隙可以調整至60μm以下，轉速高達3000r/min,膏料受到很強的抽吸、剪切、摩擦和高頻震動作用，能得到有效的攪拌、均質、分散和細化，再將這種均勻、稀化后的膏加入到攪拌機中與耐火骨料等涂料其它組分一起攪拌，涂料很容易分散、均質。在膠磨之前首先將復合懸浮劑鋰基膨潤土和硅酸鎂鋁粉料用水引發，使晶層先脹開，再加人乙醇，倒入膠體磨中膠磨3~6次。

    涂料的制備工藝如下：

    懸浮劑的預處理：復合懸浮劑+少量水+部分乙醇→膠體磨循環研磨3~6次→制得懸浮劑膏。涂料各組分的分散：懸浮劑膏+乙醇→高速攪拌機攪拌10min→加入酚醛樹脂+松香+磷酸鹽+PVB→攪拌10min→加入紅柱石+助劑+甲醇+助燃劑→攪拌50min→加入少量乙醇→攪拌10min，調整密度→出料。

    3·涂料的性能

    所制備的紅柱石醇基涂料的各項工藝性能如表3。工藝性能試驗按JB/T5107-91《砂型鑄造用涂料試驗方法》進行。

    從表3可以看出，所研制的紅柱石醇基涂料的各項工藝性能均已達到并超過國內外同類產品的水平。短期懸浮性（2h）達99%，完全能夠滿足生產現場涂料刷涂、流涂及噴涂等各種涂刷工藝的要求。80%以上的長期懸浮性（30d）保證了涂料長期存放后不產生板結現象，輕微攪拌既可使用，并且經長途運輸后不沉淀、分層，便于涂料的大面積推廣。涂料的剪切稀釋比M值反映了涂料的表觀粘度隨剪切速率提高的下降趨勢，M值越大，表觀粘度下降越大，涂料越易涂掛，即其涂掛性越好。M值的范圍通常在2~10之間。本涂料的M值為8，接近于10，表明涂料具有優良的涂掛性。涂料只有具有優良的觸變性才能同時具有優良的涂掛性、流平性及抗流淌性等工藝性能，即在刷子的攪動下，涂料很快變稀，粘度下降，涂掛性好；當攪動停止，粘度上升，抗流淌性好；且粘度逐漸上升，又保證了好的流平性。本涂料的觸變率N=54%，遠大于涂料觸變性應大于20的要求[1]，表明涂料具有優良的涂掛性、流平性和抗流淌性。另外，該涂料的發氣量低，最大發氣量為12ml/g，比傳統的醇基涂料發氣量小很多(一般醇基涂料發氣量小于20ml/g)。

    4·生產應用

    把紅柱石醇基涂料分別在天津幾個廠家的各類大中小鑄鋼件和合金鋼件的水玻璃、酚醛樹脂等石英砂型上使用。材質為ZG230-450、270-500等。生產的鑄件有支撐座、梯板、蓖條、襯板、磨門襯板和轍叉等幾十種，最大單件重量為4500kg，最大壁厚200mm。涂料采用刷涂方法，中小件刷一遍，大件刷2~3遍。用這種涂料生產的各類鑄鋼、合金鋼件表面光潔、平整，輪廓尺寸清晰。落砂時，輕輕敲打鑄件，燒結層能夠呈片狀脫落，涂層被燒結成淺黑色，界面光滑，易于清理，如圖1所示。

涂料

    對涂料成本進行了分析。結果表明，研制的紅柱石醇基涂料成本比單一鋯英粉醇基涂料降低50%。

    5·紅柱石涂料的抗粘砂機理

    上述試驗及生產應用表明，紅柱石醇基涂料生產鑄鋼件具有優異的抗粘砂性能，這可以用耐火-燒結防粘砂理論加以解釋。耐火-燒結防粘砂理論[5]指出，好的防粘砂涂料耐火骨料顆粒既要高的耐火度，顆粒間又要有一定的燒結，以形成耐火的燒結層，這樣的燒結層易從鑄件剝離、脫落，獲得的鑄件表面光潔、平整，無需費力清理。前已提及，紅柱石粉本身具有很高的耐火度，在加熱到1200℃以上后，還會形成耐火度達1800℃的莫來石相，這滿足了涂料高耐火度的要求。為了考察在實際鑄鋼澆注溫度下紅柱石涂料是否形成莫來石，對涂刷該種涂料澆注鑄鋼及灰鑄鐵件后形成的靠近鑄件一側的涂料層表面進行了X衍射分析，結果如圖2所示。

    可看出，未澆注的涂層由紅柱石組成；在澆注1370℃灰鐵液后，涂料層中紅柱石已轉變為部分莫來石相；在澆注鑄鋼更高的溫度（1550℃）下，生成了大量的莫來石相，同時還生成少量石英相。這種石英相從紅柱石顆粒表面析出,為粘稠狀玻璃態物質，充填在涂層莫來石或紅柱石相顆粒之間,使這些顆粒受到不同程度的熔融和燒結,封閉了金屬液滲透的通道,形成阻滲致密層,從而有效地防止了鋼液對涂層的滲透,同時也阻止了型芯氣體向鑄件的侵入。紅柱石醇基涂料更詳細的抗粘砂機理需要今后進一步加以研究。

    6·結論

    （1）通過對涂料各組分的選擇與優化使研制的紅柱石醇基涂料獲得了優良的懸浮性、涂掛性、流平性及抗流淌性等工藝性能。

    （2）紅柱石涂料適用于砂型鑄造生產鑄鋼、合金鋼等各類型鑄件，涂層耐火度高，并能適度燒結成致密的隔離層，落砂后易剝離、脫落，好清砂，可獲得表面光潔的鑄件。

    （3）紅柱石醇基涂料成本低，與醇基鋯英粉涂料相比成本可降低50%。

    參考文獻：

    [1]肖柯則.鑄型涂料[M].北京:機械工業出版社,1985.

    [2]張惠敏,汪立今,賈殿贈.紅柱石材料領域的應用及其研究新進展[J].新疆大學學報:自然科學版,2006,23(1):53-57.

    [3]李柳生,平增福.紅柱石的莫來石化[J].硅酸鹽通報,2006,23(1):34-36.

    [4]林彬蔭.藍晶石紅柱石硅線石[M].北京:冶金工業出版社,1998.

    [5]嚴名山,朱純熙,鄒忠桂.關于鑄造涂料易剝離粘砂層理論的探討[J].鑄造，1987,12(9):22-25.

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