CN101602087A - 一种粉煤灰消失模铸铝涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉煤灰消失模铸铝涂料及其制备方法，制得的该涂料由耐火粉料、添加剂和载液组成，其中耐火粉料由粉煤灰、高铝矾土和滑石粉组成，添加剂由锂基膨润土、酚醛树脂、CMC、硅溶胶、PVA和消泡剂组成，载液为水。本发明制备的粉煤灰消失模铸铝涂料，经喷涂(或浸涂、刷涂)涂敷EPS模表面后，40～60℃加热烘干形成涂层。铸件浇注后涂层易于剥离，清砂容易。使用该涂料可获得铸件表面质量优良的效果。

Description

一种粉煤灰消失模铸铝涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及用粉煤灰代替高温耐火粉料制备铸铝涂料，特别涉及粉煤灰消失模铸造涂料的制备配方和制备方法。

背景技术

消失模铸造(EPC法)是将真空密封造型法与实型铸造进行工艺结合而形成的一种新的铸造工艺方法，具有其独特的优点，近年来该铸造工艺被广泛采用。消失模铸造是将EPS模涂敷涂料后埋入不含水分、粘结剂以及其他附加物的干砂中，经过震实台震动紧实，砂箱抽真空，在浇注时，砂箱保持一定负压的条件下浇注金属液，EPS模在金属液的作用下受热分解气化，金属液填充EPS模留下的型腔，冷却后形成铸件。

消失模铸造的工艺特点：

(1)简化工序，缩短生产周期，提高生产效率

消失模铸造省去了型芯盒和芯骨制备以及芯砂配制的工序；操作上又省去了取模、修型和配箱等许多工序。因此，缩短了生产周期，提高了生产效率。特别对单件、形状复杂的铸件，效果更显著。按目前的生产水平统计，一般可提高制模效率0.5-3倍，提高造型效率2-5倍。

(2)减轻劳动强度，改善了制模和造型工的操作环境

造型省去了脱模、修型和合箱等工序，减轻了劳动强度和改善了操作条件。而且该法在浇注时产生的废气可通过密闭管道排放到车间外进行净化处理，改善了生产环境。

(3)提高了铸件的尺寸精度

消失模铸造是整体造型，没有分型面，又省去了配箱、组芯等工序，避免了在普通铸造中因起模和配箱所导致的尺寸偏差，因而提高了铸件的尺寸精度，减少了机加工量。

(4)增加了零件的设计自由度

消失模铸造没有分型和取模的造型工艺，这样就减少了铸造工艺性要求，为铸件结构设计提供了充分的自由度。由于模样不需芯子，可使设计者精确的铸出复杂内腔，甚至多内腔的铸件，铸件壁也可以是曲面或变截面。

(5)铸件质量好、废品率低

造型后，铸型是一个整体的，没有分型面、不需取模，也不必考虑脱模斜度，所以杜绝了铸件的错箱和表面的飞边、毛刺等疵病。同时，还避免了像普通砂型铸造因造型操作不慎遗漏在铸型内的残砂所导致的砂眼缺陷。在设计铸件时可不考虑飞边、芯破裂、芯座和出砂问题。对铸件生产者来说没必要提供专用制芯、混砂、下芯、清砂工具，不会产生破芯、坏芯以及使用芯子形成的气孔或其它问题，内腔不用粘性砂还可减少铸件清理量，没有芯座、芯撑、芯骨、飞边等减少了铸件最后清理量。

(6)冒口设计方便，金属液利用率高

在砂型铸造中很难设置的球形暗冒口，而在消失模铸造中可以很方便的安置在任何位置；同时，由于容易在砂箱中将EPS模串联起来实行群铸，因而，大大节约浇注系统中的液态金属。

(7)工艺技术容易掌握，生产管理方便

消失模铸造简化了模样制作工艺，简化了造型操作和工艺装备，使工艺技术容易掌握和普及。同时，使用单一型料，不用对造型材料进行日常性能检查；也不存在模样的保管和大批沙箱的堆放问题，因而车间的生产管理工作大大简化。

(8)投资少，见效快

由于生产工序少，各道工序操作简便，使工艺装备的品种和数量大为减少。消失模铸造不用庞大的砂处理设备，用振动工作台代替了各种类型的造型设备，造型材料可以完全回收使用，因此，投资少。因本法工艺简单、技术易掌握，即使是十分复杂的铸件，一般制模工和造型工均可方便的制得。

在消失模铸造中，涂料起着很重要的作用，是决定铸件质量好坏的主要因素，没有涂敷涂料的EPS模是很难浇注成合格铸件的，因此消失模涂料是其工艺技术成功的关键之一。由于EPS模埋型后，被干砂型料密实的包覆，其与干砂接触界面上有许多的细小空隙，浇注金属液在真空抽力下渗入砂粒空隙，造成铸件表面针状凸起或者严重的黏砂，所以为了防止这种现象的发生，必须在模型上涂敷一层专有的涂料，即消失模涂料。

消失模铸造涂料的主要作用

(1)提高EPS模样的强度和刚度

涂料可以防止模样在运输、填砂振动时破坏或变形，起到加固模样的作用。

(2)隔离作用

涂料层是液态金属与干砂之间重要的隔离介质。涂层防止了金属液渗入干砂中，以保证得到表面光洁、无粘砂的铸件。同时，防止干砂流入金属液与EPS模的间隙中，避免造成铸型坍塌。

(3)透气作用

涂料层能使EPS模热分解的产物顺利地排逸到铸型中去，防止铸件产生气孔、炭黑缺陷等。

消失模铸造涂料基本要求

消失模涂料与一般的铸造涂料有很大的不同，其主要区别在于：

(1)由于消失模铸造是在真空下浇注涂料产生的气体较容易被吸走，要求涂料本身发气量不是很严格，而砂型铸造要求涂料发气量小；

(2)消失模涂料涂层要求具有很好的强度和刚度；

(3)消失模涂料涂层要求具有很好高温透气性；

(4)由于EPS模样不容易被浸润，要求涂料具有很高的浸润性，

目前，消失模铸铝涂料主要用石英粉、滑石粉、云母粉、刚玉、锆英粉、高铝矾土等耐火材料作为骨料，配制涂料。人们也在不断寻求各种新型耐火材料，如粉煤灰、硅线石涂料、叶腊石涂料、长石粉。在选择涂料骨料的种类时，主要依据耐火的性质及特点，如粉粒的尺寸和形状；密度；耐火度；热膨胀系数；与铸造金属及型砂的化学反应性；热传导率；气体含量；原材料的易得程度及价格；对人体健康有无危害、对环境污染程度等。

粉煤灰是火力发电厂煤粉燃烧后排放的固体废料，由于粉煤灰的化学组成、理化性质和矿物组成基本符合消失模铸造涂料对粉料的要求，可以配制涂料。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能够适应消失模铸造工艺铸铝件生产的粉煤灰消失模铸铝涂料及其制备方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种粉煤灰消失模铸铝涂料，其特征在于制得的该涂料由耐火粉料、添加剂和载液组成，其中：

耐火粉料由粉煤灰、高铝矾土和滑石粉组成，其质量百分比为：粉煤灰：60％，高铝矾土：25％，滑石粉：15％；

添加剂由锂基膨润土、酚醛树脂、CMC、硅溶胶、PVA和消泡剂组成，它们分别占耐火粉料的质量百分比为：锂基膨润土：2％，酚醛树脂：1.6％，CMC：0.6％，硅溶胶：3.5％，PVA：0.5％，消泡剂：0.2％；

载液为水，占耐火粉料的30％～40％。

上述粉煤灰消失模铸铝涂料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)原材料预处理：

锂基膨润土：用冷水溶胀，并调成膏状，水用量为锂基膨润土的8～15倍；

CMC：用冷水浸泡化开，制成胶体状且浓度为1％～2％的水溶液，浸泡时间在24h以上；

PVA：用热水浸泡化开，制成胶体状且浓度为1％～2％的水溶液，浸泡时间在24h以上；

2)混合搅拌、分散：

将称量好并预处理过的锂基膨润土、粉煤灰和高铝矾土粉料、滑石粉、酚醛树脂、硅溶胶、消泡剂、预处理过的CMC和PV A依次加入到搅拌机中，并加适量水进行混合、搅拌及分散，控制搅拌机的速度在600r/min～1000r/min之间，搅拌时间为2.0h～2.5h，使涂料混合均匀。

3)研磨均化：

将搅拌机中搅拌均匀的涂料送入胶体磨中研磨30min，并按涂料生产标准加入载液，调节涂料的密度和粘度，达到涂料生产标准要求；

4)包装：

将调整好密度和粘度的涂料装入到涂料专用桶中，密封，制得成品。

本发明制备的粉煤灰消失模铸铝涂料，经喷涂(或浸涂、刷涂)涂敷EPS模表面后，40～60℃加热烘干形成涂层。铸件浇注后涂层易于剥离，清砂容易。使用该涂料可获得铸件表面质量优良的效果。

附图说明

图1是粉煤灰消失模铸造涂料制备流程图；

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

1、粉煤灰消失模铸铝涂料骨料的可行性分析

(1)粉煤灰的化学组成

对粉煤灰的很多研究结果表明：粉煤灰的主要化学成分为SiO₂、Al₂O₃、CaO和Fe₂O₃等。我国电厂粉煤灰化学成分的变化范围如表1所示。

表1：粉煤灰的化学成分

成分	SiO2	Al2O3	CaO	Fe2O3	MgO	R2O	其它
								含量(％)	33.9-59.7	16.5-35.4	0.8-10.4	1.5-19.7	0.7-1.9	0.8-4	1.2-23.6

(2)粉煤灰的理化性质

粉煤灰是粉煤燃烧后由烟气自锅炉带出的粉状残留物，是煤炭中的灰分(主要为硅、铝、钙、铁等元素的无机矿物质)，在锅炉经历了分解、烧结、熔融及冷却等过程后形成的固体颗粒。粒径在0.001mm～0.1mm之间。粉煤灰是灰白色的粉状物，含水量大的粉煤灰呈黑色。粉煤灰的组成和性质是由原煤的成分、燃烧的条件和处理方法等因素决定的。经研究证明，我国粉煤灰的平均比重2.14g/cm³。

(3)粉煤灰的矿物组成

粉煤灰含有以硅铝为主的化学成分，矿物相包括大量的玻璃相和矿物晶相及各种结构类型。这主要是因为煤的种类和多种矿物杂质的存在。煤中的主要矿物包括硅酸盐、氧化物、碳酸盐、亚硫酸盐、硫酸盐、磷酸盐等。由于这些矿物的存在，在煤燃烧后而成为灰分。在灰分(粉煤灰)中，结晶相主要有石英、莫来石、云母、长石、赤铁矿和少量方解石、钙长石等组成。灰分就是这些无机化合物的混合物，没有固定的熔点，通常以其软化温度作为它的熔点。根据灰分的软化温度，灰分可分为以下三类：

①易熔灰分＜1200℃；

②可熔灰分1200℃～1350℃；

③难熔灰分＞1350℃。

(4)用作涂料骨料的可行性

通过对粉煤灰的理化性质、化学组成以及矿物组成的分析，结合对消失模铸铝涂料粉料的要求可以看出：

①在成分方面，铸铝涂料所用的粉料一般有石英粉、滑石粉、云母粉、刚玉、锆英粉等耐火材料。而这些耐火粉料的主要成分是SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、ZrO₂、Fe₂O₃等。从上面对粉煤灰的成分分析可以看出，其主要成分包括SiO₂、Al₂O₃、CaO、Fe₂O₃等，粉煤灰的成分与铸造涂料粉料的成分基本相符。因而在化学成分上符合要求。

②在物化性质方面，因为现在铸铝涂料所用到的粉料石英粉、铝矾土、石墨粉、比重都在2.0g/cm³以上。而我国粉煤灰的平均比重为2.14g/cm³，因而满足粉料对密度的要求。

③涂料的耐火粉料具有较高的耐火度积热稳定性。从粉煤灰的矿物组成看主要是由莫来石相组成，莫来石的熔点在1900℃以上，因而使得粉煤灰具有一定的耐火度。

综上所述，粉煤灰用于制备消失模铸铝涂料是可行的。

2、粉煤灰消失模铸铝涂料的基本配方如表2所示：

表2：粉煤灰消失模铸铝涂料的基本配方

3、用粉煤灰生产铸铁涂料的经济效益

(1)粉煤灰制备铸造涂料具有重要的现实意义

粉煤灰是我国主要的固体废弃物，利用粉煤灰生产铸造涂料，是实现资源综合利用的措施之一，也是我国倡导的经济可持续发展的战略，不仅粉煤灰资源获得了利用，而且也防止了环境污染。

(2)投资小，见效快

粉煤灰的价格便宜(40元/吨)，投资50万元建厂，年产量可达到1000吨，若每吨涂料按4000元计算，销售收入400万元，当年即盈利。

(3)设备简单、操作方便。

4、粉煤灰消失模铸造涂料制备

参见图1，制备工序包括：

(1)原材料预处理

锂基膨润土：用冷水溶胀，并调成膏状，水的用量为锂基膨润土的8～15倍；

CMC(羧甲基纤维素钠)：用冷水浸泡化开，制成胶体状且浓度为1～2％的水溶液，浸泡时间在24h以上；

PVA(市售的聚乙烯醇)：用热水浸泡化开，制成胶体状且浓度为1～2％的水溶液，浸泡时间在24h以上；

(2)混合搅拌、分散

将称量好预处理过的锂基膨润土、粉煤灰、高铝矾土、滑石粉、酚醛树脂、硅溶胶、消泡剂、预处理过的CMC、PVA依次加入到搅拌机中，并加适量水进行混合、搅拌及分散。控制搅拌机的速度在600～1000r/min，搅拌时间为2.0～2.5h，使涂料混合均匀。

(3)研磨均化

将搅拌机中搅拌均匀的涂料送入胶体磨中研磨30min，使涂料成为稳定的体系，具有良好的悬浮能力，并按涂料标准生产规定加入载液，调节涂料的密度、粘度等，以达到涂料生产标准要求。

(4)装桶(罐)

将调整好密度和粘度的涂料装入到涂料专用桶中，密封，制得成品。

(5)、涂料制备设备

A、搅拌机：容积0.3cm³，转速可调n＝100～1000r/min

B、胶体磨：JTM85DG型立式胶体磨，是一种超细粉碎机械，它兼有粉碎、乳化、分散、均质、搅拌等功能。

5、涂料的各项性能及特点

1)适用范围：粉煤灰消失模铸铝涂料适应消失模铸造工艺的铸铝件生产。涂料经喷涂(或浸涂、刷涂)涂敷EPS模表面后，40～60℃加热烘干形成涂层。铸件浇注后涂层易于剥离，清砂容易。使用该涂料可获得铸件表面质量优良的效果。

2)涂料性能如表3所示：

表3：涂料的性能指标

主要技术指标	测试方法	测试结果
			涂料外观	目测	均匀
密度/(g/cm3)	量筒法	1.31
			悬浮性/(％)	放置2小时	98
条件黏度(φ4流杯)/s	流杯4mm	15
			涂刷性	浸涂	光滑均匀
表面耐磨量kg/mm	流砂冲刷法	0.7
			流平性	观察是否有刷痕	好
涂层透气性	真空泵透气装置	3.1
			高温抗裂性	1000℃爆热试验	I级

3)涂料的性能特点：

(1)涂料外观均匀，涂料没有腐蚀性物质和放射性；

(2)涂料含固量高，悬浮稳定性好，长期存贮不结块，易搅拌；

(3)涂料具有优异的触变性，适应性强，使用方便，可适应于喷涂、浸涂、刷涂等工艺，涂刷时手感轻松滑爽，涂层光洁致密；

(4)涂料附着强度高，干燥(烘干或自干)时，不开裂，不起皮，涂层光洁致密；

(5)涂料抗粘砂性强，浇注后涂层易剥离，清砂工效高，铸件表面光洁；

(6)涂料价格便宜。

6、粉煤灰消失模铸铝涂料使用实施例：

为了验证本发明制备的粉煤灰消失模铸铝涂料的实际使用效果，在某企业进行了浇注实验。浇注ZL102铸铝合金件，铸件质量350kg，壁厚10mm，浇注温度为720℃。EPS的模样采用喷涂涂敷涂料，涂层厚度为1mm左右。经实验结果证明，涂料各项性能均良好。铸件浇注后涂层易于剥离，清砂容易，铸件表面光滑，轮廓清晰，没有气孔和卷砂现象发生。

Claims (4)

1、一种粉煤灰消失模铸铝涂料，其特征在于制得的该涂料由耐火粉料、添加剂和载液组成，其中：

耐火粉料由粉煤灰、高铝矾土和滑石粉组成，其质量百分比为：粉煤灰：60％，高铝矾土：25％，滑石粉：15％；

添加剂由锂基膨润土、酚醛树脂、CMC、硅溶胶、PVA和消泡剂组成，它们分别占耐火粉料的质量百分比为：锂基膨润土：2％，酚醛树脂：1.6％，CMC：0.6％，硅溶胶：3.5％，PVA：0.5％，消泡剂：0.2％；

载液为水，占耐火粉料的30％～40％。

2、如权利要求1所述的煤灰消失模铸铝涂料，其特征在于，所述的粉煤灰的粒度为150目和270目，各占粉煤灰总质量的一半。

3、权利要求1所述的粉煤灰消失模铸铝涂料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)原材料预处理：

锂基膨润土：用冷水溶胀，并调成膏状，水用量为锂基膨润土的8～15倍；

CMC：用冷水浸泡化开，制成胶体状且浓度为1％～2％的水溶液，浸泡时间在24h以上；

PVA：用热水浸泡化开，制成胶体状且浓度为1％～2％的水溶液，浸泡时间在24h以上；

2)混合搅拌、分散：

将称量好预处理过的锂基膨润土、粉煤灰、高铝矾土粉料、滑石粉、酚醛树脂、硅溶胶、消泡剂、预处理过的CMC和PVA依次加入到搅拌机中，并加适量水进行混合、搅拌及分散，控制搅拌机的速度在600r/min～1000r/min之间，搅拌时间为2.0h～2.5h，使涂料混合均匀；

3)研磨均化：

将搅拌机中搅拌均匀的涂料送入胶体磨中研磨30min，并按涂料生产标准加入载液，调节涂料的密度和粘度，达到涂料生产标准要求；

4)包装：

将调整好密度和粘度的涂料装入到涂料专用桶中，密封，制得成品。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的粉煤灰的粒度为150目和270目，各占粉煤灰总质量的一半。

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