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铝镁合金压铸涂料的研制
2015-02-15
    AL-Mg合金因密度小、比强度和比刚度高、成形性和导热性能好等优点,被广泛应用于汽车、电子、航空航天和国防等领域。压铸是AL-Mg合金铸造生产中广泛应用的一种工艺,具有铸件精度高、表面粗糙度低(精度可达7级,粗糙度可达6.3μm)、力学性能好、生产效率高、环保等优点。但是,在生产过程中,压铸模表面要承受巨大的热冲击和高温金属液冲刷,会引起模具壁热疲劳而过早报废。另外,模具壁还会发生成分转变,使基体体积长大,导致型腔变形,从而大大缩短了模具使用寿命。为了延长压铸模使用寿命和提高压铸件良品率,可以在模具表面涂覆一层高性能防护涂料,但是,普通涂料无法承受高温煅烧和金属液体的反复冲刷。因此,研制一种耐火度高、抗裂性能优异、润滑性优良的保温涂料就非常必要。
1.  AL-Mg合金压铸涂料的作用
    AL-Mg合金压铸涂料主要应用于压铸领域,将其涂覆在预热至200~300℃的压铸模表面,具有以下作用:
    ①当涂料涂覆于模具表面后,随着水分挥发,在模具表面形成一层微米级薄膜,它将金属液和模具隔离开,防止金属液渗入模具表面造成粘模,同时可以防止浇注时发生冲模和夹料现象;
    ②可大幅度减轻高温AL-Mg合金液浇注时对压铸模冲击和对型腔表面冲刷,提高模具使用寿命;
    ③由于模具表面粗糙度极大地影响着铸造过程中的保温性能,通过选用不同粒径的原料砂粒配制涂料,可调节铸件表面光滑程度来满足铸造过程中对保温性能的要求;
    ④根据使用不同性能涂料来调节系统热阻,控制铸件的冷却速度,保证其组织和性能达到要求;
    ⑤压铸涂料有一定的润滑作用,可改善金属液填充条件,减少铸件冷隔、厚薄不均等缺陷。
 
2. AL-Mg合金压铸涂料的基本组成
    AL-Mg合金压铸涂料主要由耐火骨料、载液、悬浮稳定剂、粘结剂、分散剂及其他配料组成。各组分用高速剪切分散机使其分散均匀,制备成膏状,在涂挂和机械喷涂过程中发挥综合作用。
 
2.1 压铸涂料各组分选择
    (1) 耐火骨料:耐火骨料是AL-Mg合金压铸涂料的主要组成部分,它在涂料中比例高达40%~80%,具有隔离、绝热和调节表面粗糙度等作用。耐火骨料对涂层耐火度和热化学稳定性影响尤为明显。同时,选用粉料时还应综合考虑其他因素,如粒度、密度、热膨胀系数、热导率、发气量、来源及价格和对人体与环境的危害等。耐火骨料的选择由合金的种类决定,AL-Mg合金铸件多采用刚玉、石英和高岭土等混合骨料。
    (2)载液 载液既是耐火骨料的分散介质也是其他组分的溶剂,也是喷涂的稀释剂。水和有机溶剂是最常用的载液,以水为载液的涂料称为水基涂料。使用有机溶剂作为载液时,涂料成本较高而且往往具有刺激性气味。因此,采用来源广泛而价格低廉的水作为载液,其作业安全且无毒无味。
    (3)悬浮稳定剂 悬浮稳定剂是使固体粉末原料稳定悬浮在载液中的物质,使涂料具有一定的流变性能。它通过自身在载液中的扩散力、吸附力和载荷力等,使高密度耐火骨料悬浮在载液中,并保持均匀的状态。膨润土、凹凸棒土和累托石常用作无机悬浮剂。
    (4)粘结剂 为使颗粒粉料能够粘结成具有一定强度的涂料层,须在体系中加入粘结剂。涂层所在的工作环境非常苛刻,要在600℃以上的高温金属液冲刷下保持很好的粘附性,还要保证涂层不能开裂和产生积碳的问题。采用聚乙烯醇作为粘结剂,可保证涂层在高温下具有一定的强度。
    (5)其他 压铸涂料除了以上组分外还包含一些其他助剂,例如表面活性剂、消泡剂、增稠剂、润湿剂、着色剂、抗菌剂和防腐剂等。
2.2   配方的确定
     根据工艺要求和配方选择原则 ,并在大量的试验基础上, 筛选出了合适的耐火骨料、 载液、 悬浮稳定剂、 粘结剂和助剂。 接着又对它们进行复配试验, 得到了性能稳定的配方。 在此基础上, 又进行了多次铝合金压铸实际测试, 改进和筛选出了最后的配 方 ( 质 量 分 数)为:20% ~25%的刚玉,8% ~12%的高岭土,20% ~25% 的膨润土,0.2%~0.5%的 聚乙烯醇,7% ~15% 的 硅 溶胶, <0.2% 的助剂,余为水。 解决了生产中出现的保温效果差和稳定性差的问题。
 
3、AL-Mg合金压铸涂料的制备过程采用
    刚玉、石英和高岭土等混合骨料作为 耐火骨料, 水作为载液,膨润土作为悬浮剂, 聚乙烯醇( 聚合度为1750±50) 作为粘结剂, 还有其他助剂。
    将预制的刚玉、石英和高岭土的混料、膨润土、聚乙烯醇的水溶液、硅溶胶和助剂按照试验设定比 例依次加入容器中 , 用高速剪切机分散1h, 得到所需 涂 料。 将分散均匀的涂料与水按照1:50 的比例稀释后, 加入到高压涂料喷枪中 , 震荡后制成可现场使用的压铸涂料。
4   AL-Mg合金压铸涂料的性能
4.1  脱模效果测试
    将配制好的涂料均匀喷涂在压铸模表面, 按保温性能要求在不同部位喷涂相应厚度的涂料。 当涂料喷涂在预热到200~300℃ 的压铸模表面时, 水分立即挥发,在模具表面形成一层微米级 保温涂层, 使铸件轻松从模具中取出 , 并有效地保证了铸件表面粗糙度 和完整性。
其脱模效果见图1。从图1中可以看到,铸件表面光洁锃亮, 棱角饱满无缺陷,表明涂料能够达到实际生产中的脱模要求, 效果良好。
图1 采用自制的脱模剂生产的压铸件实物图
4.2   粘附性能测试
    采用划痕法 测试粘附性能: 将40mm×100mm金属 基 板 在 200~300 ℃ 下 预 热 10min, 接 着 将 按1:50( 涂料∶ 水)稀释的涂料喷涂到金属板上, 静置10s, 放入100℃ 烘箱中烘24h。 将烘干的样品取出 , 冷却至室温, 用刀片在烘干的涂料表面刻划, 根据表面划痕的宽度、 深度以及表面破坏情况来评价涂料 粘附性能。
    测试结果表明 , 按配方生产的涂料粘附性能与标样相当 , 达到生产要求的粘附程度。
4.3   自制涂料与国内 外同类产品性能对比
将自制涂料与国内外同 类产品脱模效果进行比较,其结果见表1:       

   表1自制涂料与国内外同类产品性能对比
     由表1可知,自制涂料性能可以与国外产 品在粘附性、 稳定性和耐腐 蚀性等性能上相媲美, 而明显优于国内产品 。
结束语:
        采用通用耐火骨料、 载液、 悬浮稳定剂、粘结剂、分散剂及其他 配 料, 按一定配比制备耐高温压铸涂料。该涂料具有良好的悬浮性、 涂覆性、 润滑性和附着强度,可以延长模具使用寿命, 缩短生产周。

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