膨润土对醇基铸造涂料工艺性能的影响

徐 磊, 张 权, 李 莹, 张湘渝, 王皖红, 龚 关

(湖北省地质实验测试中心,湖北 武汉 430034)

在铸造生产过程中,铸型和金属液在高温下的相互作用会导致铸件表面产生粘砂、砂眼、气孔等缺陷,采用铸造涂料是避免产生此类缺陷,改善铸件表面质量的重要措施。铸造涂料的组成包括耐火粉料、载液、悬浮剂、粘结剂和助剂等,根据载液的不同可分为水基铸造涂料和有机溶剂铸造涂料两大类,其中有机溶剂铸造涂料使用最多的是醇基铸造涂料,因具有点火快干、生产效率高的特点在铸造企业得到了更广泛的应用[1]。

涂覆于砂型、砂芯表面的铸造涂料涂层在经受金属液的机械和热冲击之前基本属于一种胶态状的物理分散体系,这种分散体系应具有优良的的悬浮性、涂覆性、流平性、渗透性和抗流淌性才能满足实际生产要求,除了选择合适的耐火粉料外,悬浮剂的选择是关键的因素之一。悬浮剂种类很多,膨润土由于具有良好的性能和相对低廉的成本,目前仍是醇基铸造涂料使用最广泛的悬浮剂。

1 实验

1.1 实验原料

膨润土、铝矾土、白刚玉、锆英粉,均为工业级原料。

1.2 实验仪器

SHN-5轮碾机,邯郸市自动化仪表厂;涂-6杯粘度计,上海上天精密仪器有限公司;SF-SFL-2发气性测定仪,北京同德创业仪器公司;SUM涂料耐磨试验仪,济南瑞普仪器有限公司;SX4-12-12实验电炉,武汉亚华电炉有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 膨润土物化性能测试

膨润土的物化性能测试按照《非金属矿石物化性能和成分分析方法手册》所述的方法操作[2]。

1.3.2 醇基铸造涂料的配制

醇基铸造涂料的配制包括以下几道工序:原材料的称重、混炼、搅拌、分散。

1.3.3 醇基铸造涂料性能检测

醇基铸造涂料性能检测按照JBT 9226—2008《砂型铸造用涂料》规定的试验方法操作[3]。

2 结果与讨论

2.1 膨润土基本物化性能

膨润土基本物化性能见表1、表2。

表1 膨润土化学成分(%)Table 1 Chemical constituents of bentonite

2.2 膨润土对醇基铸造涂料悬浮性的影响

醇基铸造涂料的填料通常采用锆英粉、铝矾土、白刚玉等耐火材料,这些材料由于密度较大,在涂料静止存放过程中容易下沉,需要在涂料体系中加入悬浮剂才能使耐火填料在载液中保持均匀时的分散状态。试验中采用膨润土作为悬浮剂,涂料配方中其它组分保持不变,只改变膨润土的加入量。涂料性能检测过程中保持条件粘度不变,测定放置2 h涂料悬浮率。膨润土的加入量与醇基铸造涂料悬浮性的关系见表3。

表2 膨润土物理性能Table 2 Physical properties of bentonite

表3 膨润土的加入量与醇基铸造涂料悬浮性的关系Table 3 The relationship between the added amount of bentonite and the suspensibility of alcohol-based foundry coating

从表3的结果可以看出,在保持涂料条件粘度不变的情况下,随着膨润土加入量的增加,涂料悬浮性得到提高。

2.3 膨润土对醇基铸造涂料发气量的影响

醇基铸造涂料组分里含有的挥发物和可分解物质在高温下均会析出,通过测定涂料的发气量可测算出其挥发物和可分解物质的含量,高的发气量会导致浇注的铸件产生气孔、结疤和桔皮等缺陷。

发气量是指单位质量的涂料在高温下产生的气体体积,以mL/g表示。实验采用SFL型记录式发气量测定仪检测涂料的发气量,膨润土加入量与涂料发气量的关系见表4。

表4 膨润土的加入量与醇基铸造涂料发气量的关系Table 4 The relationship between the added amount of bentonite and gas evolution of alcohol-based foundry coating

从表4的结果可以看出,随着膨润土加入量的增加,涂料发气量逐渐增大。

2.4 膨润土对醇基铸造涂料耐磨性的影响

表5 膨润土的加入量与醇基铸造涂料耐磨性的关系Table 5 The relationship between the added amount of bentonite andwear resistance of alcohol-based foundry coating

从表5的结果看,铸造涂料涂层耐磨性与膨润土的加入量关联性不强。

2.5 膨润土对醇基铸造涂料高温抗裂性的影响

涂料的高温抗裂性是指涂料层抵抗高温急热产生裂纹和剥离的能力。实验采用硅钼棒高温电炉,将涂料涂上并经烘干的砂模试样置入加热到1 200 ℃的高温炉中急热保温2～3 min,然后打开炉门,快速观察高温下是否产生裂纹或裂纹的大小、数量等。高温抗裂性采用四级评价,四级特征如下:Ⅰ级,表面光滑无裂纹或只有极细的裂纹,涂料与基体之间无剥离现象;Ⅱ级,表面有树枝状或网状裂纹,裂纹宽度<0.5 mm,涂料与基体之间无剥离现象;Ⅲ级,表面有树枝状或网状裂纹,裂纹宽度<1 mm,裂纹较深,沿横向(即水平圆周方向),或纵向无贯通粗裂纹,涂料与基体之间无明显剥离;Ⅳ级,表面有树枝状或网状裂纹,宽度>1 mm,横向或纵向有贯通裂纹,涂料与基体间有剥离现象。膨润土的加入量对醇基铸造涂料高温抗裂性的影响见表6。

表6 膨润土的加入量与醇基铸造涂料高温抗裂性的关系Table 6 The relationship between the added amount of bentonite and high temperature crackability of alcohol-based foundry coating

从表6的实验结果可以看出,随着膨润土用量的增加,醇基铸造涂料的高温曝热裂纹等级逐渐升高。这是由于膨润土主要矿物成分为蒙脱石,蒙脱石在高温情况下失去层间水产生收缩,当膨润土加入量越大,高温收缩也就越大。当涂层因收缩产生的应力超出一定范围就会扩展为裂纹。因此,膨润土加入量过多,将降低醇基铸造涂料高温抗裂性能。

2.6 醇基铸造涂料标准要求

《砂型铸造用涂料》(JBT 9226—2008)对醇基铸造涂料的性能要求见表7。

表7 有机溶剂浆状涂料性能指标Table 7 Performance index of organic solvent slurry coatings

从表7可以看出,标准对有机溶剂浆状涂料的主要性能指标要求是放置2 h涂料悬浮率≥95%,发气量<20 mL/g,涂层耐磨性<0.5 g(64r),高温曝热裂纹等级要求Ⅰ级-Ⅱ级。根据试验结果,膨润土加入量为4%～6%可以满足标准要求。

3 结语

(1) 膨润土对醇基铸造涂料的性能影响明显,随着膨润土用量的增加,能显著改善铸造涂料的悬浮性,同时会增加涂料的发气量,当膨润土加入量过多,将降低铸造涂料的高温抗裂性能。

(2) 根据试验结果,膨润土合适的加入量为4%～6%,制出的涂料可以满足《砂型铸造用涂料》(JBT 9226—2008)对醇基铸造涂料的性能指标要求。