脱模剂在铝合金压铸中的应用与研究进展

张正贵,陈昊男,朱万波,肖铁

(沈阳大学 机械工程学院 材料科学系,辽宁 沈阳 110044)

我国从20世纪40年代开始在工业上应用压力铸造技术,在50年代得到大量应用,这得益于压铸机的进步,当时从国外引进了各种压铸机,将压铸件大批量的应用于汽车、电工和仪表行业中,从此压铸工艺得到迅速发展,至20世纪80年代,我国的压铸技术已达到相当水平[1]。压铸件几乎涉及所有工业门类,随着应用范围的不断扩大,压铸件产量增长非常迅速,对压铸件形状的要求也日趋复杂。而脱模剂是获得高质量压铸件的关键要素之一,为了能使压铸件顺利成型出模,压铸前将脱模剂涂覆在压铸机型腔和压室表面,使压铸件顺利的从模具中取出,并保证产品的完整性和后加工性。压铸件产品大多缺陷跟脱模剂的使用有关,其选择与涂覆方法不当直接或间接影响压铸件产品质量[2]。目前压铸生产中绝大多数用的是水基脱模剂,而油基脱模剂逐步被淘汰,粉状脱模剂虽然性能优异但是成本过高,国外主要将其应用于真空压铸[3],国内对其研究不多[4]。

近年来,随着压铸技术的发展,对脱模剂的质量要求也越来越高。本文论述了各类压铸脱模剂的优缺点及发展进程,其中主要对水基脱模剂的研究及生产进展情况进行了较详尽的论述。

1 压铸脱模剂的分类与组成

压铸脱模剂按其性能特点可分为油基、粉基和水基脱模剂。从最初的油基脱模剂发展到水基脱模剂,再到粉状脱模剂经历了相当长的过程。油基脱模剂的基本组成成分为油和石墨,润滑性好,能够满足当时的生产需要,但使用时烟雾大,污染环境,危害工人健康,同时也存在火灾方面的隐患,现在已逐渐被淘汰。粉基脱模剂主要是以蜡为原料,附着在压室及型腔表面,因模具温度而使其溶化,产生润滑作用[5]。基本组成成分有锆英石、云母、滑石粉和石墨、微晶蜡等。水基脱模剂的基本组成一般来说主要由主体材料和辅助材料。主体材料由起润滑作用的油脂类物质构成,主要起脱模和润滑等作用。乳化剂的作用是通过降低溶剂表面张力,进而产生乳化等作用,也就是使主体材料在连续的水相形成细小的颗粒粒状,以弥散状分布,形成稳定的乳化液。乳化剂分为阴离子型、阳离子型、非离子型乳化剂等类型。添加剂主要起防腐、稳定乳化剂等作用。水基脱模剂在使用时一般用水稀释成几十倍至上百倍的水溶液,含水量可达到90%以上。

2 压铸脱模剂的研究应用进展

在20世纪70年代前,我国压铸涂料主要使用油基脱模剂,主要成分为油和石墨。油基脱模剂润滑性能良好,能够满足当时压铸生产的需要。但在使用时,烟雾大,环境污染严重,危害压铸工人的身体健康,同时也有火灾方面的隐患。水基脱模剂,国外在20世纪60年代被引入,尽管一开始对水基脱模剂有所偏见,主要是认为水基脱模剂的冷却作用会导致模具的热裂和铸件的开裂[6]。水基脱模剂的冷却能力较强,会导致模具冷、热变化幅度大,对模具会产生热冲击,致使压铸模产生热裂、龟裂等,但也有研究表明,影响压铸模具开裂原因有很多,水基脱模剂不是造成压铸模具开裂的主要因素,模具采用不当的热处理工艺以及其在高温下长期工作产生的热疲劳,对模具开裂的影响比水基脱模剂更大。而水基脱模剂由于对模具具有冷却作用,有助于降低模具表面的温度,对模具也有利,但对这一问题尚没有详尽的试验数据支持,从国内外大量的脱模剂应用情况来看,水基脱模剂不是模具开裂的原因[7]。

直到20世纪70年代后期,水基脱模剂以它优异的使用性能,得到认可,很快取代了油基脱模剂,到80年代中期,水基脱模剂在美国、西欧、日本的使用达到95%以上。我国压铸工作者也于20世纪70年代开始注意到压铸脱模剂的问题,并在 80 年代初开始了水基脱模剂的研制工作,不久就进入批量生产,应用于国内压铸企业[8-12]。水基脱模剂的使用是压铸涂料的一大进步,用水作载体消除了燃烧性危害,有助于获得一个清洁的工作环境,提高了生产效率和压铸件产品质量。水基脱模剂喷涂在模具表面后,会在模具表面形成微米的薄膜,对模具和压铸件起到隔离作用。其明显优点就是便于实现喷涂自动化、对模具具有较好的冷却效果、模具表面涂覆均匀、压铸件表面质量好、内部缺陷少、降低环境污染等。20世纪70年代,在压铸生产工艺的控制方面取得了显著的发展,如温度控制与压射控制,与此同时自动喷涂设备得到发展。由于设备的自动化,迫使不同铸型使用同一种涂料,要求涂料应具有悬浮稳定性、较好的耐腐蚀性和抗菌性。另外,在200～400 ℃温度下,脱模剂也具有较好的润湿性和涂覆性。当时普遍认为由于铸型温度过高,涂料润湿性不好,是由于高温下涂料形成的蒸汽阻挡层,涂料的成分影响涂料的润湿温度。20世纪80年代对涂料的要求又增加了环境保护的要求,控制有害物质的辐射以提高现场操作人员的安全和健康状况。但控制废物的产生是有一定难度的,国外在这方面已经有了相关标准,规定了碳酸、油和脂类的最低指标,在我国还没有引起足够的重视。在上世纪90年代,开始考虑研究新型压铸涂料,对涂料热润湿性和喷涂性能进行改进,以及对铸件表面质量等。柳松青[13]采用白垩粉、石棉粉、石墨粉、二氧化钛和氧化锌。其中白垩粉和石棉粉导热系数小,主要起保温作用。石墨粉主要起润滑作用。二氧化钛和氧化锌主要起表面光洁作用,能够获得表面光洁的压铸件。利用水玻璃作为粘结剂,通过其与空气中二氧化碳产生化学反应生成硅酸凝胶而产生粘结作用。稀释剂采用水作稀释剂,起稀释作用。选用微型汽车上压铸件进行生产试验,取得较好效果。祝辉等[14]在筛选原材料的基础上,通过优化组分之间的配比,得出的配方(质量分数)为:某牌号机械油为25%、脂类化合物为12.5%、羊毛脂为3.3%、Span80为1.6%、OP-10为 3.2%、黄原胶为0.2%、防腐剂为0.3%、防氧化剂为0.2%、消泡剂为 0.3%、水为53.4%。采用转相乳化法制备脱模剂,得到的脱模剂稳定性高、高温润湿性和成膜性良好。在压铸生产中,以1∶90的比例稀释脱模剂,仍然具有很好的脱模效果。陈财康等[15]选用聚乙烯蜡、二甲基硅油作主体材料,通过复合乳化剂进行乳化,得到了性能稳定,具有良好脱模效果的水基脱模剂,其性能与国外进口脱模剂的水平相当,其价格只是进口产品的一半左右,而且产品生产周期短,提高了经济效益。文家新等[16]以白油、废机油和二甲基硅油为基础原料,选取 Span80和OP-10的组合作为复合乳化剂,配制了一种铝合金压铸用水基脱模剂,该脱模剂具有良好的稳定性和高温成膜性,对铝合金无腐蚀,且将废机油加以利用,变废为宝,具有环境友好型的特点。

朱纯熙等[17]提出压铸模乳液涂料的润滑机理在于它的润滑剂大部分受热分解而释出气体,在整个压铸过程中,在模具型腔和金属间形成持久而又适度的气隙,润滑层由释放出的气体和残留的润滑剂所构成,所以润滑剂的发气特性和高温摩擦因数是控制乳液涂料的关键性能。在压铸件生产开始时起主导作用高温摩擦因数,随后气体润滑对整个压铸过程起着控制作用。对于大型铝合金和镁合金压铸件而言,在脱模剂中加入耐热性高的成分,这样在每个压铸件生产周期里,能够稳定连续地释放出气体。生产中采用喷射工艺方法,脱模后的压铸模具及压铸件表面光洁。该脱模剂稳定性好,且无毒无害,脱模剂主体材料有矿物油、合成油脂、石蜡、硅油,辅助材料有乳化剂、添加剂、防腐剂、防锈剂。戴挺等[18]提出了一种新型的脱模剂喷涂工艺-脉冲喷涂,通过对脉冲喷涂和传统的连续喷涂进行了初步对比分析,并在压铸生产中进行实效验证,实验的结果表明了脉冲喷涂可以使模具内温度梯度变小,这对降低热应力有利,减少热疲劳产生开裂的倾向,进而延长模具的使用寿命,同时还可减少脱模剂的喷涂量,有利于改善压铸件的表面质量。性能良好的脱模剂一般选用几十种原料制备,其中关键组分的配比稍微改变,就可以显著改变脱模剂的性能。古川雄一等[19]发明的脱模剂,是通过将脱模剂施加在压铸金属模具表面上,使得脱模剂中的还原性的有机酸或有机酸盐与模具表面的成分发生反应以将模具表面上的Fe2O3脱氧成Fe3O4。王进兴等[20]发明了一种环保型压铸脱模剂,其组分的重量百分比为：改性植物油酯30%～45%；乳化剂8%～40%；防腐剂0.3%～2%；抗氧剂0.5%～2%；乙醇2%～5%；三乙醇胺1%～3%；其余为去离子水。该压铸脱模剂不仅具有优良的脱模效果,而且大幅降低了对环境的污染,并节约了石油类不可再生资源产品的使用。李磊等[21]发明了一种金属模脱模剂,按质量百分比的组成为：云母粉5%～15%；硅溶胶7%～15%；珍珠岩粉末20%～35%；吐温2%～5%；油酸钠1%～2%；十八醇0.2%～0.5%；杀菌防腐剂0.1%～0.2%；余量为水。能有效地改善压铸件的表面质量,并使压铸件从模具中快速、完整脱出,不产生任何环境污染。黄宇剑等[22]发明公开了一种水基铝合金压铸脱模剂,由以下质量比的组分组成：100～150份改性有机硅油、10～20份氧化聚乙烯蜡、10～15份异构十醇聚氧乙烯醚、8～10份长链脂肪醇聚氧乙烯醚、10～15份吐温、500～800份去离子水。发明制备的水基脱模剂用于铝合金等压铸件生产,有效地改善铸件的产品质量。

粉基脱模剂主要以蜡为基础材料,由于模具是在高温下工作的,当将粉基脱模剂涂装在压室及模具型腔表面时,脱模剂发生熔化而吸附在型腔表面上而起到润滑作用。粉基脱模剂的成本比较高,国外主要将其应用在真空压铸方面,尤其是在2000 年以后,随着高真空压铸生产工艺与技术的快速发展及应用,促使粉基脱模剂的开发与研究取得了进展,而我国在真空压铸生产工艺与技术方面的研发与开发应用很少,所以对粉基脱模剂的研究也相对较少[23]。粉基脱模剂对压铸件的产品质量、压铸生产效率以及改善压铸生产环境等方面都有明显的进步,利用粉状脱模剂,可以使压铸产品的竞争优势更多。采用粉基脱模剂必须要采用真空装置,并对压铸机的压室结构进行改进,以便于粉末状脱模剂涂装到压室和压铸模型腔的表面。压铸模具需要开设水冷却系统,通过水冷控制模具温度。其次,压铸件生产工艺须与所喷的粉基脱模剂相配合,对压铸机操作人员需要进行相关培训,以保证压铸生产能够连续作业。每周须对真空管路进行清理疏通,并保证压铸工艺与脱模剂的配合调整至最佳状态。端木佳杰[24]发明了一种粉状脱模剂。发明的粉状脱模剂,按重量份计,包括如下组分：30～50份的滑石粉、10～20份的火山灰、10～20份的膨润土、1～5份的黑刚玉、1～5份的聚四氟乙烯、5～10份的钛白粉、1～5份的氮化硅粉、10～20份的氧化聚乙烯蜡和5～10份的磷酸二氢铝。发明的粉状脱模剂,具有良好的润滑性和脱模性能,抗冲刷性能好,压铸后的铸件与模具分离时脱模容易,并且脱模后铸件表面的光洁度高,延长了模具的寿命,减少了环境污染。当前,粉基脱模剂的研究处在不断发展中,国内压铸厂家少有粉基脱模剂应用实例,粉基脱模剂有相当大的发展潜力。

3 展望

我国是工业大国,各行各业蓬勃发展,随着汽车、计算机以及风电等行业的日益发展,极大的促进了压铸行业的发展,对压铸件质量的要求也越来越高,同时对水基脱模剂的品质也有了更高的要求,这又促使压铸水基脱模剂的进步。目前,我国压铸脱模剂市场主要被国际知名品牌垄断,他们在我国相继建立了生产与研究基地。我国虽然涌现大量的脱模剂生产厂家,但多是低端产品,竞相采取价格战抢占市场。进口脱模剂的各项性能指标好,乳化效果好,无油水分离现象,铸件表面质量好,但价格高。国内生产的脱模剂,虽然脱模性能也很好,但乳化效果不理想,稳定性差,长时间储存会有油水分离现象,不过成本低,性价比高。目前,我国对水基脱模剂的研究还比较分散,没有成体系,产品质量同进口脱模剂产品还有一定的差距,性能不够稳定等问题,国内有一定规模的压铸企业都使用进口脱模剂产品[25]。

近些年来,随着压铸技术的进步与应用的不断扩大,对脱模剂的质量要求随之提高,对脱模剂的专利申请逐渐增多,不过还有很多技术上的问题需要亟待解决。面对压铸件的大型化、复杂化,为满足压铸行业的多样化需求,切实解决水基脱模剂能够适用不同合金压铸件的问题,未来水基脱模剂将会针对不同要求,向系列化、专业化方向发展。针对不同的压铸合金材料,压铸生产工艺会有所不同,所选用的水基脱模剂也会有所差异,能够适用于不同合金压铸的水基脱模剂应是今后脱模剂研究的重要方向。在主体材料和辅助材料的选择方面,尤其是在乳液乳化技术的创新方面,将是水基脱模剂研究中的关键性问题。目前我国研究的水基脱模剂,主体材料的选用了不同的材料,其中,改性硅油的应用是目前比较热门且被业内专家看好的一种,且取得了重要的研究进展,为未来水基脱模剂中基础油的研究奠定了重要的基础。另外,水基脱模剂乳液的乳化效果直接影响着脱模剂的稳定性,这也促使研制一种高效、稳定的乳化剂,能够保证水基脱模剂的长期储存。乳化技术的改进是水基脱模剂未来研究的又一重点[26]。