張正貴,陳昊男,朱萬波,肖鐵

(沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 材料科學(xué)系,遼寧 沈陽 110044)

我國從20世紀(jì)40年代開始在工業(yè)上應(yīng)用壓力鑄造技術(shù),在50年代得到大量應(yīng)用,這得益于壓鑄機(jī)的進(jìn)步,當(dāng)時(shí)從國外引進(jìn)了各種壓鑄機(jī),將壓鑄件大批量的應(yīng)用于汽車、電工和儀表行業(yè)中,從此壓鑄工藝得到迅速發(fā)展,至20世紀(jì)80年代,我國的壓鑄技術(shù)已達(dá)到相當(dāng)水平[1]。壓鑄件幾乎涉及所有工業(yè)門類,隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,壓鑄件產(chǎn)量增長非常迅速,對(duì)壓鑄件形狀的要求也日趨復(fù)雜。而脫模劑是獲得高質(zhì)量壓鑄件的關(guān)鍵要素之一,為了能使壓鑄件順利成型出模,壓鑄前將脫模劑涂覆在壓鑄機(jī)型腔和壓室表面,使壓鑄件順利的從模具中取出,并保證產(chǎn)品的完整性和后加工性。壓鑄件產(chǎn)品大多缺陷跟脫模劑的使用有關(guān),其選擇與涂覆方法不當(dāng)直接或間接影響壓鑄件產(chǎn)品質(zhì)量[2]。目前壓鑄生產(chǎn)中絕大多數(shù)用的是水基脫模劑,而油基脫模劑逐步被淘汰,粉狀脫模劑雖然性能優(yōu)異但是成本過高,國外主要將其應(yīng)用于真空壓鑄[3],國內(nèi)對(duì)其研究不多[4]。

近年來,隨著壓鑄技術(shù)的發(fā)展,對(duì)脫模劑的質(zhì)量要求也越來越高。本文論述了各類壓鑄脫模劑的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展進(jìn)程,其中主要對(duì)水基脫模劑的研究及生產(chǎn)進(jìn)展情況進(jìn)行了較詳盡的論述。

1 壓鑄脫模劑的分類與組成

壓鑄脫模劑按其性能特點(diǎn)可分為油基、粉基和水基脫模劑。從最初的油基脫模劑發(fā)展到水基脫模劑,再到粉狀脫模劑經(jīng)歷了相當(dāng)長的過程。油基脫模劑的基本組成成分為油和石墨,潤滑性好,能夠滿足當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)需要,但使用時(shí)煙霧大,污染環(huán)境,危害工人健康,同時(shí)也存在火災(zāi)方面的隱患,現(xiàn)在已逐漸被淘汰。粉基脫模劑主要是以蠟為原料,附著在壓室及型腔表面,因模具溫度而使其溶化,產(chǎn)生潤滑作用[5]?；窘M成成分有鋯英石、云母、滑石粉和石墨、微晶蠟等。水基脫模劑的基本組成一般來說主要由主體材料和輔助材料。主體材料由起潤滑作用的油脂類物質(zhì)構(gòu)成,主要起脫模和潤滑等作用。乳化劑的作用是通過降低溶劑表面張力,進(jìn)而產(chǎn)生乳化等作用,也就是使主體材料在連續(xù)的水相形成細(xì)小的顆粒粒狀,以彌散狀分布,形成穩(wěn)定的乳化液。乳化劑分為陰離子型、陽離子型、非離子型乳化劑等類型。添加劑主要起防腐、穩(wěn)定乳化劑等作用。水基脫模劑在使用時(shí)一般用水稀釋成幾十倍至上百倍的水溶液,含水量可達(dá)到90%以上。

2 壓鑄脫模劑的研究應(yīng)用進(jìn)展

在20世紀(jì)70年代前,我國壓鑄涂料主要使用油基脫模劑,主要成分為油和石墨。油基脫模劑潤滑性能良好,能夠滿足當(dāng)時(shí)壓鑄生產(chǎn)的需要。但在使用時(shí),煙霧大,環(huán)境污染嚴(yán)重,危害壓鑄工人的身體健康,同時(shí)也有火災(zāi)方面的隱患。水基脫模劑,國外在20世紀(jì)60年代被引入,盡管一開始對(duì)水基脫模劑有所偏見,主要是認(rèn)為水基脫模劑的冷卻作用會(huì)導(dǎo)致模具的熱裂和鑄件的開裂[6]。水基脫模劑的冷卻能力較強(qiáng),會(huì)導(dǎo)致模具冷、熱變化幅度大,對(duì)模具會(huì)產(chǎn)生熱沖擊,致使壓鑄模產(chǎn)生熱裂、龜裂等,但也有研究表明,影響壓鑄模具開裂原因有很多,水基脫模劑不是造成壓鑄模具開裂的主要因素,模具采用不當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囈约捌湓诟邷叵麻L期工作產(chǎn)生的熱疲勞,對(duì)模具開裂的影響比水基脫模劑更大。而水基脫模劑由于對(duì)模具具有冷卻作用,有助于降低模具表面的溫度,對(duì)模具也有利,但對(duì)這一問題尚沒有詳盡的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持,從國內(nèi)外大量的脫模劑應(yīng)用情況來看,水基脫模劑不是模具開裂的原因[7]。

直到20世紀(jì)70年代后期,水基脫模劑以它優(yōu)異的使用性能,得到認(rèn)可,很快取代了油基脫模劑,到80年代中期,水基脫模劑在美國、西歐、日本的使用達(dá)到95%以上。我國壓鑄工作者也于20世紀(jì)70年代開始注意到壓鑄脫模劑的問題,并在 80 年代初開始了水基脫模劑的研制工作,不久就進(jìn)入批量生產(chǎn),應(yīng)用于國內(nèi)壓鑄企業(yè)[8-12]。水基脫模劑的使用是壓鑄涂料的一大進(jìn)步,用水作載體消除了燃燒性危害,有助于獲得一個(gè)清潔的工作環(huán)境,提高了生產(chǎn)效率和壓鑄件產(chǎn)品質(zhì)量。水基脫模劑噴涂在模具表面后,會(huì)在模具表面形成微米的薄膜,對(duì)模具和壓鑄件起到隔離作用。其明顯優(yōu)點(diǎn)就是便于實(shí)現(xiàn)噴涂自動(dòng)化、對(duì)模具具有較好的冷卻效果、模具表面涂覆均勻、壓鑄件表面質(zhì)量好、內(nèi)部缺陷少、降低環(huán)境污染等。20世紀(jì)70年代,在壓鑄生產(chǎn)工藝的控制方面取得了顯著的發(fā)展,如溫度控制與壓射控制,與此同時(shí)自動(dòng)噴涂設(shè)備得到發(fā)展。由于設(shè)備的自動(dòng)化,迫使不同鑄型使用同一種涂料,要求涂料應(yīng)具有懸浮穩(wěn)定性、較好的耐腐蝕性和抗菌性。另外,在200～400 ℃溫度下,脫模劑也具有較好的潤濕性和涂覆性。當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為由于鑄型溫度過高,涂料潤濕性不好,是由于高溫下涂料形成的蒸汽阻擋層,涂料的成分影響涂料的潤濕溫度。20世紀(jì)80年代對(duì)涂料的要求又增加了環(huán)境保護(hù)的要求,控制有害物質(zhì)的輻射以提高現(xiàn)場操作人員的安全和健康狀況。但控制廢物的產(chǎn)生是有一定難度的,國外在這方面已經(jīng)有了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定了碳酸、油和脂類的最低指標(biāo),在我國還沒有引起足夠的重視。在上世紀(jì)90年代,開始考慮研究新型壓鑄涂料,對(duì)涂料熱潤濕性和噴涂性能進(jìn)行改進(jìn),以及對(duì)鑄件表面質(zhì)量等。柳松青[13]采用白堊粉、石棉粉、石墨粉、二氧化鈦和氧化鋅。其中白堊粉和石棉粉導(dǎo)熱系數(shù)小,主要起保溫作用。石墨粉主要起潤滑作用。二氧化鈦和氧化鋅主要起表面光潔作用,能夠獲得表面光潔的壓鑄件。利用水玻璃作為粘結(jié)劑,通過其與空氣中二氧化碳產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成硅酸凝膠而產(chǎn)生粘結(jié)作用。稀釋劑采用水作稀釋劑,起稀釋作用。選用微型汽車上壓鑄件進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn),取得較好效果。祝輝等[14]在篩選原材料的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化組分之間的配比,得出的配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:某牌號(hào)機(jī)械油為25%、脂類化合物為12.5%、羊毛脂為3.3%、Span80為1.6%、OP-10為 3.2%、黃原膠為0.2%、防腐劑為0.3%、防氧化劑為0.2%、消泡劑為 0.3%、水為53.4%。采用轉(zhuǎn)相乳化法制備脫模劑,得到的脫模劑穩(wěn)定性高、高溫潤濕性和成膜性良好。在壓鑄生產(chǎn)中,以1∶90的比例稀釋脫模劑,仍然具有很好的脫模效果。陳財(cái)康等[15]選用聚乙烯蠟、二甲基硅油作主體材料,通過復(fù)合乳化劑進(jìn)行乳化,得到了性能穩(wěn)定,具有良好脫模效果的水基脫模劑,其性能與國外進(jìn)口脫模劑的水平相當(dāng),其價(jià)格只是進(jìn)口產(chǎn)品的一半左右,而且產(chǎn)品生產(chǎn)周期短,提高了經(jīng)濟(jì)效益。文家新等[16]以白油、廢機(jī)油和二甲基硅油為基礎(chǔ)原料,選取 Span80和OP-10的組合作為復(fù)合乳化劑,配制了一種鋁合金壓鑄用水基脫模劑,該脫模劑具有良好的穩(wěn)定性和高溫成膜性,對(duì)鋁合金無腐蝕,且將廢機(jī)油加以利用,變廢為寶,具有環(huán)境友好型的特點(diǎn)。

朱純熙等[17]提出壓鑄模乳液涂料的潤滑機(jī)理在于它的潤滑劑大部分受熱分解而釋出氣體,在整個(gè)壓鑄過程中,在模具型腔和金屬間形成持久而又適度的氣隙,潤滑層由釋放出的氣體和殘留的潤滑劑所構(gòu)成,所以潤滑劑的發(fā)氣特性和高溫摩擦因數(shù)是控制乳液涂料的關(guān)鍵性能。在壓鑄件生產(chǎn)開始時(shí)起主導(dǎo)作用高溫摩擦因數(shù),隨后氣體潤滑對(duì)整個(gè)壓鑄過程起著控制作用。對(duì)于大型鋁合金和鎂合金壓鑄件而言,在脫模劑中加入耐熱性高的成分,這樣在每個(gè)壓鑄件生產(chǎn)周期里,能夠穩(wěn)定連續(xù)地釋放出氣體。生產(chǎn)中采用噴射工藝方法,脫模后的壓鑄模具及壓鑄件表面光潔。該脫模劑穩(wěn)定性好,且無毒無害,脫模劑主體材料有礦物油、合成油脂、石蠟、硅油,輔助材料有乳化劑、添加劑、防腐劑、防銹劑。戴挺等[18]提出了一種新型的脫模劑噴涂工藝-脈沖噴涂,通過對(duì)脈沖噴涂和傳統(tǒng)的連續(xù)噴涂進(jìn)行了初步對(duì)比分析,并在壓鑄生產(chǎn)中進(jìn)行實(shí)效驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明了脈沖噴涂可以使模具內(nèi)溫度梯度變小,這對(duì)降低熱應(yīng)力有利,減少熱疲勞產(chǎn)生開裂的傾向,進(jìn)而延長模具的使用壽命,同時(shí)還可減少脫模劑的噴涂量,有利于改善壓鑄件的表面質(zhì)量。性能良好的脫模劑一般選用幾十種原料制備,其中關(guān)鍵組分的配比稍微改變,就可以顯著改變脫模劑的性能。古川雄一等[19]發(fā)明的脫模劑,是通過將脫模劑施加在壓鑄金屬模具表面上,使得脫模劑中的還原性的有機(jī)酸或有機(jī)酸鹽與模具表面的成分發(fā)生反應(yīng)以將模具表面上的Fe2O3脫氧成Fe3O4。王進(jìn)興等[20]發(fā)明了一種環(huán)保型壓鑄脫模劑,其組分的重量百分比為：改性植物油酯30%～45%；乳化劑8%～40%；防腐劑0.3%～2%；抗氧劑0.5%～2%；乙醇2%～5%；三乙醇胺1%～3%；其余為去離子水。該壓鑄脫模劑不僅具有優(yōu)良的脫模效果,而且大幅降低了對(duì)環(huán)境的污染,并節(jié)約了石油類不可再生資源產(chǎn)品的使用。李磊等[21]發(fā)明了一種金屬模脫模劑,按質(zhì)量百分比的組成為：云母粉5%～15%；硅溶膠7%～15%；珍珠巖粉末20%～35%；吐溫2%～5%；油酸鈉1%～2%；十八醇0.2%～0.5%；殺菌防腐劑0.1%～0.2%；余量為水。能有效地改善壓鑄件的表面質(zhì)量,并使壓鑄件從模具中快速、完整脫出,不產(chǎn)生任何環(huán)境污染。黃宇劍等[22]發(fā)明公開了一種水基鋁合金壓鑄脫模劑,由以下質(zhì)量比的組分組成：100～150份改性有機(jī)硅油、10～20份氧化聚乙烯蠟、10～15份異構(gòu)十醇聚氧乙烯醚、8～10份長鏈脂肪醇聚氧乙烯醚、10～15份吐溫、500～800份去離子水。發(fā)明制備的水基脫模劑用于鋁合金等壓鑄件生產(chǎn),有效地改善鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量。

粉基脫模劑主要以蠟為基礎(chǔ)材料,由于模具是在高溫下工作的,當(dāng)將粉基脫模劑涂裝在壓室及模具型腔表面時(shí),脫模劑發(fā)生熔化而吸附在型腔表面上而起到潤滑作用。粉基脫模劑的成本比較高,國外主要將其應(yīng)用在真空壓鑄方面,尤其是在2000 年以后,隨著高真空壓鑄生產(chǎn)工藝與技術(shù)的快速發(fā)展及應(yīng)用,促使粉基脫模劑的開發(fā)與研究取得了進(jìn)展,而我國在真空壓鑄生產(chǎn)工藝與技術(shù)方面的研發(fā)與開發(fā)應(yīng)用很少,所以對(duì)粉基脫模劑的研究也相對(duì)較少[23]。粉基脫模劑對(duì)壓鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量、壓鑄生產(chǎn)效率以及改善壓鑄生產(chǎn)環(huán)境等方面都有明顯的進(jìn)步,利用粉狀脫模劑,可以使壓鑄產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢(shì)更多。采用粉基脫模劑必須要采用真空裝置,并對(duì)壓鑄機(jī)的壓室結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),以便于粉末狀脫模劑涂裝到壓室和壓鑄模型腔的表面。壓鑄模具需要開設(shè)水冷卻系統(tǒng),通過水冷控制模具溫度。其次,壓鑄件生產(chǎn)工藝須與所噴的粉基脫模劑相配合,對(duì)壓鑄機(jī)操作人員需要進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn),以保證壓鑄生產(chǎn)能夠連續(xù)作業(yè)。每周須對(duì)真空管路進(jìn)行清理疏通,并保證壓鑄工藝與脫模劑的配合調(diào)整至最佳狀態(tài)。端木佳杰[24]發(fā)明了一種粉狀脫模劑。發(fā)明的粉狀脫模劑,按重量份計(jì),包括如下組分：30～50份的滑石粉、10～20份的火山灰、10～20份的膨潤土、1～5份的黑剛玉、1～5份的聚四氟乙烯、5～10份的鈦白粉、1～5份的氮化硅粉、10～20份的氧化聚乙烯蠟和5～10份的磷酸二氫鋁。發(fā)明的粉狀脫模劑,具有良好的潤滑性和脫模性能,抗沖刷性能好,壓鑄后的鑄件與模具分離時(shí)脫模容易,并且脫模后鑄件表面的光潔度高,延長了模具的壽命,減少了環(huán)境污染。當(dāng)前,粉基脫模劑的研究處在不斷發(fā)展中,國內(nèi)壓鑄廠家少有粉基脫模劑應(yīng)用實(shí)例,粉基脫模劑有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 展望

我國是工業(yè)大國,各行各業(yè)蓬勃發(fā)展,隨著汽車、計(jì)算機(jī)以及風(fēng)電等行業(yè)的日益發(fā)展,極大的促進(jìn)了壓鑄行業(yè)的發(fā)展,對(duì)壓鑄件質(zhì)量的要求也越來越高,同時(shí)對(duì)水基脫模劑的品質(zhì)也有了更高的要求,這又促使壓鑄水基脫模劑的進(jìn)步。目前,我國壓鑄脫模劑市場主要被國際知名品牌壟斷,他們?cè)谖覈嗬^建立了生產(chǎn)與研究基地。我國雖然涌現(xiàn)大量的脫模劑生產(chǎn)廠家,但多是低端產(chǎn)品,競相采取價(jià)格戰(zhàn)搶占市場。進(jìn)口脫模劑的各項(xiàng)性能指標(biāo)好,乳化效果好,無油水分離現(xiàn)象,鑄件表面質(zhì)量好,但價(jià)格高。國內(nèi)生產(chǎn)的脫模劑,雖然脫模性能也很好,但乳化效果不理想,穩(wěn)定性差,長時(shí)間儲(chǔ)存會(huì)有油水分離現(xiàn)象,不過成本低,性價(jià)比高。目前,我國對(duì)水基脫模劑的研究還比較分散,沒有成體系,產(chǎn)品質(zhì)量同進(jìn)口脫模劑產(chǎn)品還有一定的差距,性能不夠穩(wěn)定等問題,國內(nèi)有一定規(guī)模的壓鑄企業(yè)都使用進(jìn)口脫模劑產(chǎn)品[25]。

近些年來,隨著壓鑄技術(shù)的進(jìn)步與應(yīng)用的不斷擴(kuò)大,對(duì)脫模劑的質(zhì)量要求隨之提高,對(duì)脫模劑的專利申請(qǐng)逐漸增多,不過還有很多技術(shù)上的問題需要亟待解決。面對(duì)壓鑄件的大型化、復(fù)雜化,為滿足壓鑄行業(yè)的多樣化需求,切實(shí)解決水基脫模劑能夠適用不同合金壓鑄件的問題,未來水基脫模劑將會(huì)針對(duì)不同要求,向系列化、專業(yè)化方向發(fā)展。針對(duì)不同的壓鑄合金材料,壓鑄生產(chǎn)工藝會(huì)有所不同,所選用的水基脫模劑也會(huì)有所差異,能夠適用于不同合金壓鑄的水基脫模劑應(yīng)是今后脫模劑研究的重要方向。在主體材料和輔助材料的選擇方面,尤其是在乳液乳化技術(shù)的創(chuàng)新方面,將是水基脫模劑研究中的關(guān)鍵性問題。目前我國研究的水基脫模劑,主體材料的選用了不同的材料,其中,改性硅油的應(yīng)用是目前比較熱門且被業(yè)內(nèi)專家看好的一種,且取得了重要的研究進(jìn)展,為未來水基脫模劑中基礎(chǔ)油的研究奠定了重要的基礎(chǔ)。另外,水基脫模劑乳液的乳化效果直接影響著脫模劑的穩(wěn)定性,這也促使研制一種高效、穩(wěn)定的乳化劑,能夠保證水基脫模劑的長期儲(chǔ)存。乳化技術(shù)的改進(jìn)是水基脫模劑未來研究的又一重點(diǎn)[26]。