镁合金金属型铸造涂料的研究

2014-11-20柳庆奇王承志刘凤国

铸造设备与工艺 2014年3期

柳庆奇，孙季，王承志，刘凤国

（1丹东恒阳内燃机配件有限公司，辽宁丹东 11830；2.沈阳理工大学，辽宁沈阳 110159；3.烟台南山学院，山东烟台 265713）

镁合金是最轻的结构合金，而且其性能优良，因此在生产实际中得到广泛应用。镁合金可代替钢铁和铝材料，减轻结构的质量，在航天、航空、电子、通讯以及交通运输等行业具有广泛的应用价值[1-2]。金属型铸造是镁合金的重要成型方法之一[3]。在金属型镁合金铸造中涂料起着重要作用，可以延长金属型的使用寿命、改善铸件表面性能及充型条件，扩大其使用范围[4-6]。

2 试验方法

涂料的主要组成

1）耐火骨料：金属型涂料的主要组成部分是耐火骨料，其热膨胀系数与发气量将影响铸件的质量；耐火骨料的颗粒形状与粒度尺寸对涂料的表面强度起着重要作用[7]。本试验选用硅藻土与镁砂粉作为耐火材料。硅藻土微观形貌（如图1）呈形状不规则的片状，显然是蜂窝或管状型硅藻土经加工破碎后的形貌。

2）悬浮剂：悬浮剂的主要作用是保证耐火骨料均匀地分散在悬浮剂中，保证涂料的各部位均具有相同的耐火度、强度等特性[8-9]。在研制水基涂料时，常采用膨润土与羧甲基纤维素钠（CMC）搭配使用，本实验选用钠基膨润土与CMC作为复合悬浮剂进行配合使用。

3）黏结剂：黏结剂是将涂料的组成部分粘接成具有一定强度的组合体，并保证涂料附着在金属型上。金属型浇注时金属液对模具冲击作用很大，要求涂层有足够的强度，本涂料选用两种无机黏结剂配合使用，分别为水玻璃、六偏磷酸钠（磷盐）。

4）载液：载液是涂料的主要组成部分，耐火骨料、悬浮剂和黏结剂均需均匀分散在其中。有多种载液可供选择，由于水载液容易使耐火粉料悬浮，可使涂料较易获得良好的触变性，而且安全可靠、无毒无味、价格最便宜，因而最为常用。因此本实验选用水作为载液。

图1 硅藻土形貌

5）阻燃剂：镁合金金属型铸造涂料应加入阻燃剂，因阻燃剂会在镁合金液体表面形成一层保护膜，阻止氧化反应和燃烧。

3 性能测试

金属型镁合金铸造涂料主要组成与其它铸造方法涂料基本相同，但对性能要求较高。除了要具备基本的铸造涂料性能要求外，对金属型铸造涂料的悬浮性、触变性、强度、pH、密度、黏度、流平性、抗滴淌性、阻燃性也有一定的性能要求。

涂料的性能检测，主要包括涂层强度、密度和悬浮性。涂层强度的检测方法为：在玻璃板上打三个点取平均值作为最后的强度值。密度测量选用量筒法：将搅拌均匀的涂料倒入60 ml的量筒中，分别称量出装有涂料前后量筒的总质量；悬浮性测定选用静置法：将120 ml涂料搅拌均匀，之后倒入150 ml的量筒中，静置20 h后，观察量筒内分层情况[10]，悬浊液在量筒中的百分比即为该涂料的悬浮性。

4 原材料的预处理

实验过程中实验原材料不能直接混在一起，需要对骨料及各助剂进行预处理。耐火骨料须烘干处理，膨润土与CMC需配制成膨润土浆与水溶液，将两种黏结剂混合配置成为复合黏结剂再使用。

耐火骨料使用前，在烘箱中进行50℃、5 h的烘干处理；膨润土浆采用钠基膨润土与水按1∶9比例配制；CMC与水按1∶49比例充分搅拌（约1.5 h）配制成水溶液，放置12 h；复合黏结剂制做时，在六偏磷酸钠（磷盐）中加入适量的水，制成水溶性黏结剂溶液后将水玻璃倒入溶液中，用电磁搅拌器搅拌均匀后方可使用。

5 涂料各组分含量及涂料配制方法

确定涂料各个组分的含量：骨料中镁砂粉与硅藻土的比例为9∶1，膨润土在涂料中占骨料的质量分数为3%，CMC在涂料中占骨料的质量分数为3%，水玻璃在涂料中占骨料的质量分数为6%，磷盐在涂料中占骨料的质量分数为6%，加水量为在涂料中骨料质量分数的110%.

涂料的配制方法为：先将膨润土与CMC搅匀，再将骨料加入悬浮剂中，磷盐用质量分数为骨料110%的水来融化制成溶液，再将水玻璃加入溶液之中配成复合黏结剂，将骨料与悬浮剂搅匀之后，最后加入黏结剂溶液，用搅拌器搅拌1.5 h混合均匀即可使用。

6 正交试验

悬浮性、涂层强度、黏度、密度是铸造涂料的基本性能，主要影响因素有悬浮剂与黏结剂，其配比尤为重要。根据耐火骨料的配方，进行正交试验时，需要确定钠基膨润土、CMC、水玻璃、磷盐等组分的含量后便可确定出最佳配方，因此正交试验采用4因素3水平方案进行。选用正交表L9（34），共进行9次试验，对各组涂料的强度、悬浮性、黏度、密度、pH等性能进行测试。表1为正交因素水平表。

表1 正交试验因素水平表（质量分数%）

正交结果：根据因素水平表L9（34），进行了9次试验，表2为正交试验方案及测试结果。其中正交序号中的A、B、C、D代表原材料种类，字母左下角的数字1、2、3各代表每类原材料的水平。

正交结果分析：因素A、B、C、D分别有三个水平，每一因素在同一列中试验了3次，用各因素的同一水平试验结果的平均值，得出了K1、K2、K3.每列中的K1、K2、K3的最大值减去最小值就是极差并记作R.极差R代表每一因素对涂料性能的影响因素，根据金属型涂料的性能要求确定各原材料的加入量。做出性能正交试验分析表与极差分析表，正交试验分析表和极差分析表分别示于表3和表4.

差值越大，代表该因素对性能的影响越大。由表4可知，对强度的因素影响顺序为：CMC＞膨润土＞磷盐＞水玻璃、对涂料黏度的因素影响顺序为：膨润土＞CMC＞水玻璃＞磷盐。

表2 正交试验结果

表3 正交实验分析表

表4 极差分析表

选定最佳结果：通过正交试验与极差分析，在不考虑因素之间的交互作用下，各因素的水平确定与试验指标有关，指标符合要求较好，本实验选择各项性能指标最大的水平。强度值最大水平为：A1B3C3D3；悬浮性值最大的水平为：A3B2C1D3；黏度值的最大水平为A2B2C3D1.但考虑到各自的综合水平，A3B2C1D3的悬浮率虽然最高但其强度只有120.12，而黏度最大的A2B2C3D1其强度只有96.48，而涂料要求放置24 h后其悬浮率要在95%以上，综合三个最好的配方确定A1B3C3D3为最佳配方可用于实际生产。