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1、防止呋喃树脂砂厚大铸钢件粘砂缺陷的新型涂料和面砂研制_王春涛 铸造技术Vol.23No.6 # 340 # 防止呋喃树脂砂厚大铸钢件粘砂缺陷的新型涂料和面砂研制 王春涛1,陈立新2 (1.浙江海洋学院工程学院,浙江舟山316004;2.浙江大学材料与化学工程学院,浙江杭州310027) 摘要:新研制的水基锆英粉涂料包括底涂料和面涂料。底涂料具有较好的涂渗性,涂渗深度达到2.6mm,它既有填隙作用,又可减缓砂型的激热膨胀;面涂料具有较好的厚涂性,单次刷涂的干厚度达到1.1mm,具有较好的抗金属液冲刷和侵蚀特点。新开发的Z-1砂是1种粒形圆整、表面光洁的铝硅系耐火材料,具有热膨胀率小、树脂耗量低和
2、能适度烧结的特点。生产试验表明,配合使用上述Z-1砂和新型双层涂料,能有效防止呋喃树脂砂厚大铸钢件的金属渗透。关键词:呋喃树脂砂;涂料;Z-1砂;铸钢件;粘砂 中图分类号:TG250.6 文献标识码:A 文章编号:1000-8365(2002)06-0340-03 DevelopmentofAdvancedCoatingsandSurface-sandPreventingMetalPenetrationin Large-sizeSteelCastingsbyFuranResinSandProcess WANGChuntao,CHENLixin Engineering,ZhejiangUnive
3、rsity,Hangzhou310027,China) 1 2 (1.EngineeringCollege,ZhejiangOceanUniversity,Zhoushan316004,China;2.CollegeofMaterialsScienceandChemical Abstract:Thedevelopedwater-basedzirconpowdercoatingsincludebase-coatingandsurface-coating.Thecoatingpossessesagoodpermeabilityof2.6mmwithadesirablefillingandantit
4、hermo-expansionofsandmold.Thesurface-coatinghasathickcoatingcharacterof1.1mmwithagoodant-ierosioncharacteronliquidmetal.Theabove doublecoatingscombinedwithnewlydevelopedZ-1sandcaneffectivelypreventmetalpenetrationinlarge-sizesteelcastingsbyno-bakefuranresinsandprocess. Keywords:Furanresinsand;Coatin
5、g;Z-1sand;Steelcasting;Metalpenetration 采用自硬呋喃树脂石英砂工艺,具有常温强度大、尺寸精度高、溃散性好和劳动强度低等独特优点。但生产大型铸钢件,在厚壁和热节部位,容易发生粘砂缺 -5陷。对这个问题,许多学者都在研究1,一般认为树 100,钠膨润土2,高温粘结剂4,乳液112,悬浮剂018,降粘剂0.5,水40。其性能:密度1.96g/cm3,粘度6.03s,24h悬浮性95%,涂渗深度2.5mm,pH=7。 为了反映所研制的底涂料及其涂渗深度对呋喃树脂石英砂型激热膨胀的阻抑作用,将砂样分别在底涂料中浸涂不同时间,干燥后放入1300e的曝热试验仪中,测算
6、其平均线膨胀率25e1300e,结果见表1。 表1 底涂料对砂型激热膨胀的阻抑作用 Tab.1 Inhibitionofbase-coatingonsandmoldfiercelythermo-expansion 浸涂时间涂渗深度T/s0369 H/mm01.22.02.8 H020.218.018.018.1 h00.511.160.252.15 h11.011.520.552.40 vhvh/H0mm0.500.360.300.25 %2.482.001.671.39 脂砂粘砂是单纯的机械粘砂,和砂型(芯)密度、原砂粒形和粒度、浇注温度及金属液压头等因素有关。但主要原因是由于涂料层的开裂和
7、砂粒间隙太大,导致金 属液渗入砂粒间的空隙而形成的。因此,我们研制开发了能减少表面涂料层开裂的涂料、新砂及其工艺。1 实验内容及结果 1.1 水基锆英粉底、面双层涂料的研制1.1.1 底涂料 用振动磨制备超细锆英粉,并用正交试验研制了深渗型水基底涂料。它能填塞砂粒间的空隙,同时提高型表的高温强度,阻止砂粒间隙的扩大,束缚砂型表层的激热膨胀。底涂料的组成w(%):超细锆英粉 收稿日期:2002-04-08; 修订日期:2002-08-28 作者简介:王春涛(1965- ),浙江定海人,硕士,讲师,研究方向:造型材 H/mmS/mmS/mm 注:H0)砂样原始高度;h0)曝热仪位移初始值;h1)曝
8、热仪位 移最大示值;vh)砂样的绝对膨胀量;vh/H0)砂样平均线膨胀率。 5铸造技术66/2002 王春涛等:防止呋喃树脂砂厚大铸钢件粘砂缺陷的新型涂料和面砂研制 # 341 # 测试结果表明:深渗型底涂料对呋喃树脂石英砂型激热膨胀有束缚作用。涂渗深度越大,砂型的膨胀就越小。 1.1.2 面涂料 面涂料的作用是在金属液与砂型之间建立抗金属液冲刷侵蚀的阻挡层,使铸件表面在涂层破坏和砂型失去强度之前能凝固成壳,为了耐冲蚀又易涂刷,研制了具有厚涂性(即刷1道就可较厚)的锆英粉面涂料,其组成w(%):锆英粉100,粘结稠化剂2,悬浮剂012,高温粘结剂4,乳液112,水30。性能:密度2126g/c
9、m3,粘度14.12s,24h悬浮性99.7%,屈服量21128Pa,涂片质量2.5g,涂层干厚度(刷1道)1.1mm,pH=8。面涂料在粘度适中、刷涂时手感滑爽的前提下,反映厚涂性的涂片重可高达2.5g,其关键在于所研制的面涂料屈服值能高于其他品种的涂料 6 刷涂1道稍稀释的面涂料,或刷2道未稀释的面涂料,干燥后在1300e曝热10min,观测涂层开裂情况:面涂料1道,涂层顶面有稀疏网细裂纹,拐角处有断续细裂纹,侧面有少量网状裂纹。面涂料刷2道,涂层顶面有几条短裂纹,拐角处有粗裂纹,侧面有稀少纵向裂纹。 从试验结果看,无论是薄的面涂料还是厚的面涂层,高温下都开裂,仅是后者的裂纹数量较前者少,
10、但裂纹较宽。 1.3 Z-1砂的工艺特性 鉴于锆英粉涂层与石英砂型表层的热膨胀差太大,采用上述研制的底、面双层涂料虽然能减少部分粘砂,但尚不能根本解决粘砂问题。为此,有必要寻找1种热膨胀小,价格又不昂贵的新型防粘砂的原砂用于砂型的易粘砂部位。经过多次探索而新开发的Z-1砂是1种 粒形完整、表面光洁的铝硅系耐火材料,它的树脂耗量低、流动性好、利于填砂、紧实均匀。Z-1原砂热膨胀小,灼减量在0.1%,耐火度1700e1770e,并具有良好的烧结性。Z-1砂的主要工艺特性如下:1.3.1 热膨胀性 测试和比较了Z-1砂、石英玻璃砂、锆砂以及普通石英砂的热膨胀性,由4种不同原砂制成的呋喃树脂砂样测得的
11、曝热平均线膨胀率25e1300e,见表3。 表3 不同原砂制成的呋喃树脂砂样的平均线膨胀率Tab.3 Averageline-expansivityoffuranresinsandwithdifferent originalsands 原砂 粒度(mm)Z-1砂(0.3/0.15)石英玻璃砂(0.075/0.15)锆砂(0.075/0.15)普通石英砂(0.15/0.3) 树脂固化剂%1.63.03.02.0 %40353540 H0 h0 h11 vhvh/H0mm % 。 1.2 涂层高温抗裂试验 1.2.1 涂刷基底的影响 将涂层按不同方式涂在瓷舟或/80字形呋喃树脂石英砂型样上,干燥后
12、在1300e曝热10min,观测涂层开裂情况,结果见表2。 表2 涂刷基底对涂层开裂的影响 Tab.2 Influenceofbasebrushedoncrackingofcoating 涂刷基底瓷舟背面 使 用 涂 料 底涂料(刷1道)面涂料(刷1道) 底涂料(刷1道)+面涂料(刷1道)底涂料(刷到砂样表面刚积存)砂样顶侧面 底涂料(同上)+面涂料(刷1道)面涂料(刷一道) 试 验 结 果 涂层完好,无任何裂纹涂层完好,无任何裂纹涂层完好,无任何裂纹 顶、侧面均有少量不连续细微裂纹,侧面稍多,砂样结壳。 顶面少量粗裂纹,拐角处大裂,侧面有粗裂纹,纵向为主,砂样已溃散。顶面少量细裂纹,拐角处有
13、不连续裂纹,侧面有稀疏网状裂纹纵向为主,砂样结壳。 H/mmS/mmS/mm22.721.721.720.2 1.853.052.170.52 1.973.122.351.02 0.120.5280.070.3230.180.8290.50 2.48 由表3可见,Z-1砂的平均线膨胀率较小,只有普 1.2.2 底涂料涂渗深度的影响 将呋喃砂样分别在底涂料中浸涂不同时间,1.5h 后再刷涂一次面涂料。干燥后在1300e曝热10min,观测涂层高温开裂情况:未浸涂底涂料,顶面有少量粗裂纹,拐角处大裂,纵向为主,砂样已溃散。浸涂3s,顶面少量细长裂纹,拐角处有断续裂纹,侧面有细裂纹纵向为主,砂样结壳
14、。浸涂9s,顶面几条细微裂纹,拐角处有断续裂纹,侧面有少量细微裂纹,砂样结厚壳。 1.2.3 面涂料涂刷厚度的影响 sh,通石英砂的21.3%,比锆砂还略低一些。1.3.2 高温烧结性 将Z-1原砂制成呋喃树脂砂样,分别在不同温度下保温10min,观测其是否发生烧结现象。结果表明,Z-1砂在1350e1500e温度范围内发生程度不同的烧结现象,砂样具有高温强度,有利于防止金属渗透。而普通石英砂、石英玻璃砂和锆砂经测试后发现,在1500e以内不发生烧结,高温下砂样溃散、失去强度。 1.3.3 Z-1呋喃砂样锆英粉涂层的高温抗裂性 Z5 # 342 # FOUNDRYTECHNOLOGY Vol.
15、23No.6 干燥后分别在1300e或1400e下曝热10min,观测涂层高温开裂情况。实验结果是:涂层无任何裂纹,空冷时无裂纹产生。而普通石英砂的涂层则出现许多裂纹。至于石英玻璃砂样的涂层,在刚从曝热试验仪中取出时虽无任何裂纹,但在空冷过程中,则砂样发生破裂。 1.4 浇注试验 为了证实Z-1砂和水基锆英粉底、面双层涂料的防金属渗透效果,对杭州汽轮机厂质量达4t以上的厚大铸钢件/法兰盘0和/汽缸上半0进行了浇注。在法兰盘铸件的厚壁、热节部位,用Z-1砂作面砂,石英砂作背砂;同时刷涂锆英粉底、面双层涂料(其中面涂料刷1次)。试验是在同一铸件与原方法(石英砂及锆英粉商品涂料)作对比。结果发现:采
16、用原方法的部位有严重金属渗透;而采用新方法的部位无任何粘砂。多次实践表明:用粒形圆整,低膨胀有适度烧结的新开发的Z-1砂作面砂,石英砂作背砂,同时配合使用研制的锆英粉底、面双层涂料的方法,确实能够防止呋喃砂厚大铸钢件的金属渗透型粘砂缺陷。2 分析与讨论 2.1 金属渗透性粘砂的形成机制 呋喃树脂石英砂铸钢件通常使用锆英粉涂料,但由于呋喃石英砂型的热膨胀很大、涂层与型(芯)表层间热膨胀差值太大,从而导致涂层高温开裂。金属液在压力作用下,通过涂层裂缝与型(芯)表面直接接触。如果自硬呋喃砂充填紧实疏密不匀,常易形成松孔结构,这就更易随着树脂粘结剂的烧毁,使型(芯)砂强度剧降,从而在压力作用下,会使有
17、些部位空隙增大。使金属液易向型(芯)深部渗透。因此,以呋喃树脂为粘结剂的石英砂型(芯),单纯依靠涂料还很难避免厚大铸钢件的粘砂缺陷。尤其是厚大铸钢件的厚壁和热节部位更难根治。这是由于界面持续高温作用比较强烈,砂型表层除了会在573e左右发生B石英yA石英相变引起的0.82%体积膨胀外,由于铸造用石英砂往往含有部分杂质,所以还会在更高温度发生(诸如由于方石英相变引起的)更大的体积膨胀(4.7%)8,从而更易造成金属渗透深度60mm以上的严重金属渗透型粘砂。此外,当贴近砂型(芯)界面的钢液吸收了树脂和固化剂热解产物而使C、S增多时,则钢液熔点降低,流动性提高,也会促进渗透。2.2 Z-1砂的抗金属
18、渗透机理 生产应用研究的浇注试验结果表明:Z-1砂和面、 7 底涂料结合在一起具有很好的抗金属渗透效果。这与Z-1砂的特性有关:Z-1砂的平均线膨胀率为0.528%,只有石英砂的21.3%,比锆英砂还略小一些。这就确 保了锆英粉涂层在急热时不因2者的膨胀差太大而开裂破坏;砂在1350e1500e的高温烧结,既缩小和封闭了砂粒间的空隙,又使砂型(芯)具有高温强度,从而保证了砂型表层和涂层在金属液压力作用下不溃散破坏。因此,砂的粒形圆整、热膨胀率低和烧结特性好是它能抗金属渗透的关键因素。 众所周知,自硬呋喃树脂铬铁矿砂的抗金属渗透性比石英砂、铬砂好得多3,9。它也具有热膨胀率低、耐火度高、烧结温度
19、合适,以及高温强度高的特性。它与Z-1砂的特性相似。因此,上述特性可以认为是具有共性的,是厚大铸钢件抗金属渗透的构成要素3 结论 3 。 (1)呋喃石英砂厚大铸钢件的粘砂属于金属渗透性的机械粘砂。它是金属液在压力作用下,主要通过涂层裂缝处,机械地渗入型中空隙的物理过程。 (2)锆英粉涂层与呋喃石英砂型(芯)表层的热膨胀差太大、砂粒间的空隙太大是造成涂层高温开裂和导致金属渗透的主要原因。 (3)所研制的底涂料的渗透性好,既具有填隙作用,又对砂型的急热膨胀具有束缚作用;面涂料的厚涂性较好,它具有一定的抗金属液冲刷、侵蚀和渗透作用。(4)以Z-1砂作面砂,石英砂作背砂,同时配合使用新研制的水基锆英粉
20、底、面双层涂料,对防止呋喃树脂砂厚大铸钢件的金属渗透具有非常好的效果。 参考文献 1 胡 清,等.树脂砂型(芯)中金属渗透发生的机理及其防止J. 铸造,1986,35(4):27-30. 2 (日)小野修二.采用双层涂料防止呋喃砂型粘砂J.铸造,1985 (2):52-55. 3 (日)若尾芳之.防止铸钢件金属渗透的铬铁矿砂J.国外造型 材料,1987(7-8):76-85. 4 (苏)儒科夫斯基.冷硬砂铸型及型芯M.北京:国防工业出版 社,1987. 5 李英明.大型铸钢件用棕刚玉复合面砂的研究J.铸造,1993 (3):21-25. 6 张加祥.水基、醇基快干锆英粉涂料的研制和应用J.铸造, 1986(12):20-23. 7 陈立新.自硬呋喃树脂砂大型铸钢件粘砂及热裂缺陷的研究 D.杭州:浙江大学.1991. 8 吕伟均.大型铸钢件抗粘砂的复合原砂试验研究D.长沙:湖南 大学.1981. 9 张祖烈.冷硬呋喃树脂砂M.北京:新时代出版社,1983. 本期责任编辑 魏振双 孙朝霞 光相中