鎂合金金屬型鑄造涂料的研究

柳慶奇，孫 季，王承志，劉鳳國(guó)

（1丹東恒陽(yáng)內(nèi)燃機(jī)配件有限公司，遼寧丹東 11830；2.沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110159；3.煙臺(tái)南山學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265713）

鎂合金是最輕的結(jié)構(gòu)合金，而且其性能優(yōu)良，因此在生產(chǎn)實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。鎂合金可代替鋼鐵和鋁材料，減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，在航天、航空、電子、通訊以及交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[1-2]。金屬型鑄造是鎂合金的重要成型方法之一[3]。在金屬型鎂合金鑄造中涂料起著重要作用，可以延長(zhǎng)金屬型的使用壽命、改善鑄件表面性能及充型條件，擴(kuò)大其使用范圍[4-6]。

2 試驗(yàn)方法

涂料的主要組成

1）耐火骨料：金屬型涂料的主要組成部分是耐火骨料，其熱膨脹系數(shù)與發(fā)氣量將影響鑄件的質(zhì)量；耐火骨料的顆粒形狀與粒度尺寸對(duì)涂料的表面強(qiáng)度起著重要作用[7]。本試驗(yàn)選用硅藻土與鎂砂粉作為耐火材料。硅藻土微觀形貌（如圖1）呈形狀不規(guī)則的片狀，顯然是蜂窩或管狀型硅藻土經(jīng)加工破碎后的形貌。

2）懸浮劑：懸浮劑的主要作用是保證耐火骨料均勻地分散在懸浮劑中，保證涂料的各部位均具有相同的耐火度、強(qiáng)度等特性[8-9]。在研制水基涂料時(shí)，常采用膨潤(rùn)土與羧甲基纖維素鈉（CMC）搭配使用，本實(shí)驗(yàn)選用鈉基膨潤(rùn)土與CMC作為復(fù)合懸浮劑進(jìn)行配合使用。

3）黏結(jié)劑：黏結(jié)劑是將涂料的組成部分粘接成具有一定強(qiáng)度的組合體，并保證涂料附著在金屬型上。金屬型澆注時(shí)金屬液對(duì)模具沖擊作用很大，要求涂層有足夠的強(qiáng)度，本涂料選用兩種無(wú)機(jī)黏結(jié)劑配合使用，分別為水玻璃、六偏磷酸鈉（磷鹽）。

4）載液：載液是涂料的主要組成部分，耐火骨料、懸浮劑和黏結(jié)劑均需均勻分散在其中。有多種載液可供選擇，由于水載液容易使耐火粉料懸浮，可使涂料較易獲得良好的觸變性，而且安全可靠、無(wú)毒無(wú)味、價(jià)格最便宜，因而最為常用。因此本實(shí)驗(yàn)選用水作為載液。

圖1 硅藻土形貌

5）阻燃劑：鎂合金金屬型鑄造涂料應(yīng)加入阻燃劑，因阻燃劑會(huì)在鎂合金液體表面形成一層保護(hù)膜，阻止氧化反應(yīng)和燃燒。

3 性能測(cè)試

金屬型鎂合金鑄造涂料主要組成與其它鑄造方法涂料基本相同，但對(duì)性能要求較高。除了要具備基本的鑄造涂料性能要求外，對(duì)金屬型鑄造涂料的懸浮性、觸變性、強(qiáng)度、pH、密度、黏度、流平性、抗滴淌性、阻燃性也有一定的性能要求。

涂料的性能檢測(cè)，主要包括涂層強(qiáng)度、密度和懸浮性。涂層強(qiáng)度的檢測(cè)方法為：在玻璃板上打三個(gè)點(diǎn)取平均值作為最后的強(qiáng)度值。密度測(cè)量選用量筒法：將攪拌均勻的涂料倒入60 ml的量筒中，分別稱量出裝有涂料前后量筒的總質(zhì)量；懸浮性測(cè)定選用靜置法：將120 ml涂料攪拌均勻，之后倒入150 ml的量筒中，靜置20 h后，觀察量筒內(nèi)分層情況[10]，懸濁液在量筒中的百分比即為該涂料的懸浮性。

4 原材料的預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)原材料不能直接混在一起，需要對(duì)骨料及各助劑進(jìn)行預(yù)處理。耐火骨料須烘干處理，膨潤(rùn)土與CMC需配制成膨潤(rùn)土漿與水溶液，將兩種黏結(jié)劑混合配置成為復(fù)合黏結(jié)劑再使用。

耐火骨料使用前，在烘箱中進(jìn)行50℃、5 h的烘干處理；膨潤(rùn)土漿采用鈉基膨潤(rùn)土與水按1∶9比例配制；CMC與水按1∶49比例充分?jǐn)嚢瑁s1.5 h）配制成水溶液，放置12 h；復(fù)合黏結(jié)劑制做時(shí)，在六偏磷酸鈉（磷鹽）中加入適量的水，制成水溶性黏結(jié)劑溶液后將水玻璃倒入溶液中，用電磁攪拌器攪拌均勻后方可使用。

5 涂料各組分含量及涂料配制方法

確定涂料各個(gè)組分的含量：骨料中鎂砂粉與硅藻土的比例為9∶1，膨潤(rùn)土在涂料中占骨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，CMC在涂料中占骨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，水玻璃在涂料中占骨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，磷鹽在涂料中占骨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，加水量為在涂料中骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的110%.

涂料的配制方法為：先將膨潤(rùn)土與CMC攪勻，再將骨料加入懸浮劑中，磷鹽用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為骨料110%的水來(lái)融化制成溶液，再將水玻璃加入溶液之中配成復(fù)合黏結(jié)劑，將骨料與懸浮劑攪勻之后，最后加入黏結(jié)劑溶液，用攪拌器攪拌1.5 h混合均勻即可使用。

6 正交試驗(yàn)

懸浮性、涂層強(qiáng)度、黏度、密度是鑄造涂料的基本性能，主要影響因素有懸浮劑與黏結(jié)劑，其配比尤為重要。根據(jù)耐火骨料的配方，進(jìn)行正交試驗(yàn)時(shí)，需要確定鈉基膨潤(rùn)土、CMC、水玻璃、磷鹽等組分的含量后便可確定出最佳配方，因此正交試驗(yàn)采用4因素3水平方案進(jìn)行。選用正交表L9（34），共進(jìn)行9次試驗(yàn)，對(duì)各組涂料的強(qiáng)度、懸浮性、黏度、密度、pH等性能進(jìn)行測(cè)試。表1為正交因素水平表。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

正交結(jié)果：根據(jù)因素水平表L9（34），進(jìn)行了9次試驗(yàn)，表2為正交試驗(yàn)方案及測(cè)試結(jié)果。其中正交序號(hào)中的A、B、C、D代表原材料種類，字母左下角的數(shù)字1、2、3各代表每類原材料的水平。

正交結(jié)果分析：因素A、B、C、D分別有三個(gè)水平，每一因素在同一列中試驗(yàn)了3次，用各因素的同一水平試驗(yàn)結(jié)果的平均值，得出了K1、K2、K3.每列中的K1、K2、K3的最大值減去最小值就是極差并記作R.極差R代表每一因素對(duì)涂料性能的影響因素，根據(jù)金屬型涂料的性能要求確定各原材料的加入量。做出性能正交試驗(yàn)分析表與極差分析表，正交試驗(yàn)分析表和極差分析表分別示于表3和表4.

差值越大，代表該因素對(duì)性能的影響越大。由表4可知，對(duì)強(qiáng)度的因素影響順序?yàn)椋篊MC＞膨潤(rùn)土＞磷鹽＞水玻璃、對(duì)涂料黏度的因素影響順序?yàn)椋号驖?rùn)土＞CMC＞水玻璃＞磷鹽。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 正交實(shí)驗(yàn)分析表

表4 極差分析表

選定最佳結(jié)果：通過(guò)正交試驗(yàn)與極差分析，在不考慮因素之間的交互作用下，各因素的水平確定與試驗(yàn)指標(biāo)有關(guān)，指標(biāo)符合要求較好，本實(shí)驗(yàn)選擇各項(xiàng)性能指標(biāo)最大的水平。強(qiáng)度值最大水平為：A1B3C3D3；懸浮性值最大的水平為：A3B2C1D3；黏度值的最大水平為A2B2C3D1.但考慮到各自的綜合水平，A3B2C1D3的懸浮率雖然最高但其強(qiáng)度只有120.12，而黏度最大的A2B2C3D1其強(qiáng)度只有96.48，而涂料要求放置24 h后其懸浮率要在95%以上，綜合三個(gè)最好的配方確定A1B3C3D3為最佳配方可用于實(shí)際生產(chǎn)。

表5 鎂合金金屬型涂料最佳配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

采用此配方得到的涂料性能特性如表6.

表6 最佳涂料配方性能

7 試驗(yàn)驗(yàn)證

1）性能：用實(shí)驗(yàn)制作出的涂料進(jìn)行性能測(cè)試，膨潤(rùn)土與羧甲基纖維素鈉（CMC）配合可以保證涂料懸浮性能穩(wěn)定，流動(dòng)性能良好，水玻璃與六偏磷酸鈉（磷鹽）混合而成的復(fù)合黏結(jié)劑可以保證涂料涂掛性能強(qiáng)、抗摩擦強(qiáng)度高、透氣性良好。

2）生產(chǎn)驗(yàn)證：采用合金牌號(hào)為ZMgRE2ZnZr的鎂合金進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為700℃.在壓力為10 MPa的氬氣保護(hù)下，進(jìn)行鎂錠溶化，然后加入金屬Ca，起到阻燃作用。澆注前10 min放入C2Cl6精煉鎂合金。靜止后進(jìn)行澆注實(shí)驗(yàn)，得到了合格的鎂合金拉伸試樣鑄件見(jiàn)圖2.鑄件表面質(zhì)量光滑良好。

圖2 鎂合金拉伸試樣鑄件

8 結(jié) 論

研究得到了一種主要成分以鎂砂和硅藻土（比例6∶4）為骨料并加入少量的膨潤(rùn)土、CMC、水玻璃、磷鹽和水的鎂合金金屬型涂料最佳配方，通過(guò)對(duì)涂料性能測(cè)試和鎂合金金屬型鑄造生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明該涂料適用于鎂合金金屬型鑄造。

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