21世紀鑄造涂料的發展趨勢

21世紀的鑄造技術發展趨勢是近凈型和綠色集約型。鑄造材料的發展也應適應造船技術的總趨勢，充分發揮鑄造材料的作用，提高鑄造質量，節約資源，環境保護。80年代以來,國內涂料技術獲得了飛速發展,涂料的品種日益增多,性能不斷提高,基礎研究逐漸深入,涂料的功能亦更加豐富。近年來出現的流涂、非占位涂料(亦稱轉移涂料)及環繞粉末噴涂等工藝標志著涂料涂敷模式的深刻變化。而消失模(EPC)、真空造型(V法)等鑄造新工藝對涂料提出了一些新的要求。下面分別從幾個方面論述鑄造涂料的發展趨勢。1專用涂料的開發未來涂料的品種將更加多樣化,歸結起來有以下幾個發展趨勢:1.1發展水基涂料鑄型涂料有水基和醇基涂料2大系列。醇基涂料可點火干燥,使用方便,在市場上占有很大比例。其缺點是價格高、有著火及爆炸危險、運輸困難,而且使用性能尚有待改進。水基涂料價格低廉、安全可靠、性能穩定、運輸方便、清潔無污染,因此,水基涂料是未來涂料發展的方向。其缺點是水的蒸發速度較慢,需要輔助干燥措施如紅外、遠紅外、微波、熱風或進窯烘干,增加了設備投資和運行費用,因此,開發水基快干涂料是涂料研究的一個重要課題。水基涂料實現快干的途徑有以下幾個:(1)提高涂料的含固率,降低涂料中的水分含量;(2)減少涂料中的水分向砂型內滲透;(3)采用水溶性快干粘結劑。例如國外配制出以硅溶膠為粘結劑的水基快干涂料,該涂料干燥速度快、常溫及高溫強度高。國內的研究發現,一些有機粘結劑由于在涂料表面形成1層致密粘結膜而防止了水分的蒸發,粘結劑膜越致密,涂料干燥越慢。(4)借助放熱反應加速水分蒸發或固化。1.2發展特種工藝專用涂料近年來發展起來的消失模鑄造、V法造型、非占位涂料(轉移涂料)以及流涂等特種工藝對涂料提出了一些特殊要求。專用涂料是國內涂料的薄弱環節。許多單位正在積極開發各種專用涂料。1.2.1消失模涂料消失模鑄造(EPC)近年來發展迅速,國內已有一些廠家引進了消失模生產線,但是,目前國產消失模涂料不能滿足性能要求,不得不采用進口涂料。因此研制鑄鐵件、鑄鋼件及鋁合金消失模專用涂料是1項非常迫切的任務。1.2.2V法涂料V法造型(真空密封造型)中,涂料是噴涂在塑料薄膜表面,要求涂料有較高的附著力和自身強度,也需要專用的涂料。1.2.3非占位涂料(轉移涂料)非占位涂料(轉移涂料)是將涂料直接涂敷于芯盒壁上,填砂后與砂芯一起硬化,起模時涂料從芯盒表面轉移到砂芯表面。涂料不占據型腔的有效空間位置,因此可很好地保證鑄件的尺寸精度。非占位涂料的特殊涂敷工藝決定了其成分和性能的特殊性。例如熱模法非占位涂料要涂于熱的芯盒上,涂料與芯盒表面及砂芯的結合強度決定著涂料能否轉移,而自硬法非占位涂料則要求涂料能夠自硬且不影響界面砂芯的硬化。普通砂型涂料難以滿足上述要求,必須根據具體工藝研制開發專用非占位涂料。1.2.4流涂涂料流涂是一種較為先進的涂料涂敷工藝,具有涂層表面品質好、涂敷效率高等特點,但是,流涂對涂料的流變性能有較高的要求,刷涂及噴涂涂料通過簡單的粘度調整難以滿足其要求,必須采用專用流涂涂料。1.2.5濕型砂涂料濕型砂在造型制芯工藝中占有十分重要的地位。近年來,為了進一步提高鑄件的表面品質,很多濕型砂生產線配備了噴涂工位,一般采用醇基涂料。鑄鐵件濕型砂中普遍采用煤粉砂,煤粉的加入降低了型砂的透氣性,也惡化了勞動條件,因此,開發能夠取代煤粉的濕型砂涂料亦是涂料研究的1個重要方向。1.3發展功能涂料現代鑄造涂料的功能正在不斷擴展。鑄造涂料既可用來防止鑄件粘砂,又可通過配入一些特殊成分而具有某種特殊功能,目前的功能涂料主要有以下幾種:1.3.1表面合金化涂料通過在涂料中加入合金元素,可使鑄件表面實現合金化。例如,在涂料中加入錫、銻、鋅等元素可增加鑄件表面的珠光體含量;加入碲、鉍、鉻等元素可使鑄件表面形成較多的碳化物,提高鑄件表面的耐磨性能;含有碲粉的涂料還被成功地用于防止耐壓鑄件的滲漏。1.3.2孕育涂料孕育涂料是將孕育劑以涂料的形式涂于澆注系統或型腔某個部位,以達到強化孕育、防止衰退的目的。1.3.3防滲碳滲硫涂料呋喃樹脂自硬砂在國內獲得了廣泛的應用,但是,該工藝所用固化劑(對甲苯磺酸或二甲苯磺酸),在澆注過程中會分解出有害的硫。在澆注低碳鋼及奧氏體不銹鋼時還會發生表面增碳。解決這個問題的有效方法是在砂型表面涂一層屏蔽涂料。例如在涂料中加入氧化鈣、氧化鐵、氧化硅等可明顯減少樹脂砂鑄鋼件的滲碳及滲硫缺陷。其中,氧化鐵具有氧化和促進燒結作用;氧化鈣具有脫硫和促進燒結作用;氧化硅主要是促進燒結。該涂料在澆注時可形成具有氧化、脫硫作用的致密燒結層,能有效地隔絕來自鑄型分解的COx和SOx系氣體,從而可有效地防止鑄件表面滲碳、滲硫。1.4無骨料涂料在液壓閥等小型復雜鑄件的生產中,經常因涂層局部過厚而引起鑄件尺寸超差。針對這一問題,沈陽鑄造研究所開發了1種不含耐火骨料的抗粘砂涂料,即無骨料涂料。該涂料由高溫粘結劑、常溫粘結劑、溶劑及增稠劑等組成。由于不含耐火骨料,涂料不形成涂層厚度,因而涂料不會降低鑄件的尺寸精度。該涂料在澆注時可使砂芯表面適度燒結,在金屬/砂型界面形成還原性氣氛并析出少量的亮碳膜,從而可有效地防止鑄件粘砂。用此涂料澆注了Rexroth409及RexrothTDLIH6-5等閥體鑄件,獲得了良好的效果。此外,特殊配制的無骨涂料可防止鑄鋼件皺皮及粘砂。1.5發展醇基粒狀涂料醇基涂料屬易燃危險品,運輸周期長,費用高,而且由于醇基涂料的懸浮穩定性較差,涂料在長途運輸和存放過程中易產生板結(死沉淀),因此,開發醇基粒狀或粉狀涂料是涂料的1個發展方向。例如,英國Helpworth公司即有此種產品。國內有些廠家如沈陽鑄造材料廠、圣泉公司也開發了粒狀涂料。粒狀涂料不含易燃溶劑,故可用編織袋內襯塑料袋包裝,比漿狀涂料所用的塑料桶便宜得多。粒狀涂料可按普通貨物運輸,運輸周期短、費用也大大降低。但是,目前醇基粒狀涂料或粉狀涂料在性能方面還趕不上漿狀及膏狀涂料。研究的重點應放在懸浮劑的改性方面。1.6開發新型及復合耐火骨料耐火骨料是砂型涂料的主體,決定著涂料的抗粘砂性。越來越多的耐火材料被用于砂型涂料,從原來的鋯英粉、鋁礬土、剛玉粉、鎂砂粉、鉻鐵礦粉、石墨、石英粉等到鎂橄欖石粉、鉻剛玉粉、鋯剛玉粉、地開石粉、葉蠟石、尖晶石、藍晶石、珠光粉等均被用于涂料的耐火骨料。近年來,一些高級耐火材料如純氧化鋯、氮化硼、氮化硅、碳化鈦、碳化硅等也被用于砂型涂料。這些材料的突出特點是耐火度高,與金屬及其氧化物不潤濕,因此有極好的抗粘砂性。另外,采用復合耐火骨料也是涂料的1個發展趨勢。1.7新型高性能抗粘砂涂料國外最新研制成功新一代抗粘砂涂料,用于鑄鋼、鑄鐵及有色鑄件,可代替現有的鑄造涂料如鋯英粉涂料、石墨粉涂料、剛玉粉涂料等,其涂層厚度只有現有涂料的1/4。該涂料是用1種特殊的合金粉末配制的醇基涂料,可用噴、刷、浸等方法進行涂敷。在澆注時,這種合金粉末會發生化學反應,形成具有極高耐火度的涂層,可有效地防止金屬滲透及粘砂。2醇基涂料的熱膨脹聚合技術未來對鑄件的表面品質和尺寸精度的要求會越來越高,無疑對涂料的性能也會有越來越高的要求。近年來,流變學的發展,極大地促進了砂型涂料的發展,涂料的懸浮性、流平性、觸變性等有了很大提高。目前涂料性能研究的重點有以下幾個:2.1醇基涂料的懸浮性、流平性目前醇基涂料的懸浮性、流平性仍趕不上水基涂料,在運輸、貯存及使用中易出現沉淀。醇基粒狀涂料的懸浮性及流平性更差。解決上述問題的途徑有以下幾個:2.1.1尋找新型懸浮劑目前醇基涂料的懸浮劑主要有鋰土、有機土、PVB等。近年來一些研究者對凹凸棒土、海泡石、累托石等含鎂硅酸鹽礦物進行了研究試驗,顯示出較好的使用效果。這幾種礦物雖然膨脹性能并不高,但是其特殊的纖維狀或棒狀結構使其具有獨特的流變特性。2.1.2膨潤土的改性工作膨潤土的改性是改善涂料懸浮及流變性能的有效途徑。目前,膨潤土的改性工作主要集中在膨潤土與高分子的復合以及通過陽離子交換法進行的改性處理等。1個新的研究方向是將納米技術用于膨潤土的改性,利用膨潤土的吸附性、離子交換性和層間膨脹特性將一些聚合物引入到膨潤土層間域形成性能優異的聚合物/粘土納米復合材料。某些有機化合物可以進入到蒙托石的片層之間,并能在其間發生聚合,在有機單體的熱聚合過程中,蒙托石層狀結構被撐開,碎裂成納米尺寸的顆粒。這項技術為解決醇基粒狀涂料的懸浮體系提供了1條新途徑。目前醇基涂料所用的粘土類懸浮劑,其膨脹是可逆的,即在引發時粘土層間發生膨脹,但在干燥時在氫鍵和范德華力作用下又重新聚結在一起,在醇類溶劑中失去膨脹懸浮的能力。利用納米技術可使粘土類懸浮劑發生不可逆膨脹,從而制得預膨脹或預分散高效懸浮劑。2.2消失模涂料的性能消失模涂料的工作條件與普通砂型鑄造絕然不同,因而其工作性能和砂型涂料也有很大不同,歸結起來消失模涂料有以下幾個特點:2.2.1良好的透氣性在消失模鑄造工藝中,澆注時聚苯乙烯泡沫塑料模在高溫下液化及分解產物都要通過涂料排出,因此,消失模涂料要有良好的透氣性和吸附泡沫塑料液化產物的能力。一些研究表明,消失模涂料的高溫透氣性更為重要。獲得良好透氣性的途徑有以下幾個:(1)將不同種類的粒度的耐火骨料進行合理搭配耐火骨料的種類和粒度對涂料的透氣性影響很大。一般來說單獨使用某1種骨料時涂料的透氣性較差,而將不同的耐火骨料搭配起來使用時透氣性較好。如鋁礬土與適量石英粉復合可獲得良好的透氣性。骨料的顆粒形狀對涂料的透氣性也有很大影響。球形顆粒(石英,剛玉)形成外露的微孔,而片狀顆粒(滑石,葉臘石,云母)形成隱蔽的微孔。胞格狀組織(珍珠巖)及纖維結構(石棉,蛭石)填料構成無序排列,形成堆垛松散的多孔結構,透氣性較高。將不同種類的骨料進行合理搭配可在一定范圍內調節涂料的透氣性。(2)采用有機粘結劑有機粘結劑在高溫下分解可形成一些孔洞,從而增加了涂料的高溫透氣性。而高溫粘結劑如硅溶膠、水玻璃等配成的涂料透氣性較差。(3)加入氧化劑塑料模在高溫下不完全分解時會在涂料表面沉積一些亮碳,阻塞排氣通道,從而降低涂料的透氣性。加入一些氧化劑可加速塑料模的分解,從而防止亮碳沉積,增加涂料的透氣性。2.2.2良好的潤濕性和附著性聚苯乙烯泡沫塑料為非極性材料,表面張力低,不易被水基涂料潤濕、滲透。因此,涂料中須加入少量表面活性劑并選擇適當的粘結劑。非離子表面活性劑效果較好。大部分無機粘結劑對塑料模粘附性差,需與有機粘結劑配合使用。2.2.3良好的涂掛性消失模涂料一般涂層比較厚,要求涂料有較高的屈服值和假塑性,嚴格控制涂料的流淌性。2.3流涂涂料的流變參數控制流涂涂料對涂料的性能要求較高,性能控制不當時會出現堆積、波紋、涂層過薄、厚度不均等缺陷。推薦的水基鋯英粉流涂涂料的流變性能為:屈服值τ0=4~6Pa,觸變率M=9%~12%,粘度=6~10s,流型為:帶一定屈服值和觸變性的假塑性流體。2.4鎂質涂料的性能有待改進鎂砂粉、鎂橄欖石粉以及各種含鎂復合耐火材料具有很好的抗粘砂性能,而且價格便宜,在高錳鋼及碳鋼鑄件上應用非常廣泛。但是鎂質涂料往往懸浮性較差,易沉淀板結,涂刷性也比較差。其原因在于鎂質耐火材料堿性較強,易水化,Mg2+離子對膨潤土及一些高分子懸浮劑有很強的絮凝能力。解決上述問題的途徑有以下幾點:(1)加入某種表面活性劑對鎂質耐火材料進行表面鈍化處理,以降低鎂質耐火材料的反應活性,抑制Mg2+離子的產生。(2)選擇抗鹽能力較強的懸浮劑。目前常用的鈉基膨潤土、鋰基膨潤土、CMC(陰離子型)等懸浮劑抗鹽能力較差。而含鎂硅酸鹽粘土如凹凸棒土、海泡石、累托石及非離子型高分子有較高的抗鹽能力。(3)加入絡合劑與溶液中的Mg2+離子絡合形成可溶性含鎂絡合物,從而消除或減輕Mg2+離子的有害絮凝作用。3砂型芯涂敷技術的研究1種涂料要想達到最佳的使用效果,除了涂料本身要具備優良的性能外,正確的涂敷方法和有效的涂敷設備也是十分重要的。傳統的涂料涂敷方法有刷涂、噴涂和浸涂。近年來,國內外在涂料涂敷方法及設備方面也取得了很多新進展。一方面,傳統的噴涂方法及設備有了很大改進,如出現了低壓熱空氣噴涂及高壓無氣噴涂。另一方面,一些新的涂敷方法如流涂、靜電粉末噴涂、非占位涂料(轉移涂料)法及粉末環繞噴涂法等也相繼出現,為鑄造車間提供了更多的選擇余地。未來涂料涂敷方法的發展趨勢有以下幾點:3.1更好地保證鑄件尺寸精度和表面品質鑄件的尺寸精度和表面品質取決于砂型芯的尺寸精度和表面品質,而涂料的涂敷品質對砂型芯的尺寸精度和表面品質有很大影響,傳統的涂敷方法如刷、噴、浸以及目前較為先進的流涂工藝都是先制芯(或造型)再涂涂料。這種涂敷方法的固有缺點是涂層占據型腔有效空間位置,涂層表面的刷痕、流淌、堆積等缺陷均會復制在鑄件的表面,影響鑄件尺寸精度和表面光潔度。因此,要想進一步提高鑄件的尺寸精度和表面品質,必須從根本上改變涂料的涂敷模式。非占位涂料是解決上述問題的1條有效途徑。國內對非占位涂料技術已作了很多研究工作。歸納起來,目前非占位涂料技術主要有微波法、自硬法和熱模法3種基本形式。盡管目前非占位涂料還不夠完善,應用面也還比較窄,但是,其先進的涂敷模式以及由此帶來的高精度、高光潔度和使用效果代表了鑄造技術的發展方向。3.2高效率、高品質的涂敷方法提高涂敷效率和涂敷品質是涂料技術的發展趨勢。流涂是近年來發展起來的1種新型高品質、高效率的涂敷技術。其工作原理是:用泵將貯罐中的涂料壓入循環系統,通過軟管或扇形噴咀將涂料澆到砂型芯的表面上,多余的涂料從砂型芯流下后返回涂料貯罐中。流涂涂層平整光滑、無刷痕、操作環境好,施涂效率高。目前國內已有流涂機產品。3.3新型涂敷工藝和設備近年來出現了一些新的涂敷方法和設備,如靜電粉末噴涂及粉末環繞噴涂法等。國外已將靜電粉末噴涂法用于濕型砂生產線。粉末環繞噴涂法是1996年德國LAMP公司開發的1種涂敷方法,用來防止有機粘結劑分解產物進入型腔引起的氣孔及粘砂缺陷。該法是將耐火粉與一定比例的干砂混合并裝入噴涂室中,通過裝在底部的振動器及壓縮空氣使混合物運動起來,對放在混合物上砂芯進行環繞噴射,通過撞擊和摩擦作用使耐火粉嵌入砂芯表面的孔隙之中,砂粒的動能較高,可強化撞擊和摩擦作用,使耐火粉嵌得更深更牢。4iso9000質量控制建立健全涂料的品質保證體系不論對涂料生產廠還是涂料的用戶都是非常必要的,也是涂料發展的必然趨勢。國內企業對產品品質的控制越來越重視,一些單位已經通過了ISO9000認證,還有一些企業正在進行ISO9000認證工作。涂料的生產廠家及涂料用戶也順應這一趨勢,參照ISO9000建立自己的品質保證體系,提高管理水平。涂料品質控制包括2大部分,1是涂料生產品質控制,2是涂料使用中的品質控制。現分述如下:4.1涂料生產品質控制涂料生產品質控制包括原材料品質控制、生