影响水玻璃涂料性能的因素
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铸
FOU N DRY
造 Vol 51 No 10
Oct. 2002
影响水玻璃涂料性能的因素
甘玉生
(太原重型机械学院材料工程系, 山西太原030024)
摘要:对熔模铸造用水玻璃涂料存在的性能问题进行了综合分析, 指出了水玻璃、耐火粉料、表面活性剂等是影响水
玻璃涂料性能的主要因素, 并提出改进措施。
关键词:熔模铸造; 水玻璃涂料性能
中图分类号:T G221+ 1 文献标识码:B 文章编号:1001 4977(2002) 10 0646 03
Affecting Factors for the Properties of Sodium Silicate Coatings in
Investment Casting
GAN Yu sheng
(Materials an d Engineering Department of Taiyuan Heavy Machin ery Institute, Taiyuan 030024, Shanxi, China) 在熔模铸造生产中, 水玻璃涂料因成本低廉又能满足一般精铸件的要求, 仍被多数厂家使用。在使用中各厂家都会遇到各种各样的问题, 而这些问题都会对铸件的质量产生不同程度的影响。水玻璃涂料产生问题的原因是多方面的、较复杂的和相互关联的。
1 水玻璃涂料性能的基本要求
(1) 良好的涂刷性。良好的涂刷性可使涂料在熔模表面形成厚度适宜、分布均匀、不堆积、不流淌的涂层, 完整地复制熔模表面形状。(2) 涂料各组份分散均匀、悬浮稳定、粘度适宜且能与熔模充分润湿。(3) 表面涂层与高温金属液体接触时不应发生化学反应, 这一点对铸件表面质量至关重要。
图1 在涂料杯口形成的粘滞层
容易被忽视。参数的不一致性表现在两个方面, 其一是模数的不一致性, 相当多的水玻璃生产厂用高于规定模数的固体原料生产水玻璃溶液, 然后再加氢氧化钠来调整模数, 此时介质处于不稳定分散状态, 只有经过长时间的静置扩散(分散) 才能使溶液模数趋于一致, 达到稳定的分散状态。这一过程所需时间在1周以上, 如图2所示。如果急于使用则不可能获得理想的涂料性能。其二是溶液密度的不一致性, 在配制涂料前通常要对水玻璃溶液的密度进行调整, 应特别注意加水搅拌后马上测得的密度是不真实的, 因为溶液分散稳定的过程尚未完成, 与所希望的密度有一定的误差。
2 1 2 水玻璃对涂料高温稳定性的影响
水玻璃中的杂质会对涂料高温稳定性产生影响, 杂质主要是由原料(石英砂) 带入以及烧制过程中与耐火砖反应产生的金属氧化物和无机盐; 此外, 固体原料装卸时落入沉淀池中的泥土也含有金属氧化物, 这些都会对涂料的高温化学稳定性造成不利影响。试验证明, 有些杂质在900 以上仍继续气化。例如经
2 影响水玻璃涂料性能的因素分析
2 1 水玻璃的影响
2 1 1 水玻璃对涂料粘度的影响
水玻璃是以硅酸离子为主, 亚胶粒子为辅的分散介质, 随着模数的增大亚胶粒子比例增加, 粘度也随之增加, 过高粘度会使涂料的涂刷性能恶化, 见表1。
表1 涂料粘度、残留涂料重量与水玻璃模数的关系
水玻璃模数流杯粘度/s 残留涂料/g
3 451535
3 351126
3 21818
2 9751
注:耐火粉料280~320目双峰多角形石英粉, 粉液比1 1 4, 水
玻璃密度为1 285g/cm 3
从表1可以看出, 随水玻璃模数的增加涂料粘度增加, 断流后涂料杯内残留涂料也在增加。试验中发现, 粘度高的涂料流出时在出口周围有一圈较厚的粘滞层如图1所示, 它使涂料流变细, 流出缓慢, 说明涂料的涂刷性变差。
水玻璃参数的不一致性对涂料性能的影响很大且
收稿日期:2002 02 27收到初稿, 2002 07 20收到修订稿。
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图2 静置时间与模数的关系
900 焙烧的涂料片200g 再升温到1200 保温40min 后, 统计重量平均减少了95mg, 见表2。
表2 水玻璃涂料的烧损量
烧损量焙烧前重量/g
炉次
1200
2200
3200
4200
5200
6200
平均量200
图4 粉粒形状对流动距离的影响
这是因为粉粒形状越接近片状其比表面积越大, 颗粒间的摩擦力和作用力越大, 涂料的剪切应力越大, 流动性越差, 表观粘度越大的缘故。石英粉中的杂质含量对水玻璃涂料的流动性没有影响(至少是试验中未测出) ; 但对硅酸乙脂涂料有影响。2 3 水玻璃密度和粉液比的综合影响
水玻璃密度和粉液比的变化对表层涂料性能的影响是非常直观的。水玻璃密度和粉液比过大时, 涂料粘度增加、涂刷性变差、涂层变厚引起硬化不良而出现鼓胀或分层剥落等问题; 反之涂料的涂刷性好, 但密度降低导致涂层内出现蜂窝孔而引发铸件表面黄瓜刺。表3是在室温23 条件下, 不同水玻璃密度和不同粉液比涂料的试验结果。
表3 水玻璃密度和粉液比对涂料涂刷性的影响
粉液比1 15 11 25 11 35 1
水玻璃密度/(g ! cm 3)
1 25大蜂窝
1 26小蜂窝
1 27长裂纹
1 28龟裂纹
1 29A=70B=0 40
短裂纹A=60B=0 55
光滑A=45B=0 70局部鼓胀
A =115B=0 20A =100B=0 22A=90B=0 24A=80B=0 30A =100B=0 24A=90B=0 30A=80B=0 35A=65B=0 48
大蜂窝
小蜂窝
龟裂纹
光滑
A=85B=0 30A=75B=0 40A=65B=0 45A=55B=0 60
粉化
局部粉化
表面粗
光滑
焙烧后重量/g 199 907199 905199 902199 905199 907199 904199 905烧损重量/m g [1**********]695
这些杂质焙烧后仍然存在, 浇注时会与金属液发生化学反应而使铸件出现气孔。杂质含量与铸件出现气孔概率的关系如图3所示, 由图可以看出当杂质含量超过0 8%时,
铸件出现气孔的概率会急剧上升。
图3 杂质对气孔率的影响
2 2 耐火粉料的影响
2 2 1 耐火粉料对涂料高温稳定性的影响
在熔融石英粉中分别加入K 2O 、Na 2O 、CaO 、M gO 或Fe 2O 3等粉料0 8%配制的涂料壳, 在同样条件下浇注铸件, 检查后发现用加入Fe 2O 3粉的涂料壳所浇铸件100%出现多处气孔及化学反应痕迹; 而用加入另外4种氧化物的涂料壳所浇铸件基本未出现气孔与反应痕迹。当Fe 2O 3粉加入量为0 4%时气孔基本消失。这说明对一般铸件而言, Fe 2O 3杂质对涂料的高温稳定性影响最大, 另外4种杂质并无明显影响。2 2 2 耐火粉料对涂料涂刷性的影响
耐火粉料颗粒的分布和显微形状对涂料涂刷性的影响较大, 双峰粉料涂料具有较好的涂刷性是公认的。但即便是粒度分布基本相同的双峰粉料, 用显微形状分别呈多角、尖角和片状的粉料配制涂料时, 在粉液比和水玻璃模数相同的条件下其涂刷性也会有很大的差异。在玻璃板上分别滴落等体积的3种涂料并
(4) 注:A ∀∀∀流动距离(mm) , B ∀∀∀涂层厚度(mm)
2 4 涂料制备工艺的影响
制备工艺正确与否主要对涂料的分散均匀性产生影响, 涂料均匀性的好与坏对小而复杂的铸件质量影响明显。制备工艺包括水玻璃密度的调整、加料顺序、辅料的加入时机以及搅拌和静置时间。
涂料的密度在加水搅拌后直接测量与静置1h 后测量的结果是不一样的, 密度值不准确会直接影响涂料的性能。
一般情况下主料加入顺序对涂料性能没有影响, 但如果所配涂料急于使用, 就应该在加入水玻璃后边搅拌边加入耐火粉料, 这样有利于涂料尽快均匀。若将粉料1次或2次集中加入则会大大延长搅拌时间, 搅拌时间越长带入涂料中的气泡越多, 消泡越困难。气泡过多的涂料极容易在铸件的拐角处形成金属豆而影响铸件的表面质量。
应在
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主料搅拌均匀后加入, 并尽量减少加入后的搅拌时间, 因为卷入的气体会抑制消泡剂的作用。图5给出了加入表面活性剂和消泡剂后搅拌(叶片搅拌机) 时间与涂料含气量的关系。
些离子将与硬化液发生化学反应, 会对涂料的涂刷性能和硬化过程造成不良影响。2 7 温度的影响
由于水玻璃的粘度随温度降低而增加, 所以涂料
的涂刷性也会随温度的降低而变差, 造成涂层变厚和涂料堆积, 导致硬化不良。温度对涂刷性的影响可由图6
直观地看出。
图5 加入消泡剂后搅拌时间与含气量的关系
应该说明涂料中各组份的悬浮性是有差异的, 以水玻璃石英粉涂料为例, 搅拌均匀的涂料一旦停止搅拌就会开始沉淀, 静置1h 后同一桶涂料上下的流杯粘度差达5s 之多。显然, 水玻璃模数和密度越大沉淀倾向越小, 但会恶化涂料的涂刷性。采用L 型涂料搅拌机进行连续搅拌可保证涂料的悬浮性。2 5 表面活性剂和消泡剂的影响
表面活性剂和消泡剂都对涂料的涂刷性产生影响。采用洗洁净或洗衣粉作为表面活性剂是可行的, 但要特别注意不能采用增白洗衣粉, 因为其中的P +
+
5
图6 温度对涂刷性的影响
3 保证涂料性能的措施
(1) 购进的水玻璃溶液应静置1周以上再使用, 以确保成分的均匀和杂质的充分沉淀; 使用前应对水玻璃的模数和杂质含量进行检测, 模数应在3 1~3 3之间, 杂质含量应#0 8%。
(2) 调整水玻璃密度时应使用软水, 在加水充分搅拌并静置1h 后再测量其密度, 以确保密度的准确性。
(3) 耐火粉料以酸洗双峰粉料为好, 且片状颗粒的含量不得超过20%, 有害杂质含量应小于2%, 其中Fe 2O 3的含量应在0 4%以下。
(4) 如采用洗衣粉作表面活性剂, 应以低泡无增白作用的品种为好。熔模脱脂和涂料应用同1种表面
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和Cl 会与水玻璃发生反应而影响涂料的性能。涂料中过多的气泡将在涂层中形成孔洞, 使铸件表面出现铁豆, 但微小气泡的存在不会影响铸件的表面质量, 相反会有利于提高涂料的涂刷性能。因此, 在不影响铸件表面质量的条件下, 消泡剂的加入量少些为好。这与以往文献资料的观点是相反的。这是因为含气涂料的屈服值小, 粘度低的缘故。真空消泡时间与涂料流杯粘度的关系见表4。
表4 消泡时间与涂料粘度的关系
真空消泡时间/s 流杯粘度/s
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活性剂, 否则可能会因2种表面活性剂的化学作用而影响涂刷性能。
(5) 为保证涂料的良好涂刷性, 操作环境温度必须保证在15 以上。
(编辑:李世成, lishch@foundryworld com )
2 6 水质的影响
调整水玻璃密度所用的溶剂是水, 水质将直接对水玻璃性能产生影响, 使用硬水做溶剂时, 水中的某
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