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镁合金金属型铸造涂料的研究

2014-11-20柳庆奇王承志刘凤国

铸造设备与工艺 2014年3期
关键词:水玻璃膨润土镁合金

柳庆奇,孙 季,王承志,刘凤国

(1丹东恒阳内燃机配件有限公司,辽宁丹东 11830;2.沈阳理工大学,辽宁沈阳 110159;3.烟台南山学院,山东 烟台 265713)

镁合金是最轻的结构合金,而且其性能优良,因此在生产实际中得到广泛应用。镁合金可代替钢铁和铝材料,减轻结构的质量,在航天、航空、电子、通讯以及交通运输等行业具有广泛的应用价值[1-2]。金属型铸造是镁合金的重要成型方法之一[3]。在金属型镁合金铸造中涂料起着重要作用,可以延长金属型的使用寿命、改善铸件表面性能及充型条件,扩大其使用范围[4-6]。

2 试验方法

涂料的主要组成

1)耐火骨料:金属型涂料的主要组成部分是耐火骨料,其热膨胀系数与发气量将影响铸件的质量;耐火骨料的颗粒形状与粒度尺寸对涂料的表面强度起着重要作用[7]。本试验选用硅藻土与镁砂粉作为耐火材料。硅藻土微观形貌(如图1)呈形状不规则的片状,显然是蜂窝或管状型硅藻土经加工破碎后的形貌。

2)悬浮剂:悬浮剂的主要作用是保证耐火骨料均匀地分散在悬浮剂中,保证涂料的各部位均具有相同的耐火度、强度等特性[8-9]。在研制水基涂料时,常采用膨润土与羧甲基纤维素钠(CMC)搭配使用,本实验选用钠基膨润土与CMC作为复合悬浮剂进行配合使用。

3)黏结剂:黏结剂是将涂料的组成部分粘接成具有一定强度的组合体,并保证涂料附着在金属型上。金属型浇注时金属液对模具冲击作用很大,要求涂层有足够的强度,本涂料选用两种无机黏结剂配合使用,分别为水玻璃、六偏磷酸钠(磷盐)。

4)载液:载液是涂料的主要组成部分,耐火骨料、悬浮剂和黏结剂均需均匀分散在其中。有多种载液可供选择,由于水载液容易使耐火粉料悬浮,可使涂料较易获得良好的触变性,而且安全可靠、无毒无味、价格最便宜,因而最为常用。因此本实验选用水作为载液。

图1 硅藻土形貌

5)阻燃剂:镁合金金属型铸造涂料应加入阻燃剂,因阻燃剂会在镁合金液体表面形成一层保护膜,阻止氧化反应和燃烧。

3 性能测试

金属型镁合金铸造涂料主要组成与其它铸造方法涂料基本相同,但对性能要求较高。除了要具备基本的铸造涂料性能要求外,对金属型铸造涂料的悬浮性、触变性、强度、pH、密度、黏度、流平性、抗滴淌性、阻燃性也有一定的性能要求。

涂料的性能检测,主要包括涂层强度、密度和悬浮性。涂层强度的检测方法为:在玻璃板上打三个点取平均值作为最后的强度值。密度测量选用量筒法:将搅拌均匀的涂料倒入60 ml的量筒中,分别称量出装有涂料前后量筒的总质量;悬浮性测定选用静置法:将120 ml涂料搅拌均匀,之后倒入150 ml的量筒中,静置20 h后,观察量筒内分层情况[10],悬浊液在量筒中的百分比即为该涂料的悬浮性。

4 原材料的预处理

实验过程中实验原材料不能直接混在一起,需要对骨料及各助剂进行预处理。耐火骨料须烘干处理,膨润土与CMC需配制成膨润土浆与水溶液,将两种黏结剂混合配置成为复合黏结剂再使用。

耐火骨料使用前,在烘箱中进行50℃、5 h的烘干处理;膨润土浆采用钠基膨润土与水按1∶9比例配制;CMC与水按1∶49比例充分搅拌(约1.5 h)配制成水溶液,放置12 h;复合黏结剂制做时,在六偏磷酸钠(磷盐)中加入适量的水,制成水溶性黏结剂溶液后将水玻璃倒入溶液中,用电磁搅拌器搅拌均匀后方可使用。

5 涂料各组分含量及涂料配制方法

确定涂料各个组分的含量:骨料中镁砂粉与硅藻土的比例为9∶1,膨润土在涂料中占骨料的质量分数为3%,CMC在涂料中占骨料的质量分数为3%,水玻璃在涂料中占骨料的质量分数为6%,磷盐在涂料中占骨料的质量分数为6%,加水量为在涂料中骨料质量分数的110%.

涂料的配制方法为:先将膨润土与CMC搅匀,再将骨料加入悬浮剂中,磷盐用质量分数为骨料110%的水来融化制成溶液,再将水玻璃加入溶液之中配成复合黏结剂,将骨料与悬浮剂搅匀之后,最后加入黏结剂溶液,用搅拌器搅拌1.5 h混合均匀即可使用。

6 正交试验

悬浮性、涂层强度、黏度、密度是铸造涂料的基本性能,主要影响因素有悬浮剂与黏结剂,其配比尤为重要。根据耐火骨料的配方,进行正交试验时,需要确定钠基膨润土、CMC、水玻璃、磷盐等组分的含量后便可确定出最佳配方,因此正交试验采用4因素3水平方案进行。选用正交表L9(34),共进行9次试验,对各组涂料的强度、悬浮性、黏度、密度、pH等性能进行测试。表1为正交因素水平表。

表1 正交试验因素水平表(质量分数%)

正交结果:根据因素水平表L9(34),进行了9次试验,表2为正交试验方案及测试结果。其中正交序号中的A、B、C、D代表原材料种类,字母左下角的数字1、2、3各代表每类原材料的水平。

正交结果分析:因素A、B、C、D分别有三个水平,每一因素在同一列中试验了3次,用各因素的同一水平试验结果的平均值,得出了K1、K2、K3.每列中的K1、K2、K3的最大值减去最小值就是极差并记作R.极差R代表每一因素对涂料性能的影响因素,根据金属型涂料的性能要求确定各原材料的加入量。做出性能正交试验分析表与极差分析表,正交试验分析表和极差分析表分别示于表3和表4.

差值越大,代表该因素对性能的影响越大。由表4可知,对强度的因素影响顺序为:CMC>膨润土>磷盐>水玻璃、对涂料黏度的因素影响顺序为:膨润土>CMC>水玻璃>磷盐。

表2 正交试验结果

表3 正交实验分析表

表4 极差分析表

选定最佳结果:通过正交试验与极差分析,在不考虑因素之间的交互作用下,各因素的水平确定与试验指标有关,指标符合要求较好,本实验选择各项性能指标最大的水平。强度值最大水平为:A1B3C3D3;悬浮性值最大的水平为:A3B2C1D3;黏度值的最大水平为A2B2C3D1.但考虑到各自的综合水平,A3B2C1D3的悬浮率虽然最高但其强度只有120.12,而黏度最大的A2B2C3D1其强度只有96.48,而涂料要求放置24 h后其悬浮率要在95%以上,综合三个最好的配方确定A1B3C3D3为最佳配方可用于实际生产。

表5 镁合金金属型涂料最佳配方(质量分数,%)

采用此配方得到的涂料性能特性如表6.

表6 最佳涂料配方性能

7 试验验证

1)性能:用实验制作出的涂料进行性能测试,膨润土与羧甲基纤维素钠(CMC)配合可以保证涂料悬浮性能稳定,流动性能良好,水玻璃与六偏磷酸钠(磷盐)混合而成的复合黏结剂可以保证涂料涂挂性能强、抗摩擦强度高、透气性良好。

2)生产验证:采用合金牌号为ZMgRE2ZnZr的镁合金进行熔炼,熔炼温度为700℃.在压力为10 MPa的氩气保护下,进行镁锭溶化,然后加入金属Ca,起到阻燃作用。浇注前10 min放入C2Cl6精炼镁合金。静止后进行浇注实验,得到了合格的镁合金拉伸试样铸件见图2.铸件表面质量光滑良好。

图2 镁合金拉伸试样铸件

8 结 论

研究得到了一种主要成分以镁砂和硅藻土(比例6∶4)为骨料并加入少量的膨润土、CMC、水玻璃、磷盐和水的镁合金金属型涂料最佳配方,通过对涂料性能测试和镁合金金属型铸造生产实验验证,证明该涂料适用于镁合金金属型铸造。

[1]刘英,李元元,张亮.镁合金的研究进展和应用前景[J].轻金属,2010(8):56-61.

[2]高崧,屈伟平.镁合金的特点及应用现状[J].铝镁通讯,2010(1):41-44.

[3]郭广思,于海峰,董晨阳.六偏磷酸钠对镁合金金属型涂料性能的影响[J].特种铸造及有色合金,2014(3):240.

[4]李传栻.铸造工程师手册[M].北京:机械工业出版社,2010.

[5]李远才.铸造涂料及其应用[M].北京:机械工业出版社,2007.

[6]李远才,王文清.铸造涂料与铸件表面质量(上)[J].现代铸铁,2000(4):9-12.

[7]郭广思,贾伟涛.消失模铸钢水基涂料的研制[J].特种铸造及有色合金,2011(6):553-555.

[8]邓刚,朱能山.铸造涂料性能与应用[J].铸造工程,2004(1):16-19.

[9]G.H.Kucan.Incorporating Permeability into Lost Foam Casting Control[J].AFSTransaetion,1996(104):565-569.

[10]杨振.镁合金消失模铸造涂料的研究[D].沈阳:沈阳理工大学,2013:22-30.

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