砂型水基石墨涂料在离心铸管生产中的应用

（安钢集团永通球墨铸铁管有限责任公司，河南 安阳 455133）

铸管承口内腔形状和尺寸是靠承口砂芯形成的，离心铸管生产工艺要求砂型具有良好的尺寸精度、较好的抗粘砂性能、较高的强度。其砂型尺寸精度和抗粘砂性能直接影响离心铸管浇注承口质量。砂型工作表面涂层厚度与铸管承口内腔尺寸大小有关，涂层厚铸管承口内腔尺寸大，超公差后成为废管；涂层薄，铸管承口内腔尺寸小，精整打磨工作量增加；砂型涂层工作表面要承受高温高压铁液的冲刷与侵蚀作用，铁液可能透过涂层渗入砂芯，致使铸管内表面出现粘砂缺陷，粘砂缺陷将破坏密封性能，增加精整打磨工作量。永通铸管公司为解决生产过程中存在的上述问题，对砂型水基石墨涂料和涂刷工艺进行了探索，经过大量的DN80-300 砂型试验，解决了上述问题，减少了铸管粘砂缺陷，保证了铸管承口加工精度，降低了打磨工序成本，提高了产品质量，带来了良好的社会效益和经济效益。

1 问题的提出

1.1 砂型要求

铸管砂型形状见图1，铸管承口形状见图2，砂型见图3，铸管承口见图4.

铸管生产用承口砂型在生产中起决定性的作用，砂型芯既要保证铸管承口成型，又要承受离心机在高速旋转过程中的离心力，以及铁水的冲击力与侵蚀。根据生产统计，DN80-300 砂型约有2%的废品率是由离心铸造过程中碎芯造成的。铸管承口各型面尺寸公差都在毫米级别，要求承口砂芯在制芯结束和刷涂结束后都要有足够的加工精度，因此承口砂芯既要保证成型面尺寸精度，又要具有一定的强度。

图1 铸管砂型形状

图2 铸管承口形状

图3 砂型

图4 铸管承口

2.2 涂敷方式要求

使用DN80-300 mm 制芯中心后，以DN100 mm砂芯为例，生产方式由一模两芯提高到一模四芯，生产效率由80 个/h 提高到220 个/h，效率提升3倍，原人工刷涂速度与质量与制芯效率不能匹配，远不能满足制芯中心生产需要，为了满足生产，对刷涂、流涂、浸涂三种方式进行对比，刷涂方式速度慢，赶不上生产节拍；流涂方式需旋转砂芯，工作效率低，涂料飞溅严重，涂层不均匀；浸涂方式浸涂时间短，涂层均匀，节约涂料，能满足生产节拍，据现场需要，选择浸涂方式。

2.3 生产中存在的问题

铸管生产过程中因砂芯涂料问题易造成的缺陷见表1，砂芯工作面t、t4、d2、d3、d5、d6 位置见图2.

t 为铸管承口端面，t4 为铸管密封槽工作面、d2、d5 为铸管密封胶圈工作面、d3、d6 为铸管安装配合工作面。

表1 砂芯及铸件缺陷

随着砂芯生产效率的提高和涂刷方式的改变，如何完善浸涂砂芯的涂层质量是急需解决的问题。

3 现场工艺对涂料的要求

3.1 浸涂过程

取芯浸涂机器人将砂芯从模具上将砂芯取下，在浸涂池内浸涂，甩涂料三次，然后将砂芯倒放在工作台上，机器人夹具从砂芯的另一面夹取砂芯，将砂芯大端面向下放置在烘干炉的托盘上面。

整个浸涂过程涂料流动方向如图5 所示，小端面先与涂料池中的涂料接触，随着夹具的下沉，由下而上完成浸涂工序，为了减少机器人移动过程中的滴撒，设计机器人甩涂料动作，此时涂料由大端面流到小端面；在翻转工位，机器人夹具实现砂芯的翻转，此时残余的涂料又由小端面到大端面。

由于离心浇注的特殊性，以及水基涂料的渗透性问题，还未有水基涂料离心铸管行业应用，针对目前的现状，根据水基涂料的特性，试验其在机器人浸涂方式中的使用。

3.2 离心铸造对水基涂料的要求

制芯生产过程效率高，以DN100 芯盒为例，每小时生产55 模220 个砂芯，平均1 min 就要在浸涂池浸涂一次，每次浸涂四个砂芯，这就要求涂料在浸涂池内具有极好的悬浮性能；

图5 砂芯浸涂、翻转、放置过程

在浸涂过程中，为了形成均匀的涂层就要求涂料具有优异的浸涂流变性能，形成的涂层均匀，涂层厚度有保障，为减少粘砂现象湿态涂层平均厚度要求300 μm～400 μm.

浸涂结束后，随着砂芯翻转，涂料受重力作用向下流动，因此要求整个涂层光滑、平整，无滴流、堆积。

放置在芯盘上的砂芯随着运输链进入烘干炉，在经过烘干炉烘干后要求涂层常温强度高，不起皮，无裂纹。

4 试验过程

4.1 砂型制造原材料要求及配比

为了保证试验过程的准确性，采用表2 所示原材料及配比。

砂型使用40～100 目（占比95%以上）的型砂进行制芯，双组份树脂（酚醛树脂、聚异氰酸脂）粘结剂按照1：1，总配比占混砂重量的1.0%～1.1%，固化剂三乙胺按照15 ml～20 ml 配加。

表3 水基涂料技术指标

4.2 涂料指标对比

水基涂料一般由占70%～80%石墨、铝硅酸盐，占20%左右的粘结剂、悬浮剂和其他助剂组成，砂型表面涂敷涂料过程中的悬浮性、流平性、渗透性及高温浇注过程中的耐火度、发气量是其主要指标。

在试验过程中对国内3 个厂家的水基涂料悬浮性、耐火度、发气量指标进行对比，指标如表3.

根据试验结果，三种涂料的悬浮性、耐火度、发气量都能满足要求，根据浸涂工艺要求，需对水基石墨涂料的流平性和渗透性进一步试验，以选择最佳的涂料。

4.3 水基石墨涂料流平性

砂型浸涂涂料后，不允许表面有明显的流痕，面要光亮平整，不能有气孔、裂纹、流痕等缺陷也不允许出现涂层厚度不均匀，因此涂料要有良好流平性。

图6 三种水基涂料浸涂效果

表4 三种水基涂料流平性测试

表5 涂层厚度

如图6 和表4 所示，通过对三种涂料的流平性和渗透性数据进行比较，涂料3 的指标优于其他两个。

4.4 涂层厚度的确定

经过上述流平性和渗透性试验指标对比，选择涂料3 用于生产，为防止涂料使用过程中出现粘砂、粘铁等增加精整打磨量的缺陷，涂料3 按照不同配比进行试验，测试使用性能。

从表5 中可以看出涂层湿膜厚度达到0.285 mm～0.335 mm 时，铸管承口内腔表面光滑，仅有少量粘砂或不粘砂现象，没有出现因涂料原因报废，故将涂料的湿膜厚度确定在0.285 mm～0.315 mm 之间。为了方便现场控制涂料湿膜厚度，在生产过程通过调节水的加入量，用波美度比重计测量搅拌后的水基石墨涂料的波美度，将指标控制在35～40 之间。

5 结束语

根据离心铸管的特殊性，为保证铸管承口质量，提出了对砂型涂料的要求，选用砂型浸涂上涂料的方式，通过对水基涂料各项指标的试验研究，确定了波美度最佳指标为35～40，涂料湿膜厚度确定在0.285 mm～0.315 mm 之间，减少了涂层缺陷，防止铸管承口产生缺陷，大幅降低制造成本，大幅度降低铸件清理工作量，提高生产效率。