冷芯盒砂芯用粉狀水基浸涂涂料研制

■陳莉，包晟

冷芯盒砂芯用粉狀水基浸涂涂料研制

■陳莉，包晟

一、概述

發(fā)動機(jī)上的主要鑄件缸體、缸蓋在鑄造過程中一般采用冷芯盒組芯，制芯工藝復(fù)雜，精度要求高；冷芯盒水基涂料是發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋等關(guān)鍵零件砂芯用的主體涂料，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到鑄件質(zhì)量好壞。目前，國內(nèi)發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋生產(chǎn)采用的水基浸涂涂料都是進(jìn)口或合資廠家生產(chǎn)的，涂料中所用的關(guān)鍵輔助材料質(zhì)量好，涂料的各種性能指標(biāo)高，涂料涂刷后，表面光亮平整，無孔洞、裂紋、流痕等缺陷。國外涂料質(zhì)量好，但是價格昂貴，國產(chǎn)涂料也有比較好的，但涂料質(zhì)量卻不穩(wěn)定，整體質(zhì)量與國外涂料差距比較大。國產(chǎn)涂料有以下幾方面的不足。

（1）涂料的消泡效果差 國產(chǎn)涂料在使用時，都會有或多或少的氣泡，有的很大，有的很小，要完全消除泡沫不是很容易，因此消泡劑的選用直接影響到涂料的消泡效果。

（2）涂料的流平性不佳 砂芯浸涂后，涂層厚度不均，表面有明顯的流痕、堆積，因此選用何種流平劑及與之相匹配的耐火材料系統(tǒng)是非常重要的。

（3）涂料與砂芯的潤濕性差 砂芯浸涂后，涂料與砂芯潤濕性差，涂料不能快速有效滲入砂芯表面，在垂直面上，涂層的連續(xù)性被破壞，造成涂層破水缺陷，因此潤濕劑的選用對冷芯盒水基涂料也至關(guān)重要。

針對上述技術(shù)難點(diǎn)，自主研發(fā)一種鑄鐵冷芯盒砂芯用水基粉狀浸涂涂料就顯得十分必要。

二、試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)康模翰捎贸Ｒ?guī)、環(huán)保、易得到的材料進(jìn)行試驗(yàn)，性能比照國外涂料，能夠滿足生產(chǎn)要求，降低鑄件成本，提高鑄件質(zhì)量。

1. 試驗(yàn)涂料的組成及材料

（1）耐火材料系統(tǒng) 耐火材料是鑄造涂料的主要組成，是形成優(yōu)質(zhì)涂料的前提。耐火材料在高溫下是否燒結(jié)有著特別重要的意義。缸體用鑄造涂料的要求一般都很高，如流平性，組芯浸涂涂料后，不允許表面有明顯的流痕，也不允許上下涂層厚度不均勻，因此涂料要有良好的觸變性、流平性。從耐火度方面來看，鑄鐵件的澆注溫度不超過1450℃，對于這樣的溫度條件，一般耐火材料都能滿足要求，因此選擇耐火度適中、對流平性有益的耐火材料是非常重要的。

①硅砂粉。也叫石英粉，是涂料最廉價的耐火粉料之一。鑄型涂料用硅砂粉料以S i O2含量、耐火度、顆粒度作為驗(yàn)收的主要依據(jù)，驗(yàn)收技術(shù)條件如下：SiO2≥98%；燒損0.5%（1000℃保持lh）；耐火度≥l690℃ （當(dāng)SiO2≥98%時，可不作耐火度試驗(yàn)）；雜質(zhì)CaO+MgO+Na2O+K2O≤1%；顆粒度過200～270目篩。

硅砂粉涂料通常用于中小鑄鋼件，可沖淡石墨涂料的顏色，使涂料由黑色轉(zhuǎn)為灰色，同時還可減少石墨涂料的高傳導(dǎo)性和對輻射熱的強(qiáng)烈吸收。

②云母巖狀鋁硅酸鹽。云母巖狀鋁硅酸鹽是粘土礦物的一種，煅燒后具有特別潔白和高光亮的特性，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐火度＞l700℃，具有高溫下不收縮及在溫度劇變之下不碎裂的性能，能經(jīng)受鋼渣和金屬的沖擊，有較強(qiáng)的蠕變能力。

采用該巖粉作為水基浸涂涂料的耐火材料有以下3個原因：

第一，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐火度適中。在涂料體系中有不同的化學(xué)物質(zhì)，云母巖狀鋁硅酸鹽不會與成分中的其他材料發(fā)生化學(xué)作用。同時在1400～1500℃有一定的燒結(jié)作用，耐火度也高達(dá)1700℃，對于一般鑄鐵、球墨鑄鐵都適用。

第二，層片狀結(jié)構(gòu)，有好的覆蓋性。

第三，能夠與硅砂粉配合得到好的流平性和抗收縮性。

用于鑄造涂料的云母巖狀鋁硅酸鹽性能指標(biāo)如下：A l2O3≥20%、S i O2≤70%、F e2O3＜1%、M g O＜1%、CaO＜1%；燒失量5%～7%；耐火度l650～1690℃；粒度過200目篩。

③鱗片狀石墨。石墨粉是所有耐火粉料中應(yīng)用最廣泛的一種填料，實(shí)際使用時對石墨粉的固定碳含量要求不嚴(yán)格，但選用固定碳高、顆粒細(xì)的石墨，較易保證涂料質(zhì)量。

鱗片狀石墨、滑石和云母等，由于其形狀特點(diǎn)對鑄型表面具有較強(qiáng)的覆蓋力，即在形成致密涂層時，消耗的填料重量最少，在涂料中加入鱗片狀石墨粉主要利用其較強(qiáng)的覆蓋力和耐高溫性。

（2）粘結(jié)劑系統(tǒng) 粘結(jié)劑的作用是使涂料中的耐火填料顆粒彼此黏結(jié)，并與鑄型的型砂黏結(jié)起來，以抵抗進(jìn)入鑄型的液體金屬的沖刷。粘結(jié)劑的選擇非常重要，粘結(jié)劑應(yīng)是可溶的，同時與所采用的載體能完全互溶，涂料粘結(jié)劑在選用時往往選用常溫和高溫粘結(jié)劑配合使用，目前的常溫粘結(jié)劑以水溶性的酚醛樹脂、聚醋酸乙烯乳液、改性淀粉等材料為主。膨潤土、黏土、磷酸鹽、水玻璃用作含水系涂料的高溫粘結(jié)劑。

本涂料主要采用常溫粘結(jié)劑和高溫粘結(jié)劑配合使用。常溫粘結(jié)劑以變性淀粉、纖維素醚為主，高溫粘結(jié)劑以膨潤土為主。

（3）高性能流變助劑系統(tǒng) 涂料的流變性能是優(yōu)質(zhì)涂料最重要的性能之一，好的流變性可使涂料在浸涂過程中得到厚度均勻的涂層，同時也使操作簡單舒適。

本涂料采用坡縷石土為主要助劑，來改變涂料的流變性。通過試驗(yàn)證明，坡縷石土比膨潤土更有利于改善涂料的流變性，水基涂料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的坡縷石土可以使涂料的流變性大為提高。

（4）高性能表面光潔助劑系統(tǒng) 涂料浸涂后，表面要光亮平整，不能有孔洞、裂紋、流痕等缺陷。目前，很多水基涂料都會有或多或少的氣泡，有的很大，有的很小，要完全去除泡沫不是很容易。在篩選了很多消泡劑的基礎(chǔ)上，選用了一種國外生產(chǎn)的粉末狀消泡劑，消泡效果很好。在涂料中加入Fe2O3（鐵紅）是為了防止脈紋的產(chǎn)生，原理就是利用Fe2O3高溫下的燒結(jié)性，在高溫澆注時燒結(jié)的液相產(chǎn)物會填補(bǔ)由于硅砂的膨脹而引起的涂層裂紋，阻止金屬液流入裂紋而形成鑄件脈紋。

2. 試驗(yàn)涂料的制備

（1）涂料制備設(shè)備 試驗(yàn)室采用SHN—5碾輪式混砂機(jī)、小型高速分散攪拌機(jī)；生產(chǎn)試驗(yàn)時采用行星式輪碾機(jī)、高速分散攪拌機(jī)。

（2）制備方法 先將各種助劑按比例依次加入干混設(shè)備中混合制成核心助劑，混制時間15～20min，混好后裝入帶有內(nèi)襯塑料薄膜袋的包裝袋密封待用；再將耐火粉料、核心助劑順次加入SHN—5碾輪式混砂機(jī)干混，混合均勻后，加入適量水分濕混40～60min呈濕粉狀出碾；最后將濕粉與水按1：1.5的比例攪拌成所需波美度的漿料待測。

三、涂料配方設(shè)計

通過多種配方的試驗(yàn)研究，確定了最終的涂料配比。耐火材料以鋁硅酸巖粉和硅砂粉為主，加入少量的助熔劑Fe2O3，懸浮劑Li基膨潤土和核心組分SP粉。SP粉是一種自行研制的含有黏結(jié)、觸變、消泡、流變等性能的助劑組分，加入量少，效果好。涂料的主要成分見表1。

四、涂料的性能指標(biāo)

對于涂料的性能指標(biāo)分為粉狀涂料指標(biāo)和使用性能指標(biāo)，對于粉狀涂料本身沒有很多的性能指標(biāo)要求，配成水基涂料后要滿足鑄造涂料的性能要求。濕粉與水按1：1.5的比例攪拌成所需波美度（波美度控制在38～42）的漿料，然后測試各種性能。

表1　涂料組分配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　　 （%）

（1）粉狀涂料性能 外觀：黑紅色濕粉。

（2）漿狀涂料性能檢測 按照上述配方以及混制工藝配制的涂料性能指標(biāo)與其他涂料性能對比見表2。

從表2的性能來看，自行研制的涂料其綜合性能與其他涂料相當(dāng)，應(yīng)能滿足生產(chǎn)需要。

五、澆注試驗(yàn)

我們將配制好的漿料在我公司鑄造公司進(jìn)行了組合砂芯機(jī)械手浸涂小批量澆注試驗(yàn)，試驗(yàn)鑄件為“里卡多”四缸缸體，試驗(yàn)數(shù)量33件。砂芯浸涂后滲透性好，不滴淌，涂層厚度上下均勻，砂芯烘干后表面光滑平整，無堆積，無流痕，涂層強(qiáng)度較高。澆注后，33件鑄件內(nèi)腔表面光潔，落砂清理容易，無一因涂料原因報廢，完全合格。具體效果如圖1、圖2所示。

之后又在鑄造公司進(jìn)行了較大批量澆注試驗(yàn)，試驗(yàn)鑄件為YTR4020101四缸缸體，共300件。從澆注情況看，鑄件落砂容易，無粘砂，經(jīng)噴丸后，缸體內(nèi)腔表面光潔，無任何鑄造缺陷。經(jīng)技術(shù)部和質(zhì)檢部檢查，全部鑄件合格。鑄件內(nèi)腔情況如圖3、圖4、圖5所示。

六、結(jié)語

（1）經(jīng)合理選材，優(yōu)化配比及混制工藝，保證了涂料的流平性，使砂芯浸涂后表面無流痕、涂層厚度均勻，有效防止了鑄件脈紋缺陷的產(chǎn)生。

（2）涂料性狀為粉狀，便于包裝和儲存，也可配成液體涂料成品，便于使用。

（3）該涂料與目前鑄鍛公司現(xiàn)用涂料相比，在性能基本相同的情況下，涂料的成本低，粉水比例高，打破了以往同類涂料高固含量的規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了低固含量的情況下保證鑄件質(zhì)量。

（4）該涂料制造容易，原材料易得，使用操作范圍較寬，方便實(shí)際操作和使用。

表2　涂料性能對比

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

陳莉、包晟，第一拖拉機(jī)股份有限公司工藝材料研究所。