大型铸件用刚玉水基喷涂涂料的研究
陈学更，韩 文，朱劲松，李天才 （ 宁夏共享化工有限公司，宁夏银川 750021）
0 引言
随着铸造行业的发展，铸造涂料也开始由传统的醇基涂料向水基涂料转变，特别是近几年来，铸造行业开始掀起绿色化的浪潮，污染小、能耗低的水基涂料得到迅猛发展。相对于刷涂，流涂、浸涂和喷涂的效率更高，但流涂和浸涂只适合小型铸件的造型需求，对于大型铸件则无法操作，而喷涂则特别适合大型铸件的造型需求。传统醇基涂料向水基涂料的过渡和发展，先都是从大吨位铸件的生产开始的，然而大吨位铸件的造型成本往往很高。为保证砂型质量和铸件质量，需要优先考虑使用水基喷涂涂料。
目前国内一些大型铸钢厂并未完全采用水基喷涂涂料，而是将刷涂和喷涂交叉使用，既影响造型效率，也给质量控制和现场管理带来不便，使用的也并非是特定用于喷涂工艺的铸造涂料，对喷涂涂料的认识也比较薄弱。本文从这些实际需求出发，着重考察悬浮剂、黏结剂、表面活性剂、分散时间等因素对铸件用水基喷涂涂料性能的影响，这对大型铸件用水基喷涂涂料的推广应用具有积极意义。
1 实验部分
1.1 原材料及仪器
1.1.1 原材料
白刚玉［m（Al2O3）≥ 99%］、凹凸棒土、CMC（羧甲基纤维素钠）、PVA（聚乙烯醇）、EFKA 3288、氧化锌、五氯酚钠、有机硅消泡剂、其它助剂，均为工业级。
1.1.2 仪器
ZMD-550 分散砂磨机、涂-4 杯、NDJ-5s 旋转黏度计、发气量测定仪、涂料耐磨性测定仪、烧结点测定仪等。
1.2 涂料的制备
将凹凸棒土与水按质量比1∶4 混合，完全分散均匀，制得预处理凹凸棒土浆液。
在分散罐中加入足量的水，在高速搅拌状态下，缓慢加入CMC，然后升温至60℃，持续搅拌30 min，使其完全溶解。
在分散罐中加入足量的水，在高速搅拌状态下，缓慢加入PVA，然后升温至80℃，持续搅拌20 min，使其完全溶解。
向分散罐中加入水、五氯酚钠、有机硅消泡剂、预处理凹凸棒土浆液，于1 200 r/min 高速分散20 min ；依次加入CMC 预处理液、PVA 预处理液，分散20 min ；加入其它助剂，然后分批加入白刚玉，继续分散20 min，制备结束。
1.3 涂料性能分析
1.3.1 涂层耐磨强度测定
参考机械行业标准JB/T 9226—2008《铸造用涂料》，用涂料耐磨性测定仪测定涂层耐磨强度。
1.3.2 涂料剪切稀释指数的测定
采用NDJ-5s 旋转黏度计分别测定涂料在6 r/min和60 r/min 剪切速率下的黏度，两者比值即为涂料的剪切稀释指数，用其反映涂料剪切变稀的特性。
1.3.3 耐火骨料烧结点的测定
采用烧结点测定仪测定耐火骨料的烧结点。
2 结果与讨论
2.1 悬浮剂加入量对喷涂涂料性能的影响
本实验在基本研发实验基础上，以凹凸棒土为悬浮剂，考查了其不同的加入量对涂料性能的影响。实验结果如表1 所示。
由表1 可见：凹凸棒土的加入量不同，直接影响喷涂涂料的悬浮稳定性、剪切稀释指数、黏度等指标，涂料的悬浮性和黏度随凹凸棒土加入量的增加而升高。综合考虑悬浮性、剪切稀释指数、黏度指标，适宜的凹凸棒土悬浮剂加入量为涂料总质量的2.5%~3.0%。
2.2 黏结剂及加入量对喷涂涂料性能的影响
黏结剂加入量过低，涂层强度低；加入量过高，刷涂性较差（刷不开，刷痕大）。本实验在前面实验的基础上，通过选用不同的黏结剂（PVA 和CMC）及加入量，考察黏结剂对铸造涂料性能的影响，结果见表2 和图1（固定凹凸棒土悬浮剂加入量为2.8%）。
由表2 可见：随黏结剂加入量的增加，能明显提高涂层的耐磨性和剪切稀释指数，但会增加涂料的发气量，这将对铸件造成不良影响，如产生气孔等缺陷。通过多次对比实验，综合各因素，黏结剂PVA 按1.0%（占耐火材料质量分数）、CMC 按0.2%（占耐火材料质量分数）的加入量制备的涂料，黏结剂含量低，发气量小，喷涂效果好。
2.3 改性助剂对喷涂涂料性能的影响
大型铸件用水基喷涂涂料属于高固含量涂料，并且由于刷涂、喷涂等操作均在高波美度条件下进行，尤其是喷涂，其操作波美度在90~100°Bé。如果对涂料不加改性，喷涂操作较为困难，要么容易堵塞高压喷嘴，要么喷嘴损坏加快，更换频繁，这都给喷涂操作带来不利影响。终选用了一种端基改性的有机硅EFKA 3288，来改善涂料的喷涂性能。改性助剂对铸造喷涂涂料性能的影响见表3。
由表3 可见：加入适量的EFKA 3288，能够显著提高涂料的剪切稀释指数，改善涂料的流变性能，相应地提高涂料的喷涂性能。但其加入量不能过多，否则将造成涂料的固含量过分降低，这将导致在喷涂过程中，载液飞散损失过大，涂层不容易形成，且延长烘烤干燥的时间。根据实验结果，终确定EFKA3288 的加入量在0.4%~0.6% 为宜。
2.4 涂料的分散时间对喷涂涂料性能的影响
粉料必须经过充分的搅拌、分散才能使耐火材料颗粒充分润湿，从而保证涂料优良的流变性，提高涂料体系的稳定性。本实验在前面实验基础上，考察涂料在分散釜中的分散时间对铸造涂料性能的影响，结果见表4。
由表4 可见：一定程度上延长涂料分散时间，涂料的剪切稀释指数、悬浮性均有所改善，而条件黏度有轻微的下降；随着分散时间的继续延长，涂料的各项性能基本趋于稳定。根据实验结果，终确定涂料的分散时间为30 min。
2.5 改善涂料烧结性能、降低烧结点的措施
该涂料选用高纯白刚玉作为高温耐火骨料。由于氧化铝系耐火材料的烧结点普遍较高，经烧结点测定仪测得，本实验采用的白刚玉的烧结点为1 882℃，而铸钢工艺中铁水的浇铸温度约为1 630~1 650℃。在该条件下，因为耐火材料的烧结点高于铁水浇铸温度，铁水浇铸后，涂料层无法烧结形成致密结构，一方面将导致铁水通过耐火材料颗粒渗透到砂型中，导致形成针刺等机械粘砂，另一方面导致涂层的剥离性差，加大铸件的清理工作量，铸件的废品率、成本也将随之上升。
为解决氧化铝系涂料可能发生的机械粘砂和剥离性差的问题，必须加入烧结助剂，来降低耐火材料的烧结点，并且要低于铁水的浇铸温度。考虑到浇铸后热传导等因素，实际的烧结温度要保证比铁水浇铸温度低20℃以上。本实验选用氧化锌、氧化铈及氧化锌和氧化铈以不同质量比例混合的烧结剂共3 种类型的烧结剂，烧结剂加入比例控制在0.8%（占耐火材料的总质量之比），通过测定涂料的烧结点来衡量烧结助剂对涂料烧结性能的影响。其结果如表5所示。
从实验结果可以看出，无论是氧化锌还是氧化铈，加入单一组分的烧结剂，并不能显著降低涂料的烧结点；而采用氧化锌和氧化铈混合的复合烧结剂，效果较为明显。本实验中，共设置了4 种不同的复配比例，其质量配比分别为1∶1、2∶1、4∶1、6∶1。结果显示，当氧化锌和氧化铈的配比为4∶1 时，烧结点低，比未加烧结助剂时低257℃，比低铁水浇铸温度低25℃。在该条件下，涂料能够烧结，既避免了机械粘砂，又能提高涂料的剥离性。
3 结语
（1） 通过对大型铸件用刚玉水基喷涂涂料的研究，确定了佳涂料制备工艺：凹凸棒土悬浮剂2.5%~3.0%，PVA 1.0%，CMC 0.2%，EFKA 32880.4%~0.6%，分散时间控制在30 min 左右。
（2） 向水基涂料中添加有机硅类助剂，能明显增加涂料的剪切稀释指数，从而改善涂料的喷涂性能，但其加入量不宜过大，否则会降低涂料的固含量。
（3） 白刚玉单一骨料存在烧结温度过高的问题，在铸件浇铸温度下并不能发生烧结，通过加入氧化铈和氧化锌（质量配比1∶4）复配的烧结助剂，能够将烧结点降至浇铸温度以下，使耐火骨料发生适度烧结而形成致密的玻璃体，从而提高涂料的抗粘砂性能。
