基本介紹
- 中文名：金屬型塗料
- 外文名：metal mold paint
- 原料：剛玉，三硫化鉬等
- 學科：材料科學
- 套用：金屬性鑄造
- 組成材料：硅藻土、石英粉等
介紹,金屬型塗料的組成物及其性質,金屬型塗料的基本物化性能,密度和固體含量,塗料的粘度和流變特性,懸浮性,刷塗性和塗掛性,金屬型塗料的工藝性能,浸潤性和滲入性,刷塗性和流平性,不流淌性與不破水,粘結強度,金屬型塗料工作性能,塗層的表面耐磨性、耐沖蝕性和強度,抗激熱開裂性,金屬型塗料的展望,
介紹
普通的砂型鑄造已不能滿足鑄造生產的需求，更多的特種鑄造，以其精度高、抗損壞型好、成本低等優點先後被大規模的使用，其中金屬型鑄造以其工藝性能高、工序簡單、鑄件表面光潔度高的優點被越來越多的使用，但在金屬型鑄造中怎樣提高它的壽命一直以來都是困擾生產的一個大難題，為此引入了金屬型耐熱塗料。
金屬型鑄造主要運用銅、鋁、鎂等有色金屬合金。由於高熔點合金使金屬型的使用壽命降低，所以必須在型腔與高溫液態合金之間增加一道保護膜，既能保護金屬型不受到損傷，也使鑄件的物理化學性質不發生改變，相反能提高鑄件的表面尺寸精度，改善表面粗造度。在金屬型鑄造中，塗料應具有高溫耐火性和高穩定性，由於澆注時金屬內腔，確切的說是塗料和金屬液的相互接觸處，由於液態金屬是在重力作用下沖入金屬型內的，對塗料層穩定性要求很高。
塗料由於其絕熱作用，降低了溶液的冷卻速度，可防止鑄件出現白口，並減弱澆注時溶液對金屬型的熱衝擊，鬆弛了熱應力，阻止了金屬液的侵蝕，對金屬型起到了保護作用。除此之外還會有助於表面光潔，使鑄件容易從鑄型分離，進而可望對鑄件表面進行孕育。用一層塗料是不能起到以上這種作用的，通常二層塗料用的是另外一種塗料，第一層叫做基礎塗料，第二層叫做工作塗料。
金屬型塗料必須具有以下性質：①具有耐熱性，②絕熱性好，化學性質穩定，澆注時不產生氣體，③與金屬型的附著力強，④熱膨脹係數與金屬型相似。
金屬型塗料的組成物及其性質
金屬型塗料有以下幾種材料組成：基本耐火材料：硅藻土、石英粉、鋁礬土等；粘結劑：水玻璃、粘土、膨潤土等；添加劑：過錳酸鉀、氯化鈉等；稀釋劑：水、乙醇等。
硅藻土的主要理化性質如下：①分子式是SiO2.nH2O；②熔點是1 400℃ ～ 1 650℃ ；③顏色多呈白色、灰白或黃色；④硬度為易碎，莫氏硬度為1.0～ 1.5；⑤導熱係數0.14w (m.℃)；⑥堆積密度依雜質含量而變；⑦吸附力為能吸附等於自己質量1.5～ 4.0倍的液體。硅藻土常呈微細蜂窩狀，管狀結構，內部存在大量的孔洞和空隙，因而導熱係數小、密度小，為塗料的絕熱性能、排氣性能及良好的懸浮性提供了可靠的保證，但是沒有經過培燒的硅藻土常含有機物和3.5%～ 8%的結晶水。容易產生針孔、氣坑及其它缺陷，因此硅藻土在使用前一定要經過培燒[1]。石英粉具有很高的耐火度，發氣量低，石英粉來源廣，價格低，但是其密度大，降低塗料的懸浮性，堵塞排氣通道，同時也影響塗層的絕熱性。選用膨潤土作為塗料的黏結劑和懸浮劑，在配製過程中加入一定的水玻璃更有利於塗料和金屬型壁的粘合。在載體的選擇上是使用水或乙醇，水的加入量要適當。過多噴塗時金屬型的溫度下降迅速，不利於塗料中的水分的排除，過少時塗料黏度大，不利於噴塗和霧化。醇類介質易揮發，乾燥快，使用性能好，但貯存性能不好。
金屬型塗料的基本物化性能
密度和固體含量
塗料的密度則是指單位容積塗料的質量而言。採用比重計測量得到的密度值，其中石英粉塗料的密度為1.56 g/cm3，硅藻土為1.02 g/cm3。注意測量前攪拌均勻以免出現很大的誤差。固體含量是指塗料烘乾後和烘乾前質量的比例。烘乾後的質量包括耐火粉料質量和粘結劑、懸浮劑中乾物的質量。粉料質量則專指耐火粉料在塗料中所占的比例而言。一般情況下，在耐火粉料的密度無變化、塗料的操作粘度也不變的情況下，固體含量或粉料含量高、液體含量低的塗料有明顯的優勢。這樣的塗料易乾燥，水基塗料可風乾；乾燥和激烈時塗層不易開裂；不必用提高塗料粘度或增加塗刷遍數的方法，即能夠得到足夠厚的塗層。
塗料的粘度和流變特性
在外力作用下，塗料本身阻止內部分子間相對運動的特性稱為粘度。一般來說粘度過高流動性差，刷塗費力，塗層難以均勻平整，浸塗的塗層過厚，容易形成局部堆積。塗料是一種固液分散體系，在受外力作用產生流動時，也會伴有變形產生，故對塗料流變特性的研究也屬於流變學的研究範疇。從流變學的角度分析，最適合於作塗料用的是帶屈服值的假塑性流體。假塑性流體隨剪下速率的增加而粘度下降。
懸浮性
塗料是一種懸浮液分散體系，分散相粒子的密度比載體大，故在長時間停放時分散相粒子總存在一個下沉的趨勢。根據Stokes定律，粒子的沉降速度是和很多因素有關的。若要使粒子不下沉，則必須使阻礙下沉的結構力大於或等於粒子下沉的重力，一些優質塗料正是控制了屈服值和分散相細度而保證其懸浮穩定性的。值得注意的是屈服值也不可過高，否則會引起塗層開裂等問題。塗料各組分中密度最大的是耐火粉料。塗料攪拌放置一段時間後，往往出現分層和塗料沉澱現象，尤其是石英粉塗料分層比較嚴重。塗料的懸浮性太差會給塗敷工作帶來困難，並會影響塗層質量。解決石英粉塗料懸浮性的方法是向其加入膨潤土、海藻酸鈉、水玻璃攪拌均勻，再稀釋到原來的濃度。粉粒細度也是影響塗料懸浮性的重要因素之一。粉粒過細懸浮性好但塗層強度不夠易開裂，所以不可過細。
刷塗性和塗掛性
刷塗過程實際上是一個從刷毛中擠到型表面的過程，這就使型與刷之間的塗料受到剪下作用，對於具有剪下稀釋作用的塗料，就會使屈服值下降，從而保證了塗料的飽蘸性，但剪下稀釋性也不可過高。塗掛性塗料從垂直鑄型上流失，首先必須破壞立體網狀結構：即克服其剪下力，繼而要克服塗料粘度的影響。既具有剪下稀釋作用又具有觸變性的塗料是最理想的。
金屬型塗料的工藝性能
浸潤性和滲入性
為了使金屬型和塗層結合牢固，需要塗料向基體滲入一定深度。影響塗料的深入深度很多，如塗料的粘度、屈服值、以及塗料與金屬型是否浸潤等等，其中後者尤為重要，為了提高水基塗料的浸潤性和滲入性，加入少量的表面活性劑OP- 10可改善塗層強度。一般來說，塗料粘度越低、屈服值越低，塗料越易向基體深處滲入。
刷塗性和流平性
刷塗性是指用毛刷飽蘸塗料刷塗砂型時手感滑爽不乾澀，刷過的塗層較長距離保持光滑不劈裂分岔的性能。刷塗性與塗料流變性能有關，因為刷塗時塗料受到較大的剪下速率。
流平性是指用毛刷刷抹過的塗層上的刷痕能在很短的時間內自行消除的性能。流平性不好的塗料會在塗層表面留下嚴重的刷痕，澆注後被複製在鑄件表面，影響鑄件的表面粗糙度，流平性主要取決於塗料的表面張力和粘度。較粘稠的塗料流平性差，水基塗料要比醇基塗料的表面張力大，故流平時間短，刷痕輕。
不流淌性與不破水
由於重力的作用，塗料在砂型的垂直面上有下流的趨勢稱為流淌性。它反映塗料中層與層之間相對滑動的性能。而破水現象是指鑄型的垂直面上剛剛塗敷過水基塗料的塗層被水溝所分割，溝內塗料被水衝掉的現象，實驗過程中得到的兩種塗料均沒有破水現象發生。
粘結強度
粘結強度是指塗層與鑄型或型芯表面通過物理和化學作用結合在一起的強度。這種附著強度是塗層中粘結劑的極性基團(如輕基或梭基)與砂型(芯)中極性物相互結合而產生的(常用的矽砂具有極性)。這種極性結合的各種因素均將導致塗層粘結強度的提高。塗料塗在鑄型(或芯)上後，如果塗料的粘結強度大，則鑄型的表面強度提高也大，塗層結合牢固，澆注時可耐金屬液的沖刷和浸蝕，有利於提高鑄件表面質量。
金屬型塗料工作性能
塗層的表面耐磨性、耐沖蝕性和強度
表面敷有塗料的金屬型在搬運、合箱時要經受摩擦和碰撞，在澆注過程中要承受金屬液的沖刷，因此要求塗料層有良好的表面耐磨性、耐沖蝕性、強度和附著力。耐磨性用不同硬度的鉛筆可測量。
抗激熱開裂性
塗層不僅在烘乾、風乾時不應收縮開裂，更為重要的是在受到金屬液的激熱作用下也不應開裂。若塗層開裂，則金屬液就有可能穿過裂紋鑽入到金屬型基體內而成為”滲鐵”。滲鐵最易發生在金屬型的熱節處和拐彎處，因這些部位受熱嚴重，塗層更易開裂，裂紋嚴重時，塗層可能翹起切入鑄件中而造成起皮、夾灰等缺陷。在實際生產中提高塗料的高溫強度和高溫塑性均有助於減少或消除激熱開裂性。
金屬型塗料的展望
21世紀鑄造塗料的發展將以實現鑄件精化、節約資源、保護環境以及建立、完善塗料質量控制體系為目標，以轉移塗料、功能塗料為開發研究重點，並將加強塗料的作用機理、流變特性及骨料級配等方面的基礎研究。有關金屬型塗料的研究仍然是鑄造工作者的重點課題之一，其研究內容主要集中在以下幾個方面。
(1)研究金屬模型表面、塗料層之間的相互作用規律；
(2)開發金屬型塗料新品種，選擇新型的耐火骨料。在塗料中附加一部分球狀骨料或片狀、纖維狀骨料，可獲得優良的懸浮性、觸變性和透氣性，加強分解產物在塗料層內的傳輸能力，以滿足不同鑄件或同一鑄件的不同部位對塗料多樣性的要求。
(3)儘快建立和完善金屬型塗料的質量控制體系，開發新的金屬型塗料檢測儀器，建立金屬型塗料的技術標準，以推動金屬型塗料系列化、商品化的發展，加強原材料供應商、塗料生產廠和鑄造廠之間的密切合作。
