CN101767184A - 一种防止碳缺陷的消失模铸造铸铁涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的防止碳缺陷的消失模铸造铸铁涂料，按质量百分比，由以下组分组成：60.5％～64.5％的铝矾土、13.5％～17.5％的高岭土、3.5％～6.0％的滑石粉、1.7％～3.5％的凹土棒土、0.4％～0.8％的木质素磺酸钠、2.5％～6.0％的硫酸铝、1.7％～3.5％的聚乙烯醇、3.5％～5.0％的硅溶胶、0.1％～0.2％的氧化铁粉、0.01％～0.02％的正辛醇，上述组分总量为100％。分别制得凹土棒土、聚乙烯醇、硫酸铝水溶液，铝矾土、高岭土、滑石粉和氧化铁粉均匀混合成耐火粉料混合料，将凹土棒土、聚乙烯醇、硫酸铝水溶液、硅溶胶与耐火粉料混合料及正辛醇混合，搅拌、研磨，即制成。本发明的涂料，具有良好的触变性和涂挂性，涂层强度高、透气性好；铸件表面光洁，无皱皮等碳缺陷。

Description

一种防止碳缺陷的消失模铸造铸铁涂料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属液态成型技术领域，具体涉及一种防止碳缺陷的消失模铸造铸铁涂料，本发明还涉及该铸造涂料的制备方法。

背景技术

消失模铸造是将与铸件尺寸形状完全相同的塑料泡沫模型与相同材质制成的浇冒口系统粘结组合成模型簇，刷涂消失模涂料并干燥后，埋在专用砂箱的干砂中振动紧实造型，用真空设备接上专用砂箱抽真空，在铸型内保持一定负压的条件下浇注高温金属液，使模型熔融和气化，分解产物通过涂料/铸型界面逸出，液态金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的一种铸造方法。消失模铸造具有铸件尺寸精度高、污染少、成本低等突出优点，被誉为“21世纪的铸造技术”和“铸造工业的绿色革命”。

与一般砂型铸造涂料不同，消失模铸造用涂料不是涂覆在铸型型腔上，而是涂覆在泡沫塑料模型上。当泡沫塑料模型被液态金属置换时，涂层实际上起到的是铸型作用，因而有“涂料即是铸型”之说。浇注时，泡沫塑料热分解产生的大量气体要通过耐火涂料和干砂间空隙方能排出铸型外。耐火涂料对消失模模样的气化、金属液充填和铸件的形成等起着十分重要的作用。

涂料是消失模铸造能否成功地用于生产的三大关键工艺因素之一，它是保证铸件表面质量和防止出现各种缺陷的关键措施。涂料的性质不仅影响模样的气化和气体的迁移，而且与铸件表面质量、表面缺陷、铸件精度乃至铸件内在质量等都密切相关。有研究者认为消失模铸造技术用于大批量生产成功与否，30％取决于涂料(《消失模技术的应用及其展望》，作者：王忠祥，期刊信息：《科技信息》，2007，(7)：39)。目前国内有60％的消失模铸件的废品与涂料质量有关。

消失模铸造涂料是由多种性质不同的材料组成的分散系，其组成主要包括耐火材料、粘结剂、载体、悬浮剂及特殊添加剂等组成，需要涂料有良好的工艺性能、工作性能、质量稳定性以及施涂重现性。消失模铸造涂料涂覆在泡沫塑料模型的外表面，待涂料干燥后才能造型浇注。泡沫塑料不透气，热变形温度低(约70℃左右)，对水的亲和力差；泡沫塑料受热熔融、气化后的液态残留物多，发气量大，这些气体和液态残留物若不能及时排出，铸件将产生气体、增碳、表面皱皮等碳缺陷。这些特点决定了消失模涂料应具备下述性能要求，即涂层应具有良好的润湿性和涂挂性，良好的高温抗裂性和高温强度以及良好的高温透气性。

国外对消失模铸造涂料的研究起步较早，已有专门针对消除铸铁件碳缺陷的专利涂料产品，如英国Foseco Mornal公司研制的性能优良的Styromol系列涂料，用于铁及非铁金属消失模铸造，具有不同的保温性、透气性和耐火性。由Foseco国际公司提供的涂料中加入少量冰晶石，使其在高温下形成活性高的NaF、AlF₃等，可对模样热分解出的碳产生吸附作用，使之不沉淀在铸件表面，从而消除皱皮等碳缺陷。日本也已经开发出使用于铸铝、铸铁、铸钢等不同类型铸件的系列涂料。国外的商品涂料已经进入国内市场，但是价格偏贵，导致铸件生产成本提高，在一定程度上限制了我国消失模铸造工艺的发展。(《实型负压铸钢件涂料透气性测试的研究》，作者：叶升平，黄乃瑜，罗吉荣，期刊信息：《华中理工大学学报》，1992，(12)增刊)：5～8)

我国的科技工作者对消失模铸铁件涂料也进行了研究。王重生等研制出一种铸铁水基自剥离涂料，由铝矾土，石墨粉、活化膨润土和水组成。刘凤雷等人研究发现采用铝矾土100％，膨润土3％，BY粘结剂、白乳胶、羧甲基纤维素钠各约2.5％，吐温-80约0.1％，正丁醇0.04％，其它0.15％，水适量的涂料，适合于消失模铸造生产中使用。阎峰云研制出的涂料配方为耐火粉料100％，酚醛树脂1.5％～2％，白乳胶1％～2％，复合悬浮剂3％，附加物0.1％～0.3％，水适量，适用于球铁等黑色金属铸件。朱征等以超细锆英粉作为耐火粉料，配制消失模锆英粉涂料，并通过浇注实验，由铸件成型、铸件表面以及涂层残片来分析改进后涂料的使用效果，获取超细锆英粉涂料的最佳配方为100％锆英粉+3％硅溶胶。(《铸铁水基自剥离实型涂料的研究与应用》，作者：王重生，姚书芳，期刊信息：《特种铸造及有色合金》，1995，(5)：15～18；《消失模铸造用涂料的研制与应用》作者：刘风雷，期刊信息：《现代铸铁》，2001，(4)：56～58；《EPC法水基涂料组分研究》，作者：阎峰云，期刊信息：《特种铸造及有色合金》，1997，(4)：19～21；《EPC用锆英粉涂料的研制》作者：朱征，期刊信息：《天津轻工业学院学报》，2003，18(4)：41～43)。

刘兰俊和高洪涛等研究发现云母有助于改善涂料的浸润性和涂挂性能。张春香等研究发现用聚乙烯醇作粘结剂可使涂料获得良好性能，且能很好地适用于铸铁件的生产。孙志伟等所配制的消失模铸造用涂料抗弯强度不低于1.5MPa，悬浮性24h不低于98％，透气性适中，涂料保温性能好，铸件未因涂料出现缺陷，浇注后易清理。(《云母对消失模铸造涂料浸润性的影响》作者：刘兰俊，周杰，徐庆柏，期刊信息：《特种铸造及有色合金》，2004，(3)：62～63；作者：高洪涛，《消失模铸造涂料的研制与应用》，合肥工业大学硕士学位论文，2002：1～53；《负压实型铸造涂料的试验研究》，作者：张春香，孙玉福，期刊信息：《铸造技术》，2004，25(3)：155～157；作者：孙志伟，刘国堂，阎淑芝，《消失模铸造用涂料的研究》，期刊信息：《铸造技术》，2000，(2)：26～28)。

黄述哲等人发明了一种水基消失模铸造专用涂料，主要用高铝矾土、硅藻土、膨润土、工业用碳酸钠、纤维素、白乳胶和水作为涂料的基本组元，再添加一定量的硫酸铝、氧化铁、淀粉和洗衣粉等助剂构成。具有耐磨性好、脱壳性好等特点。刘玉满发明了一种适于消失模铸造水基涂料的复合粉状添加剂，具有环保、无毒、成本低等优点，生产的铸件光洁，易脱砂。曹博海在原有消失模铸造涂料中加入一定比例的有机短纤维，发明了一种改良的消失模用水基涂料，防止了涂料干燥时的开裂，增大了涂料的高温透气性。黄建勇等人发明的消失模专用水基涂料由土状石墨粉、鳞片状石墨粉、膨润土、羟甲基纤维、乳白胶、玉米淀粉、糊精、BY粘结剂组成，可解决目前常用的消失模涂料容易导致铸件容易变形、开裂、脱层，表面粘沙、不光洁，而且粘沙难以清除，影响铸件质量的问题。杨玉光发明了一种消失模涂料及其制造方法，通过选择合适的涂料成分及调节其含量、合适的混制工艺，完全满足涂层应具有的常温和高温强度，适宜的高温透气性，良好的流平性、悬浮性和涂刷性能。该涂料适用于不同牌号的灰铸铁。(《水基消失模铸造专用涂料》，申请号：02100867.1，公开号：CN1375365，公开日：2002.10.23；《消失模用砂型铸造水基涂料复合粉状添加剂》，申请号：200610020214.0，公开号：CN101003073，公开日：2007.07.25；《改良的消失模用水基涂料》，申请号：200510038287.8，公开号：CN1663707，公开日：2005.09.07；《一种消失模专用水基涂料的生产方法》，申请号：200810015774.6，公开号CN101288897，公开日：2008.10.22；《一种消失模涂料及其制造方法》，申请号：200910014567.3，公开号：CN101497104，公开日2009.08.05)。

综合国内的研究和应用情况，国内尚没有专门用于减轻或消除铸铁件碳缺陷的专用涂料商品，并可提供使用。因此，为促进消失模铸造这一先进制造技术的推广应用，结合国内资源情况，从研究涂料的各组分种类和加入量对涂料性能的影响入手，探索涂料性能的影响因素，研制适合我国国情的成本低、性能好的消除铸铁件碳缺陷的消失模铸造专用涂料，实现消失模铸造涂料的国产化非常必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种防止碳缺陷的消失模铸造铸铁涂料，该涂料具有良好的触变性和涂挂性，涂层强度高、透气性好；铸件表面光洁，无皱皮等碳缺陷；涂层易于剥离，便于清理；涂料成本低。

本发明的另一目的是提供上述涂料的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种防止碳缺陷的消失模铸造铸铁涂料，按质量百分比，由以下组份组成：

铝矾土                60.5％～64.5％

高岭土                13.5％～17.5％

滑石粉                3.5％～6.0％

凹土棒土              1.7％～3.5％

木质素磺酸            0.4％～0.8％

硫酸铝                2.5％～6.0％

聚乙烯醇              1.7％～3.5％

硅溶胶                3.5％～5.0％

氧化铁粉              0.1％～0.2％

正辛醇                0.01％～0.02％

上述组分总量为100％。

本发明所采用的另一技术方案是，上述涂料的制备方法，具体按以下步骤进行：

步骤1，按质量百分比，分别称取铝矾土60.5％～64.5％、高岭土13.5％～17.5％、滑石粉3.5％～6.0％、凹土棒土1.7％～3.5％、木质素磺酸钠0.4％～0.8％、硫酸铝2.5％～6.0％、聚乙烯醇1.7％～3.5％、硅溶胶3.5％～5.0％、氧化铁粉0.1％～0.2％和正辛醇0.01％～0.02％；

步骤2，将步骤1称取的凹土棒土与水按照1∶3～6的质量比混合，搅拌均匀，静置70～75小时，制得凹土棒土水混合液；

将步骤1称取的聚乙烯醇与水按照1∶3～6的质量比，将聚乙烯醇缓慢加入水中，并充分搅拌5～10min，停止搅拌后浸泡30～60min，然后缓慢加热至75～95℃并充分搅拌，至溶液清亮，无可见透明颗粒，制得聚乙烯醇水溶液；

将步骤1称取的硫酸铝与水按照1∶4～6的质量比混合，并搅拌均匀，制得硫酸铝水溶液；

步骤3，将步骤1称取的铝矾土、高岭土、滑石粉和氧化铁粉均匀混合，制成耐火粉料混合料；然后将硅溶胶和步骤2制得的凹土棒土水混合液、聚乙烯醇水溶液、硫酸铝水溶液混合均匀，并与耐火粉料混合料均匀混合制得混合胶体；然后按照8～10∶1的质量比，将混合胶体与水加入高速分散机中，高速分散3～5小时，制得混合涂料I；

步骤4，将步骤1称取的正辛醇加入步骤3制得的混合涂料I中，搅拌30～40min，至分散均匀，制得混合涂料II；

步骤5，将步骤4取得的混合涂料II在胶体磨中研磨8～12分钟，即制成本发明的消失模铸造铸铁涂料。

本发明的消失模铸造铸铁涂料，具有良好的悬浮性和触变性，还具有良好的透气性和较高的表面强度，并且制备工艺简单、操作方便、原材料丰富、生产成本低，主要用于生产消失模铸件的泡沫塑料模型表面的耐火涂料。用其生产的消失模铸件表面光洁，无皱皮等碳缺陷；涂层易于剥离，便于清理。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的涂料，按质量百分比，由以下组份组成：

铝矾土            60.5％～64.5％

高岭土            13.5％～17.5％

滑石粉            3.5％～6.0％

凹土棒土          1.7％～3.5％

木质素磺酸钠      0.4％～0.8％

硫酸铝            2.5％～6.0％

聚乙烯醇          1.7％～3.5％

硅溶胶            3.5％～5.0％

氧化铁粉          0.1％～0.2％

正辛醇            0.01％～0.02％

上述组份总量为100％。

其中的铝矾土、高岭土和滑石粉为耐火粉料。铝矾土为二级甲等以上的铝矾土熟料，Al₂O₃含量大于70％，颗粒直径为0.063～0.088mm。高岭土中Al₂O₃含量大于35％，颗粒直径为0.063～0.088mm。滑石粉的灼减量小于8％，细度为98，粒度直径为0.063～0.088mm。凹土棒土和木质素磺酸钠共同作为涂料的悬浮剂使用。凹土棒粉为胶体级高级凹土棒粉，其分散粘度大于2500MPa.s。木质素磺酸钠要求其硫酸钠含量小于7％。硫酸铝、聚乙烯醇和硅溶胶作为涂料的粘接剂，为涂料提供室温和高温强度。其中聚乙烯醇要求聚合度1700，醇解度大于88％。硅溶胶中的SiO₂质量分数不低于25％，pH值为8～9。

实施例1

按质量百分比，分别取铝矾土60.5％、高岭土17.5％、滑石粉3.5％、凹土棒土3.5％、木质素磺酸钠0.4％、硫酸铝6％、聚乙烯醇3.49％、硅溶胶5.0％、氧化铁粉0.1％和正辛醇0.01％；

按照1∶5的质量比，将凹土棒土与水混合，搅拌均匀，静置70小时，制得凹土棒土水混合液；

按照1∶5的质量比，将步骤1取得的聚乙烯醇缓慢加入水中并充分搅拌10min，停止搅拌后浸泡30min，然后缓慢加热至95℃并保持充分搅拌至溶液清亮、无可见透明颗粒时为至，制得聚乙烯醇水溶液；

按照1∶5的质量比，将步骤1取得的硫酸铝与水混合，搅拌均匀，制得硫酸铝水溶液；

将铝矾土、高岭土、滑石粉和氧化铁粉均匀混合，制成耐火粉料混合料；然后将硅溶胶、凹土棒土水混合液、聚乙烯醇水溶液和硫酸铝水溶液混合均匀，并与耐火粉料混合料均匀混合制得混合胶体。按照10∶1的质量比，将该混合胶体与水加入高速分散机中，高速分散3小时，制得混合涂料I；

将正辛醇加入制得的混合涂料中，搅拌30min，分散均匀，制得混合涂料II；

将消失模铸造涂料在胶体磨中研磨10分钟，出料、包装即制成防止碳缺陷的消失模铸造铸铁涂料。

实施例2

按质量百分比，分别取铝矾土64.2％、高岭土13.5％、滑石粉6.0％、凹土棒土3％、木质素磺酸钠0.7％、硫酸铝5.88％、聚乙烯醇1.7％、硅溶胶4.8％、氧化铁粉0.2％和正辛醇0.02％；

按照1∶3的质量比，将凹土棒土与水混合，搅拌均匀，静置75小时，制得凹土棒土水混合液；

按照1∶3的质量比，将步骤1取得的聚乙烯醇缓慢加入水中并充分搅拌10min，停止搅拌后浸泡60min，然后缓慢加热至75℃并充分搅拌至溶液清亮、无可见透明颗粒时为至，制得聚乙烯醇水溶液；

按照1∶4的质量比，将步骤1取得的硫酸铝与水混合，搅拌均匀，制得硫酸铝水溶液；

将铝矾土、高岭土、滑石粉和氧化铁粉均匀混合，制成耐火粉料混合料；然后将硅溶胶、凹土棒土水混合液、聚乙烯醇水溶液和硫酸铝水溶液混合均匀，并与耐火粉料混合料均匀混合制得混合胶体。按照9∶1的质量比，将该混合胶体与水加入高速分散机中，高速分散4小时，制得混合涂料I；

将正辛醇加入混合涂料中，搅拌35min，分散均匀，制得混合涂料II；

将消失模铸造涂料在胶体磨中研磨8min，出料、包装即可制成防止碳缺陷的消失模铸造铸铁涂料。

实施例3

按质量百分比，分别取铝矾土64.5％、高岭土17.435％、滑石粉5.9％、凹土棒土1.7％、木质素磺酸钠0.8％、硫酸铝2.5％、聚乙烯醇3.5％、硅溶胶3.5％、氧化铁粉0.15％和正辛醇0.015％；

按照1∶6的质量比，将步骤1取得的凹土棒土与水混合，搅拌均匀，静置72小时，制得凹土棒土水混合液；

按照1∶6的质量比，将聚乙烯醇缓慢加入水中并充分搅拌5min，停止搅拌后浸泡45min。然后缓慢加热至85℃并充分搅拌至溶液清亮、无可见透明颗粒时为至，即可制得聚乙烯醇水溶液；

按照1∶6的质量比，将步骤1取得的硫酸铝与水混合，搅拌均匀，制得硫酸铝水溶液；

将铝矾土、高岭土、滑石粉和氧化铁粉均匀混合，制成耐火粉料混合料；然后将硅溶胶、凹土棒土水混合液、聚乙烯醇水溶液和硫酸铝水溶液混合均匀，并与耐火粉料混合料均匀混合制得混合胶体。按照8∶1的质量比，将该混合胶体与水加入高速分散机中，高速分散5小时，制得混合涂料I；

将正辛醇加入制得的混合涂料中，搅拌40min，分散均匀，制得混合涂料II；

将消失模铸造涂料在胶体磨中研磨12min，出料、包装即可制成防止碳缺陷的消失模铸造铸铁涂料。

本发明方法制备得到的消失模铸铁涂料72小时后的悬浮率、高温透气率、高温表面强度、触变率、密度和高温抗裂等级分别为100％、347、363g/mm、22.12％、1.49g/cm³和一级。涂料室温强度高，抗急热能力强；涂层高温透气性良好，浇注充型过程平稳。铸件表面质量好，无皱皮、积碳等缺陷，涂料层直接成剥离状脱落，清砂方便。本发明涂料主要用于消失模铸造生产铸铁件，防止铸件产生皱皮、积碳等缺陷。

Claims (9)

1.一种防止碳缺陷的消失模铸造铸铁涂料，其特征在于，按质量百分比，由以下组份组成：

铝矾土          60.5％～64.5％

高岭土          13.5％～17.5％

滑石粉          3.5％～6.0％

凹土棒土        1.7％～3.5％

木质素磺酸钠    0.4％～0.8％

硫酸铝          2.5％～6.0％

聚乙烯醇        1.7％～3.5％

硅溶胶          3.5％～5.0％

氧化铁粉        0.1％～0.2％

正辛醇          0.01％～0.02％

上述组分总量为100％。

2.根据权利要求1所述的铸铁涂料，其特征在于，所述的铝矾土为二级甲等以上的铝矾土熟料，Al₂O₃含量不小于70％，粒度直径为0.063～0.088mm。

3.根据权利要求1所述的铸铁涂料，其特征在于，所述高岭土的Al₂O₃含量不小于35％，粒度直径为0.063～0.088mm。

4.根据权利要求1所述的铸铁涂料，其特征在于，所述滑石粉的灼减量小于8％，细度为98，粒度直径为0.063～0.088mm。

5.根据权利要求1所述的铸铁涂料，其特征在于，所述的凹土棒土为胶体级高级凹土棒土，其分散粘度不小于2500MPa.s。

6.根据权利要求1所述的铸铁涂料，其特征在于，所述的木质素磺酸钠中硫酸钠的含量小于7％。

7.根据权利要求1所述的铸铁涂料，其特征在于，所述的聚乙烯醇的聚合度为1700，醇解度不小于88％。

8.根据权利要求1所述的铸铁涂料，其特征在于，所述的硅溶胶中的SiO₂质量分数不低于25％，pH值为8～9。

9.一种权利要求1所述消失模铸造铸铁涂料的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤进行：

步骤1，按质量百分比，分别称取铝矾土60.5％～64.5％、高岭土13.5％～17.5％、滑石粉3.5％～6.0％、凹土棒土1.7％～3.5％、木质素磺酸钠0.4％～0.8％、硫酸铝2.5％～6.0％、聚乙烯醇1.7％～3.5％、硅溶胶3.5％～5.0％、氧化铁粉0.1％～0.2％和正辛醇0.01％～0.02％；

步骤2，将步骤1称取的凹土棒土与水按照1∶3～6的质量比混合，搅拌均匀，静置70～75小时，制得凹土棒土水混合液；

将步骤1称取的聚乙烯醇与水按照1∶3～6的质量比，将聚乙烯醇缓慢加入水中，并充分搅拌5～10min，停止搅拌后浸泡30～60min，然后缓慢加热至75～95℃并充分搅拌，至溶液清亮，无可见透明颗粒，制得聚乙烯醇水溶液；

将步骤1称取的硫酸铝与水按照1∶4～6的质量比混合，并搅拌均匀，制得硫酸铝水溶液；

步骤3，将步骤1称取的铝矾土、高岭土、滑石粉和氧化铁粉均匀混合，制成耐火粉料混合料；然后将硅溶胶和步骤2制得的凹土棒土水混合液、聚乙烯醇水溶液、硫酸铝水溶液混合均匀，并与耐火粉料混合料均匀混合制得混合胶体；然后按照8～10∶1的质量比，将混合胶体与水加入高速分散机中，高速分散3～5小时，制得混合涂料I；

步骤4，将步骤1称取的正辛醇加入步骤3制得的混合涂料I中，搅拌30～40min，至分散均匀，制得混合涂料II；

步骤5，将步骤4取得的混合涂料II在胶体磨中研磨8～12分钟，即制成本发明的消失模铸造铸铁涂料。