唐賢其

涂料在鑄鋼件生產中的應用研究

唐賢其

【摘要】主要探討在樹脂砂工藝條件下，采用手工操作方式生產單件小批量鑄鋼件時涂料的使用、過程質量控制和鑄態(tài)表面缺陷的預防。

涂料在鑄鋼件生產中是必不可少的消耗材料，特別是在采用樹脂砂工藝生產鑄鋼件時尤為重要，其質量的高低、使用過程質量控制對所生產鑄件的表面質量影響明顯。

我公司生產的鑄鋼件一般為厚大鑄鋼件，鑄件種類和材質繁多，結構復雜，質量要求高，采用堿酚醛樹脂砂工藝，生產方式為單件、小批量、手工操作，優(yōu)選鋯砂粉涂料，并對其工藝特性和操作使用工藝做了較系統(tǒng)的研究，以充分發(fā)揮涂料在提高鑄鋼件表面質量、降低鑄件清理工作量方面不可替代的作用。其中，中小鑄鋼件選擇使用醇基鋯砂粉涂料，考慮到大型鑄鋼件生產周期相對較長、型芯較大、型腔較深，以及環(huán)保、安全和成本等因素，選擇使用水基鋯砂粉涂料，對其下芯、合箱過程中型芯的修補則采用醇基鋯砂粉涂料。

1. 砂型質量控制

在樹脂砂造型過程中必須保證型芯與鋼液接觸表面得到均勻緊實，避免砂型特別是砂型凹入部位的疏松缺陷。在砂型脫模后刷涂料前應對砂型進行仔細修整。對型芯表面存在的錯位、披縫、飛翅等應修磨隨形或平滑過渡，對損壞面積較小、較淺的部位修磨隨形過渡，對型芯局部存在的松砂、散砂應挖除后修補隨形。然后，仔細清除型芯表面的雜物、浮砂并保持砂型表面的清潔，為后續(xù)砂型涂料的刷涂創(chuàng)造良好的條件，也是獲得鑄鋼件優(yōu)質鑄態(tài)表面的基礎。

2. 涂料準備

鑄造涂料一般是由耐火骨料、粘結劑、懸浮劑、分散介質等組成的。商品涂料從配制到使用需經過較長時間，在此期間涂料均會發(fā)生沉淀現(xiàn)象，但好的砂型涂料在保質期內儲存不會結塊，沉降后在使用時也易于分散。因此，涂料在使用前應經過充分攪拌，一般宜采用低速攪拌，并避免在攪拌中卷入氣體從而影響涂層質量。涂料攪拌好后應根據(jù)具體情況對下述指標進行檢控。

（1）密度密度大小反映涂料中固體物質含量的多少，并與每次涂刷時能形成的涂層厚度有直接關系。經試驗比較，認為醇基鋯砂粉涂料的密度應控制在2.0～2.3g/cm3；水基鋯砂粉涂料的密度應控制在2.1～2.3g/cm3。

（2）黏度涂料黏度體現(xiàn)了涂料液體分子及固體顆粒阻礙涂料相對流動的程度。一般使用f6mm黏度杯進行涂料的條件黏度（用流出時間s表示）檢測。經試驗比較，認為采用手工涂刷時涂料的條件黏度應不低于25s為宜。

（3）懸浮性涂料的懸浮性代表涂料抵抗固體耐火骨料分層和沉淀的能力，一般采用量筒法來判斷涂料的懸浮性。經試驗比較，認為醇基鋯砂粉涂料的懸浮性應＞92%（24h）；水基鋯砂粉涂料的懸浮性應＞96% （24h）。

3. 涂料的涂刷

（1）涂層厚度控制涂層厚度是進行涂料涂刷操作時必須控制的關鍵參數(shù)。在生產中發(fā)現(xiàn)，當涂層過薄時，澆注的鑄鋼件表

面上無涂層黏附，鑄件表面也可能無粘砂現(xiàn)象，但鑄件表面粗糙，此時處于臨界厚度，在涂層厚度合適時澆注的鑄鋼件表面有一定厚度的殘余涂層存在，鑄件表面光滑、美觀。

根據(jù)試驗比較，合適的涂層厚度應根據(jù)鑄件大小、壁厚、鑄件具體部位來確定。一般薄壁鑄件控制在0.5～0.8mm；中型鑄件控制在0.8～1.2mm；厚大及大型鑄件控制在1.2～2.0mm；其中鑄件圓弧R部位、圓角部位、冒口根部位按上限控制。對涂層厚度的檢測，可采用局部劃切法和測厚法，前者更便于實際生產中操作使用。

（2）涂刷涂料的刷涂性直接影響到涂料好不好使，一般通過操作者的感受來綜合評價，認為具有優(yōu)良涂刷性的涂料應具有良好的流平性和抗流淌性。從膠體理論角度來看，涂料要具備上述良好的涂刷性，就必須具有良好的觸變性，即：涂料在靜止過程中具有較高的黏度，但在攪拌過程中能迅速變?。ざ冉档停?，在去除外力后又能迅速地恢復原來的結構。要獲得表面光滑、平整、隨型的型芯表面涂層，不僅要求所使用涂料具有良好的涂刷性，而且操作者還應正確地使用涂料。圖1a～圖1c所示砂型涂層質量好，圖2a～圖2c所示砂型涂層質量差。

在采用手工涂刷時，應重點控制：①涂層厚度要均勻，表面光滑平整，無刷痕和流淌痕跡，無涂料堆積，在涂刷完一遍后才能進行第二遍涂刷直至所需涂層厚度。②水基涂料每次涂刷后自然干燥2～4h再刷下一遍涂料。③醇基涂料每涂刷一定面積后要及時點燃，以干燥已刷涂層，并注意安全，防止人員意外燒傷。

4. 涂層干燥

涂料應具有良好的干燥特性，即涂層在干燥過程中及干燥后保持涂層完好，不出現(xiàn)裂紋、氣孔、針孔、氣泡及分層等現(xiàn)象，特別是在多次涂刷過程中也不應發(fā)生上述缺陷，涂層在干燥后還應具有良好的抗吸濕性。其中，醇基涂料還應具有良好的燃燒性，點燃自干過程中在保證涂層充分干燥的條件下不出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。使用水基涂料的型芯，刷完涂料并自然存放一定時間后應進行烘干，烘干方式可選擇烘干爐或熱風烘干機烘干。堿酚醛樹脂砂涂層烘干溫度一般以不超過150℃為宜。

5. 效果評價

在樹脂砂工藝中，涂料的作用主要體現(xiàn)在三個方面：一是在澆注過程中保護砂型；二是降低鑄件毛坯的表面粗糙度值；三是預防鑄件表面粘砂。

涂料使用效果主要以所生產鑄鋼件的表面質量狀態(tài)來評價，要獲得表面光潔的鑄鋼件，不僅要求涂料具有良好的使用性能，還必須具備優(yōu)良的高溫性能：一是涂層在溫度急劇變化時不開裂；二是涂層在高溫下的物理、化學性質穩(wěn)定，不與液態(tài)金屬發(fā)生化學反應，涂層能夠順利地從鑄件表面剝離。

只有涂層具備了以上高溫性能后，才能在高溫狀態(tài)下保持涂層的完整性，并在液態(tài)金屬與砂型之間起到有效的隔離作用。為保證所使用鋯砂粉涂料具有良好的抗粘砂性能，要求配制涂料所用鋯砂粉的ZrO2＞65%。此外，涂層還應具有較低的發(fā)氣性，以避免鑄鋼件表面產生氣孔、皺皮類缺陷。圖3是采用鋯砂粉涂料所生產鑄件打箱后的鑄態(tài)表面及涂層殘片，鑄態(tài)表面光滑平整。

圖1　良好的砂型涂層

圖2　較差的砂型涂層

6. 涂料與鑄件表面缺陷的預防

原砂選用優(yōu)質天然硅砂，鑄件局部特殊部位使用優(yōu)質鉻礦砂作為面砂，砂型表面刷鋯砂粉涂料，在正常條件下已能完全滿足鑄鋼件的生產需要。但當部分操作不到位時鑄件將產生較為嚴重的表面質量問題（在此不討論原材料影響），這些發(fā)生在鑄件表面的鑄造缺陷主要與鑄件結構、型砂緊實度、涂層厚度等因素有關，其中粘砂缺陷主要以滲透粘砂的形式存在。鑄鋼件典型表面粘砂缺陷見圖4a～圖4c，鑄鋼件典型表面不良缺陷見圖5a～圖5c。

針對上述表面缺陷，除正確使用優(yōu)質涂料外還應在鑄件造型過程中加強以下3方面的控制：

（1）加強型芯緊實度控制，保證涂料附著基底質量。

（2）根據(jù)鑄件大小、部位，嚴格控制涂層所需最小厚度。

（3）在鑄件易粘砂部位合理使用鉻鐵礦砂作為面砂。

通過采取上述工藝措施，可以較好地解決各類鑄鋼件的鑄造表面缺陷問題。圖6a～圖6c是各類大型鑄鋼件打箱后的正常鑄態(tài)表面，可見表面光潔，無粘砂等表面缺陷，圖7a～圖7c是采用樹脂砂工藝刷鋯砂粉涂料生產的典型大型鑄鋼件。

7. 結語

通過嚴格控制樹脂砂型質量，使用優(yōu)質鋯砂粉涂料完全能夠生產出鑄態(tài)表面光潔的各類鑄鋼件產品。

圖3　鑄鋼件打箱后的鑄態(tài)表面及涂層殘片

圖4　鑄鋼件典型表面粘砂缺陷

圖5　鑄鋼件典型表面不良缺陷

圖6　鑄件打箱后的正常鑄態(tài)表面

圖7　典型鑄鋼件產品

20150115

作者簡介：唐賢其，中國第二重型機械集團公司。