[科普中国]-金属型涂料

介绍

普通的砂型铸造已不能满足铸造生产的需求，更多的特种铸造，以其精度高、抗损坏型好、成本低等优点先后被大规模的使用，其中金属型铸造以其工艺性能高、工序简单、铸件表面光洁度高的优点被越来越多的使用，但在金属型铸造中怎样提高它的寿命一直以来都是困扰生产的一个大难题，为此引入了金属型耐热涂料。

金属型铸造主要运用铜、铝、镁等有色金属合金。由于高熔点合金使金属型的使用寿命降低，所以必须在型腔与高温液态合金之间增加一道保护膜，既能保护金属型不受到损伤，也使铸件的物理化学性质不发生改变，相反能提高铸件的表面尺寸精度，改善表面粗造度。在金属型铸造中，涂料应具有高温耐火性和高稳定性，由于浇注时金属内腔，确切的说是涂料和金属液的相互接触处，由于液态金属是在重力作用下冲入金属型内的，对涂料层稳定性要求很高。

涂料由于其绝热作用，降低了溶液的冷却速度，可防止铸件出现白口，并减弱浇注时溶液对金属型的热冲击，松弛了热应力，阻止了金属液的侵蚀，对金属型起到了保护作用。除此之外还会有助于表面光洁，使铸件容易从铸型分离，进而可望对铸件表面进行孕育。用一层涂料是不能起到以上这种作用的，通常二层涂料用的是另外一种涂料，第一层叫做基础涂料，第二层叫做工作涂料。

金属型涂料必须具有以下性质：①具有耐热性，②绝热性好，化学性质稳定，浇注时不产生气体，③与金属型的附着力强，④热膨胀系数与金属型相似。

金属型涂料的组成物及其性质金属型涂料有以下几种材料组成：基本耐火材料：硅藻土、石英粉、铝矾土等；粘结剂：水玻璃、粘土、膨润土等；添加剂：过锰酸钾、氯化钠等；稀释剂：水、乙醇等。

硅藻土的主要理化性质如下：①分子式是SiO2.nH2O；②熔点是1 400℃ ～ 1 650℃ ；③颜色多呈白色、灰白或黄色；④硬度为易碎，莫氏硬度为1.0～ 1.5；⑤导热系数0.14w (m.℃)；⑥堆积密度依杂质含量而变；⑦吸附力为能吸附等于自己质量1.5～ 4.0倍的液体。硅藻土常呈微细蜂窝状，管状结构，内部存在大量的孔洞和空隙，因而导热系数小、密度小，为涂料的绝热性能、排气性能及良好的悬浮性提供了可靠的保证，但是没有经过培烧的硅藻土常含有机物和3.5%～ 8%的结晶水。容易产生针孔、气坑及其它缺陷，因此硅藻土在使用前一定要经过培烧[1]。石英粉具有很高的耐火度，发气量低，石英粉来源广，价格低，但是其密度大，降低涂料的悬浮性，堵塞排气通道，同时也影响涂层的绝热性。选用膨润土作为涂料的黏结剂和悬浮剂，在配制过程中加入一定的水玻璃更有利于涂料和金属型壁的粘合。在载体的选择上是使用水或乙醇，水的加入量要适当。过多喷涂时金属型的温度下降迅速，不利于涂料中的水分的排除，过少时涂料黏度大，不利于喷涂和雾化。醇类介质易挥发，干燥快，使用性能好，但贮存性能不好。

金属型涂料的基本物化性能密度和固体含量涂料的密度则是指单位容积涂料的质量而言。采用比重计测量得到的密度值，其中石英粉涂料的密度为1.56 g/cm3，硅藻土为1.02 g/cm3。注意测量前搅拌均匀以免出现很大的误差。固体含量是指涂料烘干后和烘干前质量的比例。烘干后的质量包括耐火粉料质量和粘结剂、悬浮剂中干物的质量。粉料质量则专指耐火粉料在涂料中所占的比例而言。一般情况下，在耐火粉料的密度无变化、涂料的操作粘度也不变的情况下，固体含量或粉料含量高、液体含量低的涂料有明显的优势。这样的涂料易干燥，水基涂料可风干；干燥和激烈时涂层不易开裂；不必用提高涂料粘度或增加涂刷遍数的方法，即能够得到足够厚的涂层。

涂料的粘度和流变特性在外力作用下，涂料本身阻止内部分子间相对运动的特性称为粘度。一般来说粘度过高流动性差，刷涂费力，涂层难以均匀平整，浸涂的涂层过厚，容易形成局部堆积。涂料是一种固液分散体系，在受外力作用产生流动时，也会伴有变形产生，故对涂料流变特性的研究也属于流变学的研究范畴。从流变学的角度分析，最适合于作涂料用的是带屈服值的假塑性流体。假塑性流体随剪切速率的增加而粘度下降。2

悬浮性涂料是一种悬浮液分散体系，分散相粒子的密度比载体大，故在长时间停放时分散相粒子总存在一个下沉的趋势。根据Stokes定律，粒子的沉降速度是和很多因素有关的。若要使粒子不下沉，则必须使阻碍下沉的结构力大于或等于粒子下沉的重力，一些优质涂料正是控制了屈服值和分散相细度而保证其悬浮稳定性的。值得注意的是屈服值也不可过高，否则会引起涂层开裂等问题。涂料各组分中密度最大的是耐火粉料。涂料搅拌放置一段时间后，往往出现分层和涂料沉淀现象，尤其是石英粉涂料分层比较严重。涂料的悬浮性太差会给涂敷工作带来困难，并会影响涂层质量。解决石英粉涂料悬浮性的方法是向其加入膨润土、海藻酸钠、水玻璃搅拌均匀，再稀释到原来的浓度。粉粒细度也是影响涂料悬浮性的重要因素之一。粉粒过细悬浮性好但涂层强度不够易开裂，所以不可过细。

刷涂性和涂挂性刷涂过程实际上是一个从刷毛中挤到型表面的过程，这就使型与刷之间的涂料受到剪切作用，对于具有剪切稀释作用的涂料，就会使屈服值下降，从而保证了涂料的饱蘸性，但剪切稀释性也不可过高。涂挂性涂料从垂直铸型上流失，首先必须破坏立体网状结构：即克服其剪切力，继而要克服涂料粘度的影响。既具有剪切稀释作用又具有触变性的涂料是最理想的。

金属型涂料的工艺性能浸润性和渗入性为了使金属型和涂层结合牢固，需要涂料向基体渗入一定深度。影响涂料的深入深度很多，如涂料的粘度、屈服值、以及涂料与金属型是否浸润等等，其中后者尤为重要，为了提高水基涂料的浸润性和渗入性，加入少量的表面活性剂OP- 10可改善涂层强度。一般来说，涂料粘度越低、屈服值越低，涂料越易向基体深处渗入。

刷涂性和流平性刷涂性是指用毛刷饱蘸涂料刷涂砂型时手感滑爽不干涩，刷过的涂层较长距离保持光滑不劈裂分岔的性能。刷涂性与涂料流变性能有关，因为刷涂时涂料受到较大的剪切速率。

流平性是指用毛刷刷抹过的涂层上的刷痕能在很短的时间内自行消除的性能。流平性不好的涂料会在涂层表面留下严重的刷痕，浇注后被复制在铸件表面，影响铸件的表面粗糙度，流平性主要取决于涂料的表面张力和粘度。较粘稠的涂料流平性差，水基涂料要比醇基涂料的表面张力大，故流平时间短，刷痕轻。

不流淌性与不破水由于重力的作用，涂料在砂型的垂直面上有下流的趋势称为流淌性。它反映涂料中层与层之间相对滑动的性能。而破水现象是指铸型的垂直面上刚刚涂敷过水基涂料的涂层被水沟所分割，沟内涂料被水冲掉的现象，实验过程中得到的两种涂料均没有破水现象发生。

粘结强度粘结强度是指涂层与铸型或型芯表面通过物理和化学作用结合在一起的强度。这种附着强度是涂层中粘结剂的极性基团(如轻基或梭基)与砂型(芯)中极性物相互结合而产生的(常用的硅砂具有极性)。这种极性结合的各种因素均将导致涂层粘结强度的提高。涂料涂在铸型(或芯)上后，如果涂料的粘结强度大，则铸型的表面强度提高也大，涂层结合牢固，浇注时可耐金属液的冲刷和浸蚀，有利于提高铸件表面质量。

金属型涂料工作性能涂层的表面耐磨性、耐冲蚀性和强度表面敷有涂料的金属型在搬运、合箱时要经受摩擦和碰撞，在浇注过程中要承受金属液的冲刷，因此要求涂料层有良好的表面耐磨性、耐冲蚀性、强度和附着力。耐磨性用不同硬度的铅笔可测量。

抗激热开裂性涂层不仅在烘干、风干时不应收缩开裂，更为重要的是在受到金属液的激热作用下也不应开裂。若涂层开裂，则金属液就有可能穿过裂纹钻入到金属型基体内而成为”渗铁”。渗铁最易发生在金属型的热节处和拐弯处，因这些部位受热严重，涂层更易开裂，裂纹严重时，涂层可能翘起切入铸件中而造成起皮、夹灰等缺陷。在实际生产中提高涂料的高温强度和高温塑性均有助于减少或消除激热开裂性。

金属型涂料的展望21世纪铸造涂料的发展将以实现铸件精化、节约资源、保护环境以及建立、完善涂料质量控制体系为目标，以转移涂料、功能涂料为开发研究重点，并将加强涂料的作用机理、流变特性及骨料级配等方面的基础研究。有关金属型涂料的研究仍然是铸造工作者的重点课题之一，其研究内容主要集中在以下几个方面。

(1)研究金属模型表面、涂料层之间的相互作用规律；

(2)开发金属型涂料新品种，选择新型的耐火骨料。在涂料中附加一部分球状骨料或片状、纤维状骨料，可获得优良的悬浮性、触变性和透气性，加强分解产物在涂料层内的传输能力，以满足不同铸件或同一铸件的不同部位对涂料多样性的要求。3

(3)尽快建立和完善金属型涂料的质量控制体系，开发新的金属型涂料检测仪器，建立金属型涂料的技术标准，以推动金属型涂料系列化、商品化的发展，加强原材料供应商、涂料生产厂和铸造厂之间的密切合作。