專利名稱：醇基或水基砂粉防滲透粘砂鑄造涂料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種涂料，具體的是一種厚大型鑄鋼件用醇基或水基砂粉防滲透粘砂鑄造涂料。
背景技術：
厚大型鑄鋼件由于澆注鋼水噸位大，壁厚大，鋼水保持液態(tài)時間長，表面鋼水易氧化，極易產生滲透粘砂缺陷。形成的鐵包砂、砂包鐵，給鑄鋼件的清理帶來極大困難，用一般的機械清理方法，根本無法清理掉。只能用乙炔火焰氣割加鐵條“熔洗”，這種方法操作時間長，使鑄件局部長時間受高熱烘烤，產生很大的熱應力，組織變脆，甚至引起裂紋，給鑄件質量造成更大的麻煩。因此，在厚大型鑄鋼件的生產中防止?jié)B透粘砂，是每一家鑄鋼廠不得不面對的技術難題。
目前，在國內外，防止厚大鑄鋼件產生滲透粘砂的方法有兩種采用特種砂做面砂和在砂型表面涂刷耐火涂料。
特種砂都有較高的耐火度，熱穩(wěn)定性好，化學惰性、不與鋼水起化學反應，激冷能力強。厚大型鑄鋼件可用鋯砂、鉻剛玉砂、棕剛玉砂、鉻鐵礦砂、鎂砂等特種砂作面砂。但也必須保證粒度足夠細，如果砂?？紫短?，鋼水照樣容易滲透。在保證砂粒較細的同時，還應保證砂粒之間應有足夠的粘結強度，防止砂粒相對產生滑動，加大砂?？紫?。但是保證做到這二點并不是容易的事，所以用特種砂作面砂也常常產生機械粘砂缺陷。例如，用白剛玉砂、棕剛玉砂作原砂(55/100目)，用呋喃樹脂作粘結劑，制作汽輪機前汽缸(毛重約5噸，澆注鋼水重量8噸)汽室型芯，刷鋯英粉涂料，型芯周圍鋼水厚度為60～200mm。結果產生了十分嚴重的滲透粘砂。
鉻鐵礦砂是個例外，即使采用很粗的(45/75目)鉻鐵礦砂，也很少有產生嚴重滲透粘砂的，這是因為鉻鐵礦砂在高溫下，砂粒中的FeO析出，呈塑性軟化狀，這種塑性軟化的FeO物質能使鉻鐵礦砂粒之間的點接觸變成面接觸，砂粒的體積增大、變形，砂粒之間相互擠壓，造成砂?？障洞蠓葴p小，甚至封閉，鋼水幾乎無法滲透。
鉻鐵礦砂不與鋼水及氧化物起反應，鋼水表面的氧化鐵能加強鉻鐵礦砂的表面封閉。正是由于這些原因，國內外鑄鋼廠都采用鉻鐵礦砂作面砂生產厚大鑄鋼件。
盡管采用鉻鐵礦砂作面砂，在防止厚大型鑄鋼件滲透粘砂是很有效的，但是，在造型生產中，在模型表面敷鉻鐵礦砂的操作是十分費工費時的。從理論上講，只要在砂型表面敷10mm厚就足以保證防粘砂的要求，但在實際操作中卻做不到。往往敷砂厚度達50～100mm，并且還要在鉻鐵礦礦砂表面涂刷鋯英粉涂料，造成大量的鉻鐵礦砂的浪費，生產成本是相當的高。
目前，最好的鑄鋼涂料是鋯英粉涂料，鋯英粉除了含65％的ZrO2，而且含有33％的SiO2。鋯英粉的理論分解溫度為1540℃，當溫度高于1540℃時，就會分解出SiO2和ZrO2。鑄件不大的時候，與鋯英粉涂料層接觸的高溫鋼水很快降到1540℃以下，這樣氧化鋯和二氧化硅能形成致密陶瓷狀固相燒結層，起到防粘砂的作用。
但是，當鑄鋼件大噸位厚壁時，鋼水的凝固時間很長，與涂料接觸的鋼水的溫度長時間保持在1540℃以上，超過了鋯英粉的分解溫度，鋯英粉在此溫度下逐層分解為ZrO2和游離SiO2，鋼水表面的FeO則可以與SiO2發(fā)生化學反應，生成低熔點的FeSiO3(熔點僅為1205℃)，形成融渣。涂料層被逐漸侵蝕掉，直至熔穿，涂料的隔離效果被破壞掉，鋼水能暢通無阻地往砂粒孔隙內滲透，形成滲透粘砂。
生產實踐證明，如果不用鉻鐵礦砂作面砂，僅僅在石英砂型表面涂刷鋯英粉涂料，是不能解決厚大鑄鋼件的粘砂問題。
目前，防止厚大型鑄鋼件滲透粘砂的技術和工藝手段不多，一般最常用的措施是用鉻鐵礦砂作砂型的面砂，再在其上涂刷鋯英粉涂料。這種工藝雖然效果較好，但操作麻煩，勞動強度高，生產成本也較高，廣泛應用受到限制。因此，研究新的厚大型鑄鋼件防滲透粘砂材料和工藝有著廣泛的市場需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種在解決厚大型鑄鋼件的滲透粘砂難題方面，其防粘砂性能優(yōu)于以鋯英粉涂料為代表的任何一種傳統(tǒng)涂料的醇基或水基砂粉防滲透粘砂鑄造涂料。
本發(fā)明解決上述問題的技術方案是一種醇基或水基砂粉防滲透粘砂鑄造涂料，以耐火骨料、懸浮劑、粘結劑、增稠劑和載體制備涂料，所述耐火骨料、懸浮劑、粘結劑、增稠劑和載體用量重量份分別為100、3～8、3～7、0.2～1.0和30～40；上述耐火骨料為耐火骨料砂和耐火骨料粉，骨料砂的粒度為55～260目；骨料粉的粒度為325目；其重量份分別為30～90、10～70；載體為醇類或水。
上述耐火骨料砂為鉻鐵礦砂、鉻剛玉砂、棕剛玉砂、鎂砂、鋯英砂中的一種或一種以上任何比例混合的混合物。
上述耐火骨料粉為鉻鐵礦粉、鉻剛玉粉、棕剛玉粉、鋁礬土粉、鎂砂粉、鋯英粉中的一種或一種以上任何比例混合的混合物。
上述懸浮劑為鈉基膨潤土、鋰基膨潤土、累托石及有機膨潤土中的一種或幾種以任何比例混合的混合物，其中所述有機膨潤土僅用于載體為醇類時；有機膨潤上需要用二甲苯引發(fā)(常規(guī)方法)。
當所述涂料的載體為醇類時，所述的粘結劑為醇溶酚醛樹脂、松香中的一種或二種任意配比的混合物；增稠劑為聚乙烯醇縮丁醛；當所述涂料的載體為水時，所述的粘結劑為水溶酚醛樹脂、硅溶膠、三聚磷酸鈉中的一種或一種以上的任意配比的混合物；增稠劑為聚醋酸乙烯乳液、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉(CMC)中的一種或一種以上任何比例混合的混合物。
所述的醇類為甲醇、乙醇、乙丙醇中的一種或一種以上任意比例混合的混合物；三種醇的濃度均≥90％。
一種醇基或水基砂粉防滲透粘砂鑄造涂料的使用方法，其涂層厚度為1-3mm，涂刷次數為1-5次。
首先對滲透粘砂的機理進行分析1、化學作用a.、鋼水在高溫下極易氧化，表面生成FeO。FeO能與石英砂或鋯英粉中的SiO2起化學反應，生成FeSiO3低熔物(熔點僅為1205℃)，使得涂料層和石英砂熔蝕渣化，耐火隔離層被破壞。鋼水長時間地保持液態(tài)，這種熔蝕作用就不斷進行，涂料層逐漸減薄并出現大量蝕洞、石英砂的直徑越來越小。生成的低熔點物能夠潤滑砂粒，使砂粒能產生相對滑動，其間隙不斷擴大。
b.、如果用水玻璃作型砂粘結劑，水玻璃不僅能熔蝕消耗石英砂顆粒，而且可以熔蝕和消耗鋯英粉涂料，破壞其隔離層的作用比FeO更甚。
2、物理作用a、砂粒粒度太粗，會造成砂?？紫短螅撍苋菀自谄潇o壓力或動壓力的作用下，克服孔隙中的沿程阻力而滲透。
b.石英砂在高溫下發(fā)生相變，體積產生剛性膨脹，不但擴大了砂粒的孔隙，而且生產的膨脹應力使涂料層內部產生拉應力而開裂、涂料層與其附著的砂型表面因其兩種材料的熱膨脹系數不同受剪應力而剝離，使鋼水很容易在其動、靜壓力的作用下滲透砂粒孔隙。砂?？紫对酱螅瑵B透越深。
c.高溫鋼水能否滲透砂?？紫叮€要看鋼水能否潤濕砂?？紫叮绻麧櫇?，鋼水的附加滲透壓力P的方向與其靜壓力的方向相同(指向砂型孔隙內部，規(guī)定該方向為正方向)，就能很容易地滲透。鋼水附加滲透壓力P可用以下公式描述P＝2σcosθ/r其中θ為金屬液與砂型空隙表面的潤濕角，σ為金屬液的表面張力，r為砂型孔隙半徑。
該式表明，當潤濕角小于90°，cosθ為正值，P大于零，說明鋼水能潤濕石英砂孔隙，鋼水的附加滲透壓力的方向是指向砂?？紫秲炔?，有利于滲透的發(fā)生；在潤濕的條件下，r越小，則P越大，反而越有利于滲透。但是r太大，則鋼水靜壓力起作用，仍然容易產生滲透粘砂。
高溫鋼水表面厚厚的一層FeO，能使鋼水潤濕石英砂型中類似于毛細孔的間隙，因此很容易生產滲透粘砂。
鑄造涂料要達到防滲透粘砂的效果，必須保證實現兩點一是骨料顆粒燒結封閉孔隙，形成一定厚度的封閉層；二是高化學穩(wěn)定性，不與鋼水和FeO起熔蝕反應，保證了封閉層的厚度和完整。
鑄造涂料主要由耐火骨料、懸浮劑、粘結劑、載體組成。對防粘砂起重要作用的是耐火骨料，其它成分的作用是與起保障涂料的工藝性能有關。因此，要研制成功作用類似鉻鐵礦砂的新型防滲透涂料，其關鍵技術是研究涂料的耐火骨料。其次是研究涂料懸浮穩(wěn)定性、涂刷性和涂層強度。
首先選擇了325目的鋯英粉、棕剛玉粉、鋁礬土粉、鎂砂粉、鉻鐵礦粉、鎂橄攬石粉、高鉻剛玉粉等以及它們的相互復合的粉料作為骨料，制成涂料，用于厚大鑄鋼件，均在熱節(jié)處產生嚴重的滲透粘砂。
分析原因，認為耐火骨料太細了，降低了涂層的耐火度。因為骨料越細，比表面積就越大，就越容易與FeO起化學反應，生成低熔物，使涂料層遭到破壞，這是涂料失效的主要原因。
試驗中還發(fā)現僅僅采用高耐火度的中性或弱酸性耐火粉料，也很容易受到FeO的侵蝕，而堿性的鉻鐵礦粉(其中含有大量FeO，約15～28％)則易受到石英砂的侵蝕，無法造成致密燒結層，這也是造成涂料失效的原因之一。
如果能夠阻止耐火骨料與FeO的反應、降低耐火骨料的比表面積以達到降低化學反應的活性、或者增加燒結劑，就有可能實現用涂料解決厚大鑄鋼件的滲透粘砂問題。因此，聯想到既然鉻鐵礦砂能起到防粘砂的作用，那么將鉻鐵礦砂、鉻剛玉砂、白剛玉砂、棕剛玉砂、鎂砂、鋯英砂做成涂料，也應能起到防粘砂的作用。因此采用粗于260目的不同砂種、不同粒度級配的砂粒作耐火骨料，大大地降低了比表面積，相應地提高了涂層的耐火度。
但是粗顆粒的砂做涂料會產生很多問題，尤其是難以懸浮。為了解決這個問題，本發(fā)明選擇了現有常用的鑄造涂料用懸浮劑，求得最佳配比，再加入合理比例的增稠劑、粘結劑。使涂料在比較稀、低密度的狀態(tài)中，也能穩(wěn)定地將大密度、粗顆粒骨料長時間地穩(wěn)定懸浮，不沉淀，不板結。并能有效地解決了涂刷性的問題，使得這種砂涂料的涂刷效果可以與細粉狀的鋯英粉涂料相媲美。
涂料的制作工藝簡單，將懸浮劑、增稠劑、粘結劑等助劑混和，過膠體磨10min，再與耐火骨料混合，倒入涂料攪拌桶攪拌1小時。
下面通過本發(fā)明的技術指標(見表1)和具體生產應用，進一步說明本發(fā)明的優(yōu)點和用涂。
表1

本發(fā)明的生產應用例1武漢汽輪發(fā)電機廠鑄鋼廠(CO2-水玻璃砂)，已使用防滲透涂料近2年，完全取代鋯英粉涂料生產大中小(毛重從50kg～12噸)各種材料的鑄鋼件(包括高錳鋼)近4000噸。
例2廣州重型機器廠鑄鍛公司(酯硬化堿酚醛樹脂砂)，用防滲透涂料代替鉻鐵礦砂和鋯英粉涂料生產了直徑8000mm、高度800mm、厚度300mm的45鋼大滾圈，毛重46噸、澆注鋼水總重71噸；球墨鑄鐵活塞φ500mm×9000mm，毛重15噸；水輪機不銹鋼葉片(ZG06Cr13Ni4Mo)，毛重4噸、澆注總重7噸。
例3中國第一拖拉機廠通鑄分廠(CO2-水玻璃砂)，用防滲透涂料取代醇基鋯英粉涂料生產汽輪機前汽缸，毛重3～5噸，尤其是解決了前汽缸汽室內部的表皮粘砂問題。以前用鋯英粉涂料時，前汽缸汽室內部100％的生產粘砂，為清除粘砂，每個前汽缸汽室內部需打磨一個月。
例4洛陽重型鑄鍛廠(CO2-水玻璃砂)，用防滲透涂料代替鉻鐵礦砂生產了毛重22噸、澆注總重33噸的ZG42CrMo4的半齒圈；輪帶，毛重57噸，澆注總重82噸，冒口直徑φ750mm，其冒口根部用防滲透涂料代替鉻鐵礦砂。
例5 武昌車輛廠鑄造廠，車輛部件側架(碳素鋼鑄鋼件，毛重約400kg)，磨耗板鉚接連接處，正是澆口進鋼水處，該處經常粘砂，涂刷鋯英粉涂料也不能解決問題，在該處用防滲透涂料，徹底地解決了滲透粘砂難題本發(fā)明的防滲透粘砂機理探討通過對從應用現場收集的鑄件涂料澆注后的涂料殘片分析，發(fā)現耐火度高，有很好的高溫穩(wěn)定性，涂料層不被鋼水及氧化物侵蝕，涂料殘片十分完整，幾乎沒有被熔蝕的孔洞和熔化的痕跡，甚至涂料層背面的石英砂被水玻璃被熔蝕，但與鋼水接觸的涂料層依然完好，涂層厚度不變。耐火骨料在高溫下能產生體積塑性膨脹，封閉了涂料的空隙，有著類似鉻鐵礦砂的作用，能很好的隔絕鋼水和砂型。
結論1.試驗和生產應用表明當這種涂料的涂刷厚度達到了2.5～3.0mm，完全可以替代鉻鐵礦面砂工藝，受到了工人們的歡迎。
2.當這種涂料的涂刷厚度達到1.0mm，其防滲透粘砂效果明顯優(yōu)于鋯英粉涂料。
3.盡管這是一種砂粉狀涂料，涂料密度為1.7～2.2g/cm3，但是，其懸浮穩(wěn)定性十分優(yōu)良。即使在較低的涂刷密度條件下，長時間存放或長途運輸，也不會沉淀和板結。
具體實施例方式
醇類物質為載體的醇基涂料配方實施例1醇基涂料配方1、耐火骨料
55/75目鉻鐵礦砂10kg75/150目鉻鐵礦砂 5kg100/200目鉻剛玉砂 10kg200/260目鎂砂 5kg325目鉻鐵礦粉 15kg325目鎂砂粉15kg325目棕剛玉粉 15kg325目鋯英粉25kg2、懸浮劑有機膨潤土 3kg3、粘結劑醇溶酚醛樹脂 7kg4、增稠劑聚乙烯醇縮丁醛 0.2kg5、載體乙醇、或甲醇、或乙丙醇、或它們任意比例的混合物40kg。
實施例2醇基涂料配方1、耐火骨料75/150目鉻鐵礦砂 30kg100/200目鉻剛玉砂 30kg200/260目鋯英砂30kg325目鋯英粉3kg325目棕剛玉粉 4kg325目鉻鐵礦粉 3kg2、懸浮劑鋰基膨潤土 4kg鈉基膨潤土 4kg3、粘結劑醇溶酚醛樹脂 1.5kg松香 1.5kg4、增稠劑聚乙烯醇縮丁醛 1.0kg5、載體甲醇、或乙醇、或乙丙醇、或它們任意比例的混合物35kg。
實施例3醇基涂料配方
1、耐火骨料75/150目鉻鐵礦砂 15kg100/200目鉻鐵礦砂 15kg200/260目鉻鐵礦砂 10kg200/260目棕剛玉砂 10kg325目鋁礬土粉 10kg325目鉻剛玉粉 20kg325目鋯英粉20kg2、懸浮劑鋰基膨潤土 1kg有機膨潤土 2kg累脫石 2kg3、粘結劑醇溶酚醛樹脂 3.5kg松香 1.5kg4、增稠劑聚乙烯醇縮丁醛 0.4kg5、載體甲醇、或乙醇、或乙丙醇、或它們任意比例的混合物37kg。
實施例4醇基涂料配方1、耐火骨料75/150目鉻鐵礦砂 40kg100/200目鉻鐵礦砂 10kg200/260目鉻鐵礦砂 20kg325目鋁礬土粉 10kg325目鋯英粉20kg2、懸浮劑鋰基膨潤土 2kg鈉基膨潤土 4kg3、粘結劑醇溶酚醛樹脂 3.0kg松香 1.5kg4、增稠劑聚乙烯醇縮丁醛 0.6kg3、載體甲醇、或乙醇、或乙丙醇、或它們任意比例的混合物30kg。
涂料制備方法醇基涂料制備方法將懸浮劑、增稠劑、粘結劑混合，過膠體磨10分鐘，再與耐火骨料混合，倒入涂料攪拌桶攪拌1小時。
涂刷方法涂刷厚度為1-3mm，涂刷次數為1-5次。
水為載體的水基涂料配方實施例5水基涂料配方1、耐火骨料55/100目鉻鐵礦砂 20kg75/150目棕剛玉砂 10kg325目鉻鐵礦粉 70kg2、懸浮劑鋰基膨潤土 3kg3、粘結劑水溶酚醛樹脂、 7.0kg4、增稠劑CMC0.2kg5、載體水40kg實施例6水基涂料配方1、耐火骨料75/150目鉻鐵礦砂 20kg100/200目鉻鐵礦砂 30kg200/260目鉻鋼玉砂 20kg200/260目鋯英砂10kg325目鋁礬土粉 20kg2、懸浮劑鈉基膨潤土、 3kg累托石、 3kg3、粘結劑水溶酚醛樹脂 2kg硅溶膠 3kg4、增稠劑CMC0.3kg海藻酸鈉 0.3kg5、載體水35kg實施例7水基涂料配方
1、耐火骨料75/150目鉻鐵礦砂 20kg100/200目鉻鐵礦砂 15kg200/260目鉻鋼玉砂 20kg200/260目棕鋼玉砂 5kg325目鋁礬土粉 10kg325目鋯英粉30kg2、懸浮劑鋰基膨潤土 1kg鈉基膨潤土 1kg累托石、 3kg3、粘結劑水溶性酚醛樹脂 3kg硅溶膠 3kg4、增稠劑CMC0.2kg海藻酸鈉 0.2kg5、載體水38kg實施例8水基涂料配方1、耐火骨料75/150目鉻鐵礦砂 30kg100/200目鉻鐵礦砂 20kg200/260目鉻鋼玉砂 20kg200/260目鎂砂 20kg325目鋁礬土粉 5kg325目鋯英粉5kg2、懸浮劑鋰基膨潤土、 1kg鈉基膨潤土、 4kg累托石、 3kg3、粘結劑水溶酚醛樹脂 1.0kg硅溶膠 1.5kg三聚磷酸鈉 0.5kg4、增稠劑CMC0.2kg
海藻酸鈉 0.4kg聚醋酸乙烯乳液 0.4kg5、載體水30kg涂料制備方法1、 按上述配比的材料加入涂料制備設備中混合0.5小時即可使用?？捎玫耐苛现苽湓O備有膠體磨、球磨機。
2、涂料的涂刷方法涂刷厚度為1-3mm，涂刷次數為1-5次。
權利要求
1.一種醇基或水基砂粉防滲透粘砂鑄造涂料，其特征在于以耐火骨料、懸浮劑、粘結劑、增稠劑和載體制備涂料，所述耐火骨料、懸浮劑、粘結劑、增稠劑和載體用量重量份分別為100、3～8、3～7、0.2～1.0和20～40；上述耐火骨料為耐火骨料砂和耐火骨料粉，其重量份分別為30～90、10～70；載體為醇類或水。
2.如權利要求1所的鑄造涂料，其特征在于所述的耐火骨料砂為鉻鐵礦砂、鉻剛玉砂、棕剛玉砂、鎂砂、鋯英砂中的一種或一種以上任何比例混合的混合物。
3.如權利要求1所述的鑄造涂料，其特征在于所述的耐火骨料粉為鉻鐵礦粉、鉻剛玉粉、棕剛玉粉、鎂砂粉、鋯英粉中的一種或一種以上任何比例混合的混合物。
4.如權利要求1所述上述的鑄造涂料，其特征在于所述的懸浮劑為鈉基膨潤土、鋰基膨潤土、累托石及有機膨潤土中的一種或一種以上任何比例混合的混合物，其中所述有機膨潤土僅用于載體為醇類時；有機膨潤土需要用二甲苯引發(fā)。
5.如權利要求1所述的鑄造涂料，其特征在于當所述涂料的載體為醇類時，所述的粘結劑為醇溶酚醛樹脂、松香中的一種或二種任意配比的混合物；增稠劑為聚乙烯醇縮丁醛；
6.如權利要求1所述的鑄造涂料，其特征在于當所述涂料的載體為水時，所述的粘結劑為水溶酚醛樹脂、硅溶膠、三聚磷酸鈉中的一種或一種以上的任意配比的混合物；增稠劑為聚醋酸乙烯乳液、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉中的一種或一種以上任何比例混合的混合物。
7.如權利要求1所述的鑄造涂料，其特征在于所述的醇類為甲醇、乙醇、乙丙醇中的一種或一種以上任意比例混合的混合物。
8.一種醇基及或基砂粉防滲透粘砂鑄造涂料的使用方法，其涂層厚度為1-3mm，涂刷次數為1-5次。
全文摘要
一種醇基或水基砂粉防滲透粘砂鑄造涂料，以耐火骨料、懸浮劑、粘結劑、增稠劑和載體制備涂料，所述耐火骨料、懸浮劑、粘結劑、增稠劑和載體用量重量份分別為100、3～8、3～7、0.2～1.0和30～40。本發(fā)明以鉻鐵礦砂等骨料砂為主料，配制出的涂料其防粘砂性能優(yōu)于鋯英粉涂料為代表的任何一種傳統(tǒng)涂料，提供了一種解決厚大型鑄鋼件的滲透粘砂難題方面的新型涂料。
文檔編號B22C3/00GK1666828SQ20051001816
公開日2005年9月14日 申請日期2005年1月18日 優(yōu)先權日2005年1月18日
發(fā)明者張友壽, 黃晉, 夏露, 李四年 申請人:湖北工業(yè)大學