CN112658199B - 一种消失模铸造铝硅合金环保涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消失模铸造铝硅合金环保涂料及其制备方法，由耐火基材，钠基膨润土，CMC，硅溶胶和JFC，聚醋酸乙烯，聚乙稀醇，磷酸三丁酯，五氯酚钠，适量水，除氢剂组分制备而成。可膨胀石墨加热膨胀后可将涂料透气性维持在适当位置，便于氢气和其他分解气体逸出，防止夹渣孔的形成，同时氢气在通过涂料层时，氧化铜可以在高温下与铝合金中析出的氢气反应生成水和单质铜，有效消除氢针孔的形成。适当的透气性可以有效防止透气性过高导致铝合金铸件表面易产生针刺、粘砂、节瘤等缺陷。

Description

一种消失模铸造铝硅合金环保涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金铸造涂料领域，特别涉及一种消失模铸造铝硅合金环保涂料及其制备方法。

背景技术

消失模铸造的基本原理是将：将铸件形状相似的发泡塑料模样涂抹上耐火涂料层后，放在砂箱中，模样的四周填入干砂，经过振动使其紧实造型，而后浇注金属液，泡沫塑料在高温金属液的热作用下热解消失，从而让金属液填充到泡沫塑料膜消失的空间完成充型的的一种新型铸造方法。

由于铝合金浇注温度低于铸铁很多，一般在750℃左右，因此在涂料成分的选择和涂料的性能上都有一定区别。在750～780℃的浇铸温度下，铝合金的吸氢严重，在其冷却过程中铝合金液容易析出氢气，易使铸件产生形成分散性氢针孔。现有的铸造涂料解决这一问题主要还是通过提高涂料的透气性，提高透气性还能有效缓解在泡沫模样发气形成以及铝合金液在凝固过程中，泡沫模样分解气体来不及排出铝合金液造成的夹渣孔，但涂料透气性过大，铸件表面易产生针刺、粘砂、节瘤等缺陷，而透气性不足，可能导致浇不足或针孔增多等。

铝合金涂料的耐火骨料的选择一般是耐火度较低的硅藻土粉、滑石粉、珠光粉、土状石墨等。由于合金浇注温度低，造成模样气化较为困难，残留液态模样较多，因此要求涂料具有较强的吸着性。如硅藻土粉、凹凸棒土等涂料组成物都对提高涂料吸着性有一定影响。能够解决因为浇注温度降低而造成的模样气化不完全造成的针孔缺陷。

液态铝合金的熔化温度比钢铁材料低许多，而金属液浇注时模样的热解汽化将吸收大量的热量，造成合金流动前沿温度下降，故凝固冷却时易形成冷隔、皮下气孔等铸件缺陷。因此所选涂料需要能够吸收浇注产生的热量、帮助散热，或者具有优良的散热性，其次可以帮助铸件的冷却凝固，从而预防冷隔、皮下气孔缺陷。因为消失模浇注的温度在750摄氏度以上，所以要选择高温黏结剂：粘土、膨润土、水玻璃、硅溶胶、磷酸盐、硫酸盐、聚合氯化铝，防止在高温下黏结剂被高温下破坏。

一直以来，我国的铝硅合金铸件用的涂料大多数和铸铁件一致。铝硅合金消失模铸造的专用涂料研制不多，在使用中存在着涂料性能不佳，铸件的表面质量精度不高、内部不致密等一系列的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：解决铝硅合金消失模铸造过程中容易发生氢针孔和夹渣孔的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：

一种消失模铸造铝硅合金环保涂料，由如下重量份的组分制备而成：耐火基材100份，钠基膨润土2～6份，CMC 0.4～0.6份，硅溶胶2-3份和JFC 0.03份，聚醋酸乙烯3～5份，聚乙稀醇4～7份，磷酸三丁酯0.01～0.02份，五氯酚钠0.02～0.04份，适量水，5～20份除氢剂。

优选地，所述除氢剂由CuO和可膨胀石墨粉混合而成。

优选地，所述CuO与可膨胀石墨的质量比为1:1～6。

优选地，所述耐火基材由硅藻土30～35wt％，云母粉65～70wt％组成。

一种上述消失模铸造铝硅合金环保涂料的制备方法，具体制备步骤如下：

(A)按配料比称取原料组分，将耐火基材，钠基膨润土和除氢剂研磨混合过过200目筛；

(B)向50～100重量份水中加入CMC，硅溶胶，JFC，聚醋酸乙烯和聚乙烯醇，加热至90℃，充分搅拌溶解后加入磷酸三丁酯和五氯酚钠，搅拌均匀后室温自然冷却得基础液；

(C)将耐火基材和钠基膨润土以及除氢剂加入基础液中，充分搅拌均匀后即得完全涂料。

本发明获得的有益效果：

可膨胀石墨加热膨胀后可将涂料透气性维持在适当位置，便于氢气和其他分解气体逸出，防止夹渣孔的形成，同时氢气在通过涂料层时，氧化铜可以在高温下与铝合金中析出的氢气反应生成水和单质铜，有效消除氢针孔的形成。适当的透气性可以有效防止透气性过高导致铝合金铸件表面易产生针刺、粘砂、节瘤等缺陷。

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

实施例1：按如下方法制备消失模铸造铝硅合金环保涂料：

(A)按如下重量份配比称取原料组分：耐火基材100份，钠基膨润土2份，CMC 0.4份，硅溶胶2份和JFC 0.03份，聚醋酸乙烯3份，聚乙稀醇4份，磷酸三丁酯0.01份，五氯酚钠0.02份，5份除氢剂；

(B)将耐火基材，钠基膨润土和除氢剂研磨混合过过200目筛；本实施例中所述除氢剂由CuO和可膨胀石墨粉按质量比为1:1混合获得。所述耐火基材由硅藻土30份，云母粉70份组成。

(C)向50重量份水中加入CMC，硅溶胶，JFC，聚醋酸乙烯和聚乙烯醇，加热至90℃，充分搅拌溶解后加入磷酸三丁酯和五氯酚钠，搅拌均匀后室温自然冷却得基础液；

(D)将耐火基材和钠基膨润土以及除氢剂加入基础液中，充分搅拌均匀后即得完全涂料。

耐火基材的选定

铸造铝硅合金，浇注时表面会产生氧化物，这些产物呈碱性，易与酸性耐火基材石英粉、莫来石等反应对涂层和铸型表面进行侵蚀，故应选择中性或碱性硅酸盐类材料做基材。铸铝温度在750～780℃之间，在保证其足够耐火性条件下，可以以节省成本为原则，尽量避免使用刚玉粉、锆英石粉等价格昂贵的锆耐火材料，因此最终选择硅藻土、云母作为耐火基材。

二氧化硅或氧化铝均不与硅藻土、珠光粉、云母发生化学反应，硅藻土30％-35％：因涂料要具备一定的常温和高温强度，以防止泡沫模样碰撞时涂层会脱落，同时也要耐受经金属液的冲刷，而硅藻土呈中性，无毒，悬浮性能良好，吸附能力好，具有孔隙度大、吸收性强、热化学性质稳定等特点，能为涂料提供优异的表面性能，能够提高附着力。能够有效提高涂层的强度，同时由于孔体积较大，对泡沫产生的杂质也具有吸附作用，也能防止杂质进入液态合金内部形成气孔等缺陷，提高了铸件的表面质量，同时也具有良好的隔热保温性，提高了金属液的流动性能。

云母粉65％-70％：云母粉具有耐热、阻燃性和抗磨性，化学性质稳定，在水中的悬浮性能良好，有利于泡沫模裂解的气体在高温下排出涂层，同时云母粉也可作悬浮剂使用，强烈阻隔了水和腐蚀性物质的渗透，这就减少了铝硅合金成型后的产生的气孔和夹渣的缺陷。一般情况下，可能用滑石粉代替云母粉，但此时因为和堇青石共同作用，其温度较高，采用滑石粉可能分解出MgO,其有很强的助熔作用，能将涂层的孔隙填满，可能会妨碍了气体的排出，从而产生气孔等缺陷，所以一般用云母粉较好。

悬浮剂的选定

悬浮剂的作用是使各粉料颗粒均匀的悬浮分散在载液中，以确保在模样表面形成成分均匀的涂料，同时悬浮剂还赋予涂料所需的流变特性。我们本次所采用的悬浮剂是膨润土、CMC(羧甲基纤维素)。膨润土和羧甲基纤维素(CMC)，通常是做粘结剂使用，但在消失模铸造水基涂料中，因为它们不能克服聚苯乙烯泡沫模型光滑表面的憎水性，用它们做粘结剂，涂料无法涂挂在泡沫模型的表面上。但是，膨润土的细小颗粒在水中膨胀，形成水化膜，粘浮在CMC的大分子链上，搭接成立体网状结构，阻止耐火骨料颗粒堆积下沉，从而提高了浮料的悬浮性能，所以，把这两种有粘结功能的物质作为悬浮剂使用。选用膨润土类悬浮剂时，在保证悬浮性的前提下，加入量越少越好，加入量过大涂层易开裂。CMC的加入量在0.4％～0.6％的区间内时，涂料的流平性较稳定，可见此时涂料的涂挂性较好，涂料能均匀平整地涂覆在试样表面，获得一定厚度的涂层；悬浮性和抗压强度表现出良好的上升趋势，且当加入量为0。6％时，达到最佳状态，烘干抗裂性也是最佳的，因此，确定CMC的最佳加入量为0.6％左右；钠基膨润土的添加量从1％增加至7％，涂料的悬浮性能从80％增加到了99％；当钠基膨润土的加入量在1％～5％区间时，涂料的悬浮性出现了明显提升，从80％增加到96％，可见在制各涂料时提高钠基膨润土的加入量，会大幅度提高涂料的悬浮性。

粘结剂的选定

硅溶胶的含量在2％～3％(占耐火基材)时，涂料的粘度逐渐降低，但变化缓慢；另外加入聚醋酸乙烯乳液3％-5％：聚醋酸乙烯溶液是一种水溶性有机溶剂，常温时可自干，不与其他粘结剂相互反应，不与膨润土-CMC增稠，对涂刷性有一定好处。

聚乙烯醇4％-7％：聚乙烯醇是水溶性聚合物，有较高强度，发气量低，与钠基膨润***用，可获得良好的快干性和涂刷性。用于铸造粘结剂的聚乙烯醇牌号PVA17-88如下表所示

表1 PVA178-88粘结剂的性能指标

液体载体及辅助物的选定

采用适量水作载液，磷碳酸三丁酯0.01％-0.02％：用于消泡剂。

五氯酚钠0.02％-0.04％：防腐杀菌剂。

实施例2：按如下方法制备消失模铸造铝硅合金环保涂料：

(A)按如下重量份配比称取原料组分：耐火基材100份，钠基膨润土6份，CMC 0.6份，硅溶胶3份和JFC 0.03份，聚醋酸乙烯5份，聚乙稀醇7份，磷酸三丁酯0.02份，五氯酚钠0.04份，20份除氢剂；

(B)将耐火基材，钠基膨润土和除氢剂研磨混合过过200目筛；本实施例中所述除氢剂由CuO和可膨胀石墨粉按质量比为1:6混合获得。所述耐火基材由硅藻土35份，云母粉65份组成。

(C)向100重量份水中加入CMC，硅溶胶，JFC，聚醋酸乙烯和聚乙烯醇，加热至90℃，充分搅拌溶解后加入磷酸三丁酯和五氯酚钠，搅拌均匀后室温自然冷却得基础液；

(D)将耐火基材和钠基膨润土以及除氢剂加入基础液中，充分搅拌均匀后即得完全涂料。

实施例3：按如下方法制备消失模铸造铝硅合金环保涂料：

(A)按如下重量份配比称取原料组分：耐火基材100份，钠基膨润土4份，CMC 0.5份，硅溶胶2.5份和JFC 0.03份，聚醋酸乙烯4份，聚乙稀醇5.5份，磷酸三丁酯0.015份，五氯酚钠0.03份，10份除氢剂；

(B)将耐火基材，钠基膨润土和除氢剂研磨混合过过200目筛；本实施例中所述除氢剂由CuO和可膨胀石墨粉按质量比为1:4混合获得。所述耐火基材由硅藻土33份，云母粉67份组成。

(C)向75重量份水中加入CMC，硅溶胶，JFC，聚醋酸乙烯和聚乙烯醇，加热至90℃，充分搅拌溶解后加入磷酸三丁酯和五氯酚钠，搅拌均匀后室温自然冷却得基础液；

(D)将耐火基材和钠基膨润土以及除氢剂加入基础液中，充分搅拌均匀后即得完全涂料。

对照实施例1：其余均与实施例3相同，不同之处在于不加入氧化铜粉末，除氢剂完全由可膨胀石墨粉组成。

以CuO和可膨胀石墨粉的质量比例作为变量，采用实施例3中的涂料配比体系研究除氢剂对于氢针孔的消除效果，针孔缺陷的检测标准采用《ISO10049-1992》进行，铸造铝合金的针孔等级描述如下：

表1针孔等级评判标准

测定结果如表2所示：

表2除氢剂配比对于铸件针孔和透气性的影响

表2结果表明，随着除氢剂中可膨胀石墨比例的增高，涂料的透气性随之增加，但铸件中的针孔并没有随透气性的增加而逐渐降低或消失，当涂料中可膨胀石墨较少时，显气孔率较小，涂料的透气性能较差，铝合金熔体中析出的氢气及其他分解气体均不能有效穿过涂料层，因此烧结涂料层中的CuO也无法充分接触氢气并反应消除氢气，因此氢气存留于铝合金中形成针孔或夹渣孔，而当膨胀石墨比例升高后，虽然透气性能提高，但涂料中的CuO含量降低，不能有效除去铝合金熔体中的氢气因此针孔等级较差，且可膨胀石墨比例过高虽然透气性能升高，但容易产生针刺缺陷、夹渣等缺陷。当CuO与可膨胀石墨在1:1～1:6之间时，浇铸过程中不仅可以提高气体的逸出效率，还能够动态的消除氢气，使得铝合金熔体中的氢气加快析出，通过CuO和氢气反应不断消耗氢气，使铝合金完全凝固前析出绝大多数氢气，最终降低了铸件针孔的发生。

以除氢剂的重量份作为变量，采用实施例3中的涂料配比体系研究涂料透气率，针孔缺陷并观察铸件外表面质量结果如下：

表3除氢剂用量对铸件质量及涂料透气性的影响

表3结果表明，当除氢剂用量过低时，由于可膨胀石墨较少导致烧结涂料层中的疏松结构较少，涂料的透气性能较差，使得气体无法外排，导致气孔或针孔较多，而除氢剂用量过高时，虽然可以有效消除针孔缺陷，但是可膨胀石墨受热膨胀形成过多的多孔结构，透气性过高导致铸件外表面出现针刺，夹渣现象，外表面质量较差。另外过多的膨胀石墨也会导致涂层的烧结后强度大幅降低。

表4实施例3制备的涂料的各项理化指标

综上所述，本发明中可膨胀石墨加热膨胀后可将涂料透气性维持在适当位置，便于氢气和其他分解气体逸出，防止夹渣孔的形成，同时氢气在通过涂料层时，氧化铜可以在高温下与铝合金中析出的氢气反应生成水和单质铜，有效消除氢针孔的形成。适当的透气性可以有效防止透气性过高导致铝合金铸件表面易产生针刺、粘砂、节瘤等缺陷。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种消失模铸造铝硅合金环保涂料，其特征在于，由如下重量份的组分制备而成：耐火基材100份，钠基膨润土2~6份，CMC 0.4~0.6份，硅溶胶2-3份和JFC 0.03份，聚醋酸乙烯3~5份，聚乙稀醇4~7份，磷酸三丁酯0.01~0.02份，五氯酚钠0.02~0.04份，适量水，5~20份除氢剂；所述除氢剂由CuO和可膨胀石墨粉混合而成；所述CuO与可膨胀石墨的质量比为1:1~6；所述耐火基材由硅藻土30~35wt%，云母粉65~70wt%组成。

2.一种如权利要求1中所述消失模铸造铝硅合金环保涂料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：

（A）按配料比称取原料组分，将耐火基材，钠基膨润土和除氢剂研磨混合过过200目筛；

（B）向50~100重量份水中加入CMC，硅溶胶，JFC，聚醋酸乙烯和聚乙烯醇，加热至90℃，充分搅拌溶解后加入磷酸三丁酯和五氯酚钠，搅拌均匀后室温自然冷却得基础液；

（C）将耐火基材和钠基膨润土以及除氢剂加入基础液中，充分搅拌均匀后即得完全涂料。