CN101767183A - 一种大型铸件用水基铸造涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型铸件用水基铸造涂料及其制备方法，该涂料由下列重量比的原料制成：锆英粉65-75％、水20-30％、钠基膨润土0.8-2.5％、亲水型气相二氧化硅0.1-0.6％、水性聚氨酯增稠剂0.2-0.8％、聚乙烯醇0.2-0.8％、水溶性丙烯酸树脂0.6-2％、乙二醇丁醚0.1-0.4％、磷酸三丁酯0.1-0.3％、乙二醇0.1-0.5％、异噻唑啉酮0.05-0.4％。其采用的制备方法先进，将原料组分进行有效的复合。制得的产品各项技术指标性能优异，例如流变性、触变性、涂刷性、悬浮性、贮存性、成膜质量、可涂刷粘度，能满足大型铸件生产的技术质量要求，特别是重量超过100吨的特大型铸件。

Description

一种大型铸件用水基铸造涂料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种铸造涂料，具体的是一种大型铸件用水基铸造涂料及其制备方法，该涂料特别适宜重量超过100吨的特大型铸件的生产。

背景技术：

重型装备制造业作为国家的基础工业，在国民经济中起着至关重要的支柱作用。尤其在火电、水电、核电、军工、钢铁、冶金、船舶、石油、化工、国防等重型装备制造行业，大型铸件更是这些行业的核心部件，对大型铸件的质量水平要求特别高。在大型铸件生产时，在铸型(芯)工作表面上涂覆铸造涂料是一道非常重要的工序。铸造涂料是一种耐火涂层，其主要成分有：耐火粉料、载液、悬浮剂、粘结剂、其它附加剂。该涂料的主要功能是：阻断熔融金属液与砂型(芯)表面的直接接触，起隔离作用，消除了金属液与砂型(芯)表面发生物理或化学反应的必需要素，从而可有效防止和减少铸件表面粘砂、夹砂、砂眼等缺陷；提高铸型(芯)表面强度；控制铸件冷却速度，防止铸件产生缩孔、裂纹缺陷；使铸件表面合金化和晶粒细化，调整铸件表面成分和表面组织，提高铸件的使用性能，延长铸件使用寿命；降低铸件表面粗糙度；提高铸件落砂和清理效率，显著降低铸件清理工作量，降低铸件清理成本；改善清砂工人的作业环境。因而，铸造涂料在铸件生产中对改进铸件质量和提高经济效益两方面都具有积极的意义。

大型铸件的钢水浇铸量可达几十吨至上百吨，铸件外形尺寸大，壁厚，要求铸造涂料制得的干涂层必须达到足够的厚度才可发挥防粘砂等功能，所以，通常以涂覆多道涂料来实现涂层的厚度要求。由于生产大型铸件的砂型(芯)表面面积大，涂覆多道涂料的工序使得涂料的施涂(通常为刷涂)成为工作量较大的工作。就保证涂层质量和提高生产效率这两方面而言，大型铸件对涂料的工艺性能无疑具有更高的要求。铸造涂料的质量高低是影响铸件是否粘砂、夹砂及铸件表面光洁度、铸件尺寸精度的最直接因素。

铸造涂料根据载液的不同，分为醇基铸造涂料和水基铸造涂料两大类。醇基铸造涂料主要以乙醇(即酒精)为载液，涂覆在铸型(芯)工作表面上后一般通过点火引燃的方式获得干涂层。但醇基涂料在经过多次刷涂、多次点燃乙醇的过程中，容易出现涂层起泡，涂层与砂型(芯)表面或各道涂层间结合不良的现象，得到的干涂层较疏松，浇注时结合不良部位的涂层在金属液的持续冲刷下容易从砂型(芯)表面脱落，从而丧失防粘砂等功能。再者，醇基铸造涂料大面积刷涂后点火引燃时由于火势的瞬间蔓延存在烧伤操作人员的安全隐患。

水基铸造涂料主要以水为载液，涂覆后一般通过燃烧可燃气体(如天燃气)在湿膜表面烘烤、加热烘干等方式获得干涂层。由于水比酒精挥发速度慢得多，在刷涂过程中不会象醇基涂料那样因溶剂的快速挥发而滑爽性下降较快，阻力上升，故水基涂料的刷涂性相对优于醇基涂料。水基涂料通过烘烤、烘干等方式干燥，其热量释放较醇基涂料点火引燃后溶剂迅速燃烧温和许多，不会出现涂层起泡等缺陷，干涂层与砂型(芯)表面及涂层间结合紧密，涂层致密，浇铸时钢水不易将涂层从砂型(芯)表面冲刷掉。水基涂料不存在烧伤操作人员的安全隐患。因此对于大型铸件，水基涂料在降低刷涂劳动强度、保障铸件质量、提高生产安全性等方面均是优于醇基涂料的选择。目前，国内现有的水基涂料产品不能满足大型铸件生产的技术质量要求，尤其是重量超过100吨的特大型铸件生产。为此，国内也有众多的高校、科研所及企业在研制大型铸件生产所需的水基铸造涂料，但研制的这些水基铸造涂料产品在技术上与国外产品(例如英国福士科公司生产的HOLCOFE 110水基铸造涂料)相比，尚存在着较大差距，不能满足大型铸件生产的技术质量要求。虽然中国专利文献还公开一种名称为“醇基或水基砂粉防渗透粘砂铸造涂料”(公开号：CN1666828，公开日：2005年9月14日)，但其原料组分复杂多样，配料、制备程序复杂，制造成本明显偏高，且其技术性能指标仍不能满足大型铸件生产的技术质量要求，主要体现在：1、刷涂工艺性能欠佳，不适宜大型铸件生产所需的大面积、多道数的刷涂作业。这是由于悬浮剂、粘结剂等组分的选材不当或各个组分的的搭配不当而使得涂料的流变性能不理想，导致刷涂等工艺性能欠佳，主要表现为涂料的触变性(指某些流体所具有的当被施予剪切力时，其粘度逐渐降低，撤去剪切力后，其粘度逐渐恢复的特性)较差，在较稠状态(较高粘度)下刷涂，涂料的粘度在刷子来回刷动时下降少，流动性仍然处于较差的状态，刷起来感觉粘滞，阻力大，大面积刷涂时相当耗费操作者的体力，刷涂效率低；停止刷动后，涂料在很短时间内即停止流动，涂膜没有足够时间进行自动流平，干涂膜刷痕重。若调低涂料的粘度刷涂，刷涂性虽有所提高，但刷子从容器中提起时所蘸得的涂料少，涂料不断从刷子上向下滴淌，滴在已刷好的涂膜上则形成滴痕；在垂直面及倾斜度稍大的面上涂料容易向下流淌，形成流痕以及上薄下厚的结构，砂型(芯)的低凹处容易出现涂料堆积；每涂一次所得的单层涂膜厚度偏薄，对同样的涂层厚度要额外增加刷涂遍数来达到，不适合在大型铸件生产中应用。2、涂料的贮存性、稳定性较差，贮存过程中粘度容易出现下降。现有水基涂料多采用羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、羟乙基纤维素、黄原胶等作增稠剂，它们均系天然有机高分子经过一定化学处理得到的产品，抗微生物侵蚀能力差，在贮存过程中(尤其在气温较高的夏、秋季节)这类有机增稠剂即使在防腐剂加入量较大时也容易被细菌等微生物腐蚀降解，使粘度发生较大幅度下降，并导致涂料的其他性能变差。

因此，开发优质水基铸造涂料，缩小差距，代替进口，提高铸造涂料及铸件的竞争力，是当前国内铸造行业所面临的一个刻不容缓的亟需解决的课题。

发明内容：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种大型铸件用水基铸造涂料及该涂料的制备方法，该涂料配方选用高纯度锆英粉为耐火骨料，以水为载液，选用兼容性好的无机增稠剂(钠基膨润土、亲水型气相二氧化硅)、有机增稠剂(水性聚氨酯增稠剂、聚乙烯醇)、粘结剂(聚乙烯醇、水溶性丙烯酸树脂)、触变剂(亲水型气相二氧化硅)、消泡剂(磷酸三丁酯)、防腐剂(异噻唑啉酮)、流平剂(乙二醇)经过适宜的制备方法进行有效复合，使它们协同发挥增稠、悬浮、触变、粘结的作用，因而能够提高产品的稳定性，使其在贮存性、涂刷性、流平性等性能指标方面优异，能满足大型铸件生产的技术质量要求，特别是重量超过100吨的特大型铸件。

本发明是采用这样的技术方案实现的：

一种大型铸件用水基铸造涂料，该涂料由下列重量比的原料制成：

锆英粉65-75％、水20-30％、钠基膨润土0.8-2.5％、亲水型气相二氧化硅0.1-0.6％、水性聚氨酯增稠剂0.2-0.8％、聚乙烯醇0.2-0.8％、水溶性丙烯酸树脂0.6-2％、乙二醇丁醚0.1-0.4％、磷酸三丁酯0.1-0.3％、乙二醇0.1-0.5％、异噻唑啉酮0.05-0.4％。

上述的大型铸件用水基铸造涂料，该涂料优选的是由下列重量比的原料制成：

锆英粉68-71％、水24-28％、钠基膨润土1.2-2％、亲水型气相二氧化硅0.3-0.5％、水性聚氨酯增稠剂0.4-0.6％、聚乙烯醇0.4-0.6％、水溶性丙烯酸树脂1.3-2％、乙二醇丁醚0.2-0.3％、磷酸三丁酯0.2-0.3％、乙二醇0.2-0.4％、异噻唑啉酮0.15-0.3％。

所述原料要求达到如下指标：

锆英粉：ZrO₂≥65％、平均粒度为325目。

水：新鲜洁净的自来水。

钠基膨润土：膨胀容≥20ml/g、含水量≤10％、粒度为300～325目。

亲水型气相二氧化硅：比表面积为380±30m²/g、平均原生粒径为7nm。

水性聚氨酯增稠剂：不挥发份(固体份)为40±1％、粘度≤5000mPa·s。

聚乙烯醇：型号17-88。

水溶性丙烯酸树脂：不挥发份(固体份)为50±1％、粘度为5000～7000cps、玻璃化温度为50℃。

乙二醇丁醚、磷酸三丁酯、乙二醇：工业级。

异噻唑啉酮：淡黄色液体、有效成份≥2.5％。

上述大型铸件用水基铸造涂料的制备方法，包括如下步骤：

一、原料预处理

(1)、按配方量称取钠基膨润土，将钠基膨润土与水按1∶1.5的重量比混合均匀，装入密闭容器中静置24h以上，使钠基膨润土被充分润湿、活化。

(2)、按配方量称取亲水型气相二氧化硅，将亲水型气相二氧化硅与水按1∶6的重量比混合均匀，装入密闭容器中静置24h以上，使亲水型气相二氧化硅被充分润湿。

(3)、按配方量将聚乙烯醇与水按1∶9的重量比在80～100℃溶解，将其溶解成10％的透明水溶液。

二、制备涂料

①称取配方量的磷酸三丁酯、水溶性丙烯酸树脂、水性聚氨酯增稠剂、乙二醇丁醚、乙二醇、锆英粉、异噻唑啉酮及原料预处理后的余量水待用。

②在容器中加入上述步骤(1)已充分润湿活化的钠基膨润土、上述步骤(2)已充分润湿的亲水型气相二氧化硅和步骤①的适量水，高速持续搅拌，直至体系中无粗粒，呈细腻的均匀浆状体时，停止搅拌。

③先在水性聚氨酯增稠剂中按1∶0.5的重量比加入乙二醇丁醚将其稀释，再逐渐加入水性聚氨酯增稠剂3～5倍重量的水，慢慢搅拌，使稀释的水性聚氨酯增稠剂增稠至稠厚、乳白状态，将该稠厚、乳白状态的水性聚氨酯增稠剂加入步骤②的钠基膨润土浆状体中，再按配方量加入磷酸三丁酯和上述步骤(3)10％聚乙烯醇透明水溶液，高速搅拌3～20min，制得复合悬浮剂。

④将上述步骤③的复合悬浮剂用胶体磨研磨2～3遍。

⑤将配方量的水溶性丙烯酸树脂和乙二醇加入到已研磨好的复合悬浮剂中，高速搅拌1～5min，然后在搅拌的状态下逐渐加入配方量的锆英粉和适量的水，加完后继续高速搅拌10～30min，制得涂料预分散体。

⑥将上述步骤⑤的涂料预分散体用胶体磨研磨2～3遍。

⑦在已研磨分散好的涂料中加入配方量的异噻唑啉酮，搅拌均匀，用剩余的水调节涂料粘度至涂6号杯35～60s，即得成品。

所述高速搅拌是转速≥1000r/min。

所述原料预处理步骤(1)中的静置时间为26～170h。

所述原料预处理步骤(2)中的静置时间为28～220h。

按上述技术方案制得的涂料，其主要技术指标达到如下：

性能                        指标

比重(g/cm³)                 2.10～2.30

固体含量(％)                ≥70

粘度(涂6#杯，s 25℃)        35～60

24h悬浮性(％)               ≥99.5

发气量(1000℃，ml/g)        ≤20

触变率(％)                  ≥45

涂刷指数                    ≥8.5

单层涂膜厚度(mm)            ≥0.4

PH值                        8～10

高温抗裂性(1200℃，30s)              无裂纹

本发明的有益效果：

本发明以锆英粉为耐火粉料、水为载液，选用兼容性好的无机增稠剂、有机增稠剂、粘结剂、触变剂经过适宜的制备方法进行有效复合，使它们协同发挥增稠、悬浮、触变、粘结的作用，制得的产品具有优良的流变性、触变性(触变率≥45％)、涂刷性(涂刷指数≥8.5)、悬浮性(24h悬浮性≥99.5％)，一次成膜厚度高(单层涂膜厚度≥0.4mm)，干涂膜与砂型(芯)结合紧密，涂层致密，非常适合大型铸件砂型(芯)大面积、多道数刷涂的特点。涂料在静止时呈半流动的凝胶状态，显得稠厚，当对其施予外力(如搅拌、刷子来回刷动)时，则粘度逐渐变低，流动性变好，显得稀薄。这使涂料在贮存时悬浮性好，涂料在较稠(表观粘度大)的状态下刷涂，在刷子的来回刷动下，涂料粘度逐渐下降，流动性变得很好，刷子受到的阻力小，刷起来滑爽、省力。停止刷动时，涂料粘度逐渐回升，在将刷痕自动流平时又不致形成流挂，较好地平衡了流平性和抗流挂性的矛盾，最终可获得表面平整光滑的涂膜。刷子每次从容器中提起时蘸住的涂料多，涂料较快停止向下滴淌，一次刷开的面积大，成膜厚，大大提高了刷涂效率。

浇铸后涂层可整体烧结，冷却后易于从铸件表面剥离，能够充分实现涂料的防粘砂、夹砂、砂眼等功能，提高铸件表面质量，降低清砂工作量。配方中适量使用的无机增稠剂、触变剂，在涂料中起增稠、悬浮、触变等作用，浇注后则有助于涂层的高温烧结，起助烧结剂的作用。

本发明以水为载液，涂料通过烘烤、烘干等方式干燥，其热量释放温和，干涂层与砂型(芯)表面及涂层间结合紧密，涂层致密，不会出现涂层起泡、涂层与砂型(芯)表面或各道涂层间结合不良等缺陷，浇铸时钢水不易将涂层从砂型(芯)表面冲刷掉，不存在烧伤操作人员的安全隐患，完全能满足大型铸件尤其是重量超过100吨的特大型铸件的生产应用。

本发明与“醇基或水基砂粉防渗透粘砂铸造涂料”(公开号：CN1666828，公开日：2005年9月14日)相比，原料组分简少、搭配适宜、配料制备程序简单、原料少的基础上成本也是明显降低、综合技术性能好(例如：流变性、触变性、涂刷性、悬浮性、成膜质量、可涂刷粘度、贮存性、稳定性等)。本发明采用的有机增稠剂、粘结剂均系化学合成产品，较天然有机高分子的衍生产物抵抗微生物侵蚀的能力强，贮存过程中不易被腐蚀、分解，粘度和其他性能可保持稳定，能很好满足大型铸件生产的技术质量要求。

具体实施方式：

实施例1-6

表1以下表中是本发明的6组配方(原料组分及含量)。

实施例7

1、按配方称取相应含量的原料组分(以实施例1为例)。

2、原料预处理

(1)、将钠基膨润土2.3kg与水3.45kg混合均匀，装入密闭容器中静置30～80h，使钠基膨润土被充分润湿、活化；(2)、将亲水型气相二氧化硅0.5kg与水3kg混合均匀，装入密闭容器中静置28～100h，使亲水型气相二氧化硅被充分润湿；(3)、将聚乙烯醇0.4kg与水3.6kg在90～95℃溶解，将其溶解制成10％的透明水溶液。

3、制备涂料

①称取配方量的磷酸三丁酯0.2kg、水溶性丙烯酸树脂1.2kg、水性聚氨酯增稠剂0.6kg、乙二醇丁醚0.3kg、乙二醇0.2kg、锆英粉65kg、异噻唑啉酮0.3kg及原料预处理后的余量水18.95kg待用；②在容器中加入已充分润湿活化的钠基膨润土、已充分润湿的亲水型气相二氧化硅和适量水，高速(转速≥1000r/min)持续搅拌，直至体系中无粗粒，呈细腻的均匀浆状体时，停止搅拌；③先在水性聚氨酯增稠剂0.6kg中加入乙二醇丁醚0.3kg，将水性聚氨酯增稠剂稀释，再加入2.4kg的水(该水的加入是水性聚氨酯增稠剂的3～5倍范围)，慢慢搅拌，使稀释的水性聚氨酯增稠剂增稠至稠厚、乳白状态，将该稠厚、乳白状态的水性聚氨酯增稠剂加入到钠基膨润土浆状体中，再按配方量加入磷酸三丁酯0.2kg和4kg的10％聚乙烯醇透明水溶液，高速(转速≥1000r/min)搅拌5～10min，制得复合悬浮剂；④将复合悬浮剂用胶体磨研磨2～3遍；⑤将水溶性丙烯酸树脂1.2kg和乙二醇0.2kg加入到已研磨好的复合悬浮剂中，高速(转速≥1000r/min)搅拌1～3min，然后在搅拌的状态下逐渐加入锆英粉65kg和适量的水，加完后继续高速(转速≥1000r/min)搅拌10～15min，制得涂料预分散体；⑥将涂料预分散体用胶体磨研磨2～3遍；⑦在已研磨分散好的涂料中加入异噻唑啉酮0.3kg，搅拌均匀，用剩余的水调节涂料粘度至35～60s，即得成品。

本发明的其他5组配方也是采用上述制备方法制得。

以下通过试验例进一步说明本发明涂料的应用效果

试验例

本发明涂料与英国福士科(FOSECO)公司的水基铸造涂料(商品名：HOLCOFE110)在我国重大装备制造基地之一的中国第二重型机械集团公司铸造分厂特大型铸件生产车间——铸钢车间进行了生产对比试验，以下以列表的形式对本发明涂料的技术性能通过对比做一详细的介绍。

1、基本性能测试

表2基本性能测试结果

从表2可以看出，本发明涂料与英国福士科公司的水基铸造涂料的基本性能十分接近，无明显差异。

2、生产使用效果

试验条件：选择相同型号的铸件共4件，以完全相同的施涂方式用两种水基涂料各生产2件铸件。

两种涂料的工艺性能、涂层质量、铸件表面质量状况对比(见表3)。

表3工艺性能、涂层质量、铸件表面质量状况对比

从表3可以看出，本发明涂料与英国福士科公司的水基铸造涂料工艺性能十分接近，所生产铸件的表面质量等无实质差异，其中，本发明涂料的流平性优于英国福士科公司的HOLCOFE 110涂料。因此，本发明涂料可替代进口，很好地满足大型铸件生产的技术质量要求。

Claims (6)

1.一种大型铸件用水基铸造涂料，其特征在于，该涂料由下列重量比的原料制成：

锆英粉65-75％、水20-30％、钠基膨润土0.8-2.5％、亲水型气相二氧化硅0.1-0.6％、水性聚氨酯增稠剂0.2-0.8％、聚乙烯醇0.2-0.8％、水溶性丙烯酸树脂0.6-2％、乙二醇丁醚0.1-0.4％、磷酸三丁酯0.1-0.3％、乙二醇0.1-0.5％、异噻唑啉酮0.05-0.4％。

2.根据权利要求1所述的大型铸件用水基铸造涂料，其特征在于，该涂料由下列重量比的原料制成：

锆英粉68-71％、水24-28％、钠基膨润土1.2-2％、亲水型气相二氧化硅0.3-0.5％、水性聚氨酯增稠剂0.4-0.6％、聚乙烯醇0.4-0.6％、水溶性丙烯酸树脂1.3-2％、乙二醇丁醚0.2-0.3％、磷酸三丁酯0.2-0.3％、乙二醇0.2-0.4％、异噻唑啉酮0.15-0.3％。

3.一种权利要求1所述大型铸件用水基铸造涂料的制备方法，包括如下步骤：

一、原料预处理

(1)、按配方量称取钠基膨润土，将钠基膨润土与水按1∶1.5的重量比混合均匀，装入密闭容器中静置24h以上，使钠基膨润土被充分润湿、活化；

(2)、按配方量称取亲水型气相二氧化硅，将亲水型气相二氧化硅与水按1∶6的重量比混合均匀，装入密闭容器中静置24h以上，使亲水型气相二氧化硅被充分润湿；

(3)、按配方量将聚乙烯醇与水按1∶9的重量比在80～100℃溶解，将其溶解成10％的透明水溶液；

二、制备涂料

①称取配方量的磷酸三丁酯、水溶性丙烯酸树脂、水性聚氨酯增稠剂、乙二醇丁醚、乙二醇、锆英粉、异噻唑啉酮及原料预处理后的余量水待用；

②在容器中加入上述步骤(1)已充分润湿活化的钠基膨润土、上述步骤(2)已充分润湿的亲水型气相二氧化硅和步骤①的适量水，高速持续搅拌，直至体系中无粗粒，呈细腻的均匀浆状体时，停止搅拌；

③先在水性聚氨酯增稠剂中按1∶0.5的重量比加入乙二醇丁醚将其稀释，再逐渐加入水性聚氨酯增稠剂3～5倍重量的水，慢慢搅拌，使稀释的水性聚氨酯增稠剂增稠至稠厚、乳白状态，将该稠厚、乳白状态的水性聚氨酯增稠剂加入步骤②的钠基膨润土浆状体中，再按配方量加入磷酸三丁酯和上述步骤(3)10％聚乙烯醇透明水溶液，高速搅拌3～20min，制得复合悬浮剂；

④将上述步骤③的复合悬浮剂用胶体磨研磨2～3遍；

⑤将配方量的水溶性丙烯酸树脂和乙二醇加入到已研磨好的复合悬浮剂中，高速搅拌1～5min，然后在搅拌的状态下逐渐加入配方量的锆英粉和适量的水，加完后继续高速搅拌10～30min，制得涂料预分散体；

⑥将上述步骤⑤的涂料预分散体用胶体磨研磨2～3遍；

⑦在已研磨分散好的涂料中加入配方量的异噻唑啉酮，搅拌均匀，用剩余的水调节涂料粘度至涂6号杯35～60s，即得成品。

4.根据权利要求3所述的大型铸件用水基铸造涂料的制备方法，其特征在于，所述高速搅拌是转速≥1000r/min。

5.根据权利要求3所述的大型铸件用水基铸造涂料的制备方法，其特征在于，所述原料预处理步骤(1)中的静置时间为26～170h。

6.根据权利要求3所述的大型铸件用水基铸造涂料的制备方法，其特征在于，所述原料预处理步骤(2)中的静置时间为28～220h。