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铸造工程 Foundry Engineering 19 2016年第6期 铸造涂料在金属基材料上的应用 施风华 （上海市机械制造工艺研究所有限公司，上海 200070） 摘要：现有的铸造涂料存在存储性、细腻度和隔热性等问题。对这些问题的产生进行了分析。 根据分析结果，采用不同的黏结材料和耐火骨料研制了新型铸造涂料。新研制的铸造涂料提高 了铸造涂料与金属基材的结合力，延长了铸造涂料的存放时间，已成功应用于实际生产。 关键词：铸造；涂料；金属模 中图分类号：TG221 文献标识码：A 文章编号：1673-3320（2016）06-0019-04 Application of foundry coating to metal-base materials SHI Fenghua (Shanghai Institute of Machine Building Technology Co., Ltd., Shanghai 201901, China) Abstract: Foundry coating now available present the problems of storability, fineness and heat-insulating ability. The reason why these problems produce was analyzed. Based on the analysis results, a new type of foundry coating was developed with the use of different binding agents and refractory aggregates. The newly developed foundry coating exhibited stronger adhesion to the basis metal and better storagability than the existing foundry coating, and has been successfully used in the actual production. Key words: foundry; coating; permanent mold 随着技术的发展和生产工艺的进步，有色金 属合金以其良好的力学性能和较好的铸造性能， 在工业中被广泛应用，是汽车、造船、航空航天 及其他制造业的重要结构材料，特别在航空工业 中的应用越来越广泛，对有色合金铸件的品质要 求也越来越高，除了保证化学成分、力学性能和 尺寸精度外，铸件不允许有气孔、缩孔等缺陷。 在有色合金铸件的生产过程中很大部分采用金属 模，适用于这些金属模具的铸造涂料也有各种相 关的性能要求。本文通过对于不同黏结材料和耐 火骨料进行试验和选用，研制的新型铸造涂料可 以满足实际的生产需要。 1 问题的提出与分析 铝合金汽车发动机缸盖件的模具全部为金属 模，在使用过程中，铸造涂料存在一定的问题。 （1）涂料的存放性 问题：原始状态的铸造涂料一般可以存放12 个月不变质，可一旦涂料加水稀释后，存放3～4 天涂料会变厚、结硬，影响正常使用。 分析：加水稀释后存放性不好的问题主要是 由于铸造涂料采用的水玻璃黏结剂体系，在涂料 稀释过程中，水中的钙、镁离子会促进水玻璃分 解，从而发生沉降，影响涂料的状态稳定和使用 性能。 （2）涂料细腻度 问题：涂料整体粒度较粗，偶尔有颗粒状小 粉，影响铸件表面的粗糙度。 分析：涂料表面颗粒物最主要是使用块状的 焦炭粒耐火骨料，在原材料预处理研磨过程中， 容易造成骨料研磨不均情况。 （3）涂料隔热性 问题： 铸造涂料的隔热效果不太好，在浇注 过程中，铝液的热量易传导至金属模具上，影响 收稿日期： 2016-09-17 作者简介： 施风华（1976-） ，男，高级工程师，主要从事铸造辅料新产品的研发工作。 材料与工艺 20 2016年第6期 铸造工程 Foundry Engineering 模具的使用寿命。 分析：隔热性不好主要是由于体系内加入了 碳质耐火骨料。碳质材料有良好的润滑作用，帮 助铸件脱模，但同时碳元素的导热性好，不利于 涂层隔热和保护模具。 解决方法的设想： 第一，加水稀释后存放性不好的问题主要是 由于涂料采用的水玻璃黏结剂体系，涂料在稀释 过程中，水中的钙、镁离子会与水玻璃发生沉降 反应，从而影响涂料的状态稳定和使用性能。解 决这个问题可以通过两种方法进行尝试：一种是 解决水玻璃与水之间的离子反应，防止涂料的沉 降；另一种是放弃水玻璃黏结剂体系，选用清水 型的无机黏结剂来弥补涂料高温下与金属模的黏 附强度。 第二，涂料表面颗粒物最主要是由于使用了 块状的焦炭粒耐火骨料，在原材料预处理研磨过 程中，容易造成骨料研磨不均情况。可换用过200 目的粉状耐火骨料来解决涂料细腻度的问题。 第三，隔热性不好主要是由于体系内加入了 碳质耐火骨料。碳质材料有良好的润滑作用，帮 助铸件脱模，但同时碳元素的导热性非常好，不 利于涂层隔热和保护模具。改进工作可通过换用 导热系数低的耐火骨料来帮助隔热，同时添加润 湿性好的材料替代石墨材料来帮助起模。 2 新型铸造涂料的研制 主要从存放性、细腻度和隔热性这三个方面 对铸造涂料进行改进和试验，选用清水型的无机 黏结剂来弥补涂料高温下与金属模的黏附强度； 采用200目的粉状耐火骨料来解决涂料细腻度；采 用导热系数低的耐火骨料来帮助隔热，同时添加 润湿性好的材料替代石墨材料来帮助起模。 2.1 黏结剂 通过两种方式来改善涂料的存放性能，在提 高存放性的同时，关注涂料在高温下与铁模间的 附着强度。 2.1.1 水玻璃黏结体系 要改善涂料的存放性，应解决水玻璃与水中 钙、镁离子间的反应，从而防止涂料的沉降。将 原使用的铸造涂料分别与自来水、纯净水及去离 子水混合，充分搅拌后将涂料稀释至60 Be使用状 态，将涂料密封存放一段时间后观察其状态。存 放性试验结果见表1。 表1 涂料存放性试验结果 一周 二周 一月 三月 六月 自来水 顶部结壳涂料结硬 / / / / 纯净水 / 少许胶状物性能正常 涂料变厚 轻微结硬 结硬 去离子水 / / / 性能正常状态均一 少许胶状物状态正常 从表1的试验结果可以看到： 自来水与水玻璃混合后存放一周，涂料顶部 结出硬壳，性能失效。 纯净水样品在存放二周后，涂料顶部有少 许的白色胶状物析出，将涂料搅拌均匀后，性能 指标正常。存放一个月后，涂料状态明显变厚， 搅匀后波美度从60增大到了90。存放三个月后， 涂料略微有些变硬，影响正常搅拌，难以保证生 产应用。存放六个月后，涂料完全变硬，性能失 效。 去离子水样品的存放性在三者中最好。存放 三个月后，涂料的状态无明显波动，性能指标正 常。当存放六个月后，涂料顶部发现了少许白色 胶状物悬浮，但涂料搅匀后状态和性能正常。 通过试验可以发现，去除掉水中的离子后， 水与水玻璃互溶后的存放性能确实有了明显改 善，可以尝试通过这种方式来延长产品使用过程 中的存放时间。 2.1.2 无水玻璃黏结体系 水基涂料中除水玻璃外，与高温附着强度密 切相关的无机黏结剂（高温黏结剂）主要有：黏 土、膨润土、硅溶胶和磷酸盐等，而膨润土、硅 溶胶和磷酸二氢铝的高温强度仅次于水玻璃的黏 结材料，因此对此三种高温黏结剂进行试验。 铸造工程 Foundry Engineering 21 2016年第6期 （1） 膨润土加入量试验 膨润土在胶体溶液中能形成空间网状结构， 使涂料具有屈服值并阻碍耐火填料颗粒质点的下 沉。试验结果表明，膨润土加入后可以提高涂料 的高温附着强度，并且随着加入量的提升，涂料 高温下的附着力也会相应增强。可膨润土在水中 有很好的溶胀性能，对涂料的增稠作用明显，当 加入量超过一定量以后，涂料的整体黏度很大， 影响涂料的使用性能。 （2） 硅溶胶加入量试验 将硅溶胶复配入膨润土体系的涂料内，进一 步增强涂料高温下的附着强度，硅溶胶与膨润土 体系能很好溶解，不会对涂料的状态造成破坏。 试验结果表明，两者复配后高温下涂层与铁块的 咬合力有所提升，涂料中硅溶胶的加入量应控制 在5%以内，否则涂层经高温烘烤后容易产生裂 纹，影响到涂料的屏蔽作用。 （3） 磷酸二氢铝加入量试验 磷酸二氢铝为无色无味极黏稠的液体，固化 后具有结合力强，耐高温、抗震动、抗剥落、耐 高温冲刷、良好的红线吸收能力和绝缘性。磷酸 二氢铝具有较大的表征黏度和高温发气性，因此 在提高高温附着强度的同时，也要关注对于涂料 整体性能的影响。从发气量测定结果来看，涂料 中磷酸二氢铝若添加超过2%，涂料的整体发气量 略大，会增加铸件气孔的风险，因此综合考虑高 温附着强度和涂料发气量，磷酸二氢铝的加入量 为2%比较合适。 2.2 耐火骨料 针对原铸造涂料隔热性不好，表面颗粒度明 显，对涂料的耐火骨料进行调整。涂料的导热率 与组成涂料的骨料种类和尺寸、黏结剂、涂层内 部孔洞体积大小、孔洞内气体、骨料的辐射系数 和温度等因素有关。在所有因素中， 耐火骨料的 影响最为显著。石墨具有良好的导热性能，实际 生产中，使用相同孔隙的单一骨料配制涂料，仍 以石墨粉涂料的导热率最高，故石墨粉在配制保 温涂料时，应限制其用量。 铝矾土呈弱酸性，耐火度高于1 800 ℃，高温 热膨胀系数和导热系数均比较小，高温热化学性 能稳定，成分与铝液又相近，是理想的金属型涂 料用耐火骨料。 硅藻土是非铁合金用涂料中常用的耐火骨 料，主要由硅藻、粘土矿物、长石、石英等碎屑 物质，以及少量有机质、铁质氧化物等组成。一 般硅藻土耐火度可达900 ℃，硅藻土的最大特点 是隔热性能好，缺点是耐热性较差。作为金属型 涂料的辅助耐火骨料，保护模具受金属液激冷和 激热作用，延长模具的使用寿命。 滑石粉具有润滑性、抗黏、助流、耐火性、 抗酸性、绝缘性、熔点高、化学性不活泼、遮盖 力良好、柔软、光泽好、吸附力强等优良的物理 和化学特性，由于滑石的结晶构造呈层状，所以 具有易分裂成鳞片的趋向和特殊的滑润性，在金 属型涂料中适量添加有助于替代石墨粉的润滑作 用，帮助铸件顺利脱模。 结合金属型涂料的隔热性、润滑性和高温稳 定性的特点，选用铝矾土、焙烧硅藻土、滑石粉 作为耐火骨料，且为确保涂料的细腻度，耐火骨 料的粒度要求为100%，过200目筛网。 2.3 涂料性能比对 确定了黏结体系和耐火骨料后，通过试验对 两种涂料进行高温附着强度和存放性比对，试验 涂料配比见表2。表2 试验涂料配比 （质量分数，%） 铝矾土 焙烧硅藻土 滑石粉 有机黏结剂 助剂 水玻璃 膨润土 硅溶胶 磷酸二氢铝 去离子水 I 20 15 5 3 1 56 0 0 0 适量 II 0 3 5 2 其余 按配比配制两种涂料，进行高温附着强度进 行测试。测试方法：在HT-100材质的铁块表面涂 覆一层涂料，涂层厚度控制在0.50 mm左右，接 着将铁块放入70 ℃的鼓风干燥箱内烘干，待涂料 完全干燥后，再将铁块放入加热至700 ℃的箱式 马弗炉内，烘烤15 min后取出，室温下冷却并判 定涂层的黏附性，待铁块基本冷却后再次放入700 ℃马弗炉内烘烤，同样方法反复烘烤3～5次。常 温附着强度对比图如图1所示，高温附着强度对比 图如图2所示。 铸造涂料在金属基材料上的应用 施风华 22 2016年第6期 铸造工程 Foundry Engineering图1 常温附着强度对比图 图2 高温附着强度对比图 从试验情况看，无论在常温还是高温条件下， 两种涂料均与铁块有较好的附着强度，且高温烘烤 1～2次的情况下两者间附着强度的差异不大。 当反复多次高温烘烤测试时，两者间附着 强度的差异就逐渐暴露出来。水玻璃体系涂料经 多次高温烘烤后用铁钳轻刮，涂层表面牢固不掉 粉。而非水玻璃体系涂料随着烘烤次数的增加， 涂层与铁块的咬合力逐渐减弱，烘烤3次后涂层表 面出现轻微粉末掉落，用铁钳轻挂后涂料脱落。 试验证明，水玻璃黏结剂对于涂料高温附着强度 的提高最为显著。 将两种涂料密封存放，对其存放性能进行测 定比对，测试结果见表3。 表3 涂料存放性测定结果 存放时间 三月 六月 九月 水玻璃 性能稳定 状态均一 少许胶状物 状态正常 涂料变厚 轻微结硬 非水玻璃 性能稳定 状态均一 性能稳定 状态均一 性能稳定 状态均一 从表3的试验数据可以看出：水玻璃体系涂料 具有较高的高温附着强度，但存放性能略差；非 水玻璃体系的存放性能较好，但在高温附着强度 上较差。可以说两种涂料各有其特点，具体如何 取舍还需要根据现场应用来判定。 2.4 现场试用 将改进后的水玻璃体系涂料和非水玻璃体系 涂料，进行现场对比试用，试用情况见表4。 表4 涂料现场试用情况 涂料寿命/次 隔热性 模具损耗 细腻度 脱模效果 存放性 铸件质量 原涂料 ＞30 差 严重 粗糙 好 差 较好 水玻璃体系涂料 ＞30 好 小 细节 好 一般 好 非水玻体系涂料 15 ～ 20 好 小 细节 好 好 较好 对比三种涂料的试用情况，水玻璃体系涂 料的综合性能要略好一些。该涂料涂刷一次后， 可保证涂料浇注30次以上不脱落，无需补刷。 另外，性能改进后，涂料的隔热性能显著提高， 减缓了模具的损耗。在保持良好脱模效果的基础 上，涂料的细腻度也有所提高，确保了铸件的表 面粗糙度和质量，满足了生产的需要。 3 结论 水玻璃体系涂料虽然有很好的高温附着强 度，但存放性能略差；非水玻璃体系的存放性能 很好，但在高温附着强度上略有不及，可以作为 重复次数不多的工艺选用。 铝矾土高温热膨胀系数和导热系数均比较 小，高温热化学性能稳定，成分与铝液又相近， 是铸铝用理想的金属型涂料用耐火骨料。 硅藻土可保护模具受金属液激冷和激热作 用，延长模具的使用寿命，作为金属型涂料的辅 助耐火骨料。 滑石粉具有易分裂成鳞片的趋向和特殊的滑 润性，在金属型涂料中适量添加有助于替代石墨 粉的润滑作用，使铸件顺利脱模。