石英粉粒度對(duì)涂料燒結(jié)性影響的研究

郭廣思，王健驍，劉 洋

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.遼寧省水利事務(wù)中心，沈陽(yáng) 110003)

消失模鑄造是將涂覆有特定涂料的泡沫模型埋入型砂中，澆注后泡沫汽化得到與模型相同形狀的鑄件[1]。消失模鑄造具有尺寸精度高、節(jié)約環(huán)保且成本較低的特點(diǎn)，因此在近年來(lái)消失模鑄造越來(lái)越多的得到各大工業(yè)生產(chǎn)的青睞，逐漸成為鑄造生產(chǎn)行業(yè)的主流生產(chǎn)方式，被稱為“21世紀(jì)的鑄造技術(shù)”，引領(lǐng)了鑄造行業(yè)的綠色發(fā)展[2]。

鑄造涂料是改善鑄件質(zhì)量的主要方式，高質(zhì)量的鑄造涂料可以改善鑄件的質(zhì)量，減少鑄件表面的缺陷，在澆注過(guò)程中起支撐模型的作用[3]，防止塌箱并將產(chǎn)生的氣體排出，防止氣孔等缺陷的產(chǎn)生，所以消失模鑄造涂料需要有耐高溫、高強(qiáng)度、高透氣性、好的流動(dòng)性等特點(diǎn)[4]。消失模鑄造涂料的研究已經(jīng)取得較大的進(jìn)展。郭明明等選用鉻鐵礦粉、石灰石粉和石墨粉作為耐火骨料制備的涂料，在生產(chǎn)厚壁液壓泵體時(shí)性能表現(xiàn)較好[5]。楊哲等選用鎂砂粉、葉蠟石粉、白剛玉粉混合作為耐火骨料，生產(chǎn)的鑄鋼件表面光潔、無(wú)氣孔且有較好的剝落性，方便清理等優(yōu)點(diǎn)[6]。

本文研究石英粉的粒度對(duì)涂料燒結(jié)性的影響。進(jìn)行200目、240目、270目、300目、320目、340目六種粒度骨料對(duì)涂料的燒結(jié)性影響的實(shí)驗(yàn)，在不同溫度下進(jìn)行燒結(jié)，根據(jù)燒損率和燒結(jié)表面狀態(tài)選出四種表現(xiàn)較好的的粒度進(jìn)行混合配比，最后對(duì)混合配比實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后得出，當(dāng)240目、270目、300目、320目四種粒度按質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別加入80%、60%、80%、20%混合作為耐火骨料時(shí)，涂料有較好的燒結(jié)性，且澆注后得到的鑄件表面光潔、紋理清晰、涂料層剝落性較好，符合生產(chǎn)要求。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中以石英粉粒度為單一變量進(jìn)行涂料的配制，骨料粒度分別為200目、240目、270目、300目、320目、340目，懸浮劑為鈉基膨潤(rùn)土和CMC，粘結(jié)劑為淀粉和水玻璃，載液為水，各成分的加入比例見(jiàn)表1。

表1 成分比例表 %

以表1的成分配比進(jìn)行涂料的配制，配置后的涂料風(fēng)干，在烘干爐中烘干去除水分，然后放在瓷舟中在馬弗爐中進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將6種不同的涂料樣本取樣稱重，裝入瓷舟中，在馬弗爐中進(jìn)行不同溫度的燒結(jié)。燒結(jié)溫度分別為1250℃、1300℃、1350℃、1400℃，達(dá)到溫度后保溫?zé)Y(jié)10min，隨爐冷卻后取出。稱重、計(jì)算各種粒度涂料在此溫度下的燒損率。將燒結(jié)后的涂料樣本在掃描電鏡下觀察其表面形貌。燒損率計(jì)算公式為

式中：M為燒結(jié)前涂料的質(zhì)量；m為燒結(jié)后涂料的質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 燒結(jié)實(shí)驗(yàn)

對(duì)各種粒度耐火骨料的石英粉涂料進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。不同溫度下燒損率隨粒度變化曲線如圖1所示。

圖1 同溫下不同粒度燒損率曲線

由圖1可以看出，當(dāng)燒結(jié)溫度一定時(shí)，涂料的燒損率隨著粒度的減小(目數(shù)的增加)而增大，因?yàn)楫?dāng)粒度減小時(shí)，耐火骨料顆粒的比表面積增大，會(huì)加劇燒損，所以涂料的燒損率增大。從四個(gè)燒結(jié)溫度來(lái)看，在200目時(shí)燒損率最小，在340目時(shí)燒損率最大，在240目至300目之間燒損率變化不大，320目時(shí)燒損率明顯小于340目。

同一粒度在不同溫度下的燒損率變化曲線為如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)耐火骨料的粒度一定時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的升高，涂料的燒損量變大，因?yàn)殡S著溫度的升高，涂料中的雜質(zhì)或者原料會(huì)被燒損，溫度越高，能燒結(jié)掉的成分越多，所以燒損率越大。同樣的，骨料粒度為200目時(shí)，燒損率最少，340目燒損率最嚴(yán)重。

圖2 同粒度下不同溫度燒損率曲線

2.2 燒結(jié)樣品電鏡分析

圖3為1350℃時(shí)，不同粒度耐火骨料表面的燒結(jié)狀態(tài)。顆粒表面的燒結(jié)狀態(tài)影響著涂料在高溫澆注時(shí)的性能表現(xiàn)：顆粒的黏連影響到涂料的高溫粘結(jié)性，燒結(jié)較輕的對(duì)涂料的粘結(jié)性沒(méi)有幫助，較重的則會(huì)結(jié)塊產(chǎn)生起翹、裂紋等現(xiàn)象。

圖3 1350℃溫度下不同粒度的燒結(jié)狀態(tài)

由圖3可以看出，隨著骨料目數(shù)的增大，粒度的減小，耐火骨料表面燒結(jié)的越來(lái)越嚴(yán)重。200目時(shí)，由于粒度最大，比表面積最小，粒度表面的燒結(jié)較輕，顆粒之間黏連較輕；200目至320目時(shí)，表面的燒結(jié)越來(lái)越明顯，表面凹凸?fàn)顟B(tài)越來(lái)越明顯，但顆粒間的黏連不嚴(yán)重，不會(huì)因?yàn)楦邷囟霈F(xiàn)局部結(jié)塊引起裂紋；340目時(shí)，表面燒結(jié)最為嚴(yán)重，且顆粒間黏連較嚴(yán)重，燒結(jié)狀態(tài)較差。340目石英粉不適合做涂料骨料。

圖4為綜合性能較好的240目石英粉骨料在不同溫度下的燒結(jié)狀態(tài)。

圖4 240目石英粉骨料在不同溫度下燒結(jié)狀態(tài)

由圖4可以看出，對(duì)于240目粒度的石英粉骨料，隨著燒結(jié)溫度從1250℃升到1400℃時(shí)，涂料的燒結(jié)程度越來(lái)越嚴(yán)重，顆粒表面凹凸現(xiàn)象和黏連現(xiàn)象越來(lái)越明顯。在1250℃至1350℃之間，涂料表面燒結(jié)狀態(tài)不太明顯，符合涂料的使用要求，在高溫澆注時(shí)不會(huì)結(jié)塊開(kāi)翹；在1400℃時(shí)，顆粒表面燒結(jié)黏連較為嚴(yán)重，但鑄造生產(chǎn)時(shí)涂料表面層達(dá)到1400℃的時(shí)間不會(huì)長(zhǎng)達(dá)10min，并且鑄件不會(huì)在長(zhǎng)達(dá)10min的時(shí)間內(nèi)還沒(méi)有凝固形成表面凝固層，所以240目石英粉可以配置涂料用于鑄造生產(chǎn)。

經(jīng)過(guò)上面兩個(gè)曲線及燒結(jié)狀態(tài)的分析發(fā)現(xiàn)：條件相同時(shí)，200目粒度的骨料燒損率最小，且表面燒結(jié)狀態(tài)最輕，但是在單一性實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)200目石英粉骨料涂料懸浮性不好[7]；340目min粒度的骨料燒損及表面結(jié)塊現(xiàn)象最嚴(yán)重。200目和340目這兩種粒度的骨料都不適合作為耐火骨料；鑄造涂料需要綜合性能好，粒度為240目至320目之間的骨料燒損率及燒結(jié)狀態(tài)較為適合作為涂料的耐火骨料，這也符合之前粒度單因素?zé)Y(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以在后面正交的實(shí)驗(yàn)中選擇240目至320目粒度的石英粉混合作為耐火骨料進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。

2.3 正交實(shí)驗(yàn)及試樣燒結(jié)實(shí)驗(yàn)

選用240目、270目、300目、320目的石英粉混合作為骨料，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入百分?jǐn)?shù)分別有20%、40%、60%、80%，進(jìn)行4因素4水平16次正交實(shí)驗(yàn)。測(cè)試涂料的強(qiáng)度、透氣性、懸浮性、流平性、涂掛性、滴淌性、密度、粘度及pH值等性能，利用極差分析法分析每種因素對(duì)涂料性能的影響，研究石英粉粒度及加入量對(duì)涂料性能的影響，得出綜合性能最好的一組。各粒度的加入比例為240目80%、270目80%、300目80%、320目20%。

圖5為正交最佳配比涂料在1350℃溫度下燒結(jié)前后的對(duì)比圖，5a為燒結(jié)前表面狀態(tài)，5b為燒結(jié)后表面狀態(tài)。

圖5 正交最佳配比在1350℃下燒結(jié)狀態(tài)

由圖5可以看出，燒結(jié)前的涂料顆粒較為獨(dú)立，彼此沒(méi)有黏連。圖5b燒結(jié)后的涂料表面產(chǎn)生了黏連作用，且顆粒表面凹凸現(xiàn)象良好，這增強(qiáng)了涂料的高溫粘結(jié)性，當(dāng)遇高溫液體時(shí)，能很好的結(jié)合在一起，從而降低涂層表面張力，不能被高溫金屬?zèng)_刷掉落；使涂料與鑄型之間接觸更牢固，高溫?zé)Y(jié)性較好。

2.4 消失模驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證正交最佳配比涂料的實(shí)際使用性能，進(jìn)行消失模鑄造澆注實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為最佳配比涂料配制、消失模型制作、涂料涂覆、砂箱造型、合金液澆注、鑄件清理、最后得到完整鑄件。觀察鑄件表面質(zhì)量以及整體質(zhì)量是否符合鑄件使用要求，同時(shí)觀察涂料在澆注后的形態(tài)以及是否容易清理。圖6為消失模鑄件圖。

圖6 澆注后鑄件圖

由圖6中可以看出，澆注后得到的鑄件表面光潔、質(zhì)量較好，而且尺寸完整沒(méi)有出現(xiàn)缺肉、冷隔、粘砂等缺陷。而且從圖6中可以清楚看到，涂料層有較好的剝離性，大大降低了涂料的清理難度，為生產(chǎn)制造節(jié)省了人力物力，降低成本。表面該涂料性能優(yōu)良可以用于實(shí)際生產(chǎn)。

3 結(jié)論

以石英粉為耐火骨料，鈉基膨潤(rùn)土和CMC聯(lián)合作為懸浮劑，淀粉和水玻璃作為粘結(jié)劑，水為載液的涂料研制中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著石英粉目數(shù)的增大(粒度的減小)， 在高溫下的燒損率逐漸升高；當(dāng)粒度一定時(shí)，隨著溫度的升高，燒損率逐漸升高。在粒度為240目、270目、300目、320目范圍內(nèi)燒結(jié)狀態(tài)較為符合涂料的使用要求，以此四種粒度進(jìn)行四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)，通過(guò)性能測(cè)試極差分析得到最佳配比，此配比涂料有較好的燒結(jié)性能，經(jīng)過(guò)消失模澆注實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到表面光潔的鑄件，沒(méi)有氣孔砂眼等缺陷，且涂料層成片剝落易清理，符合涂料的使用要求，環(huán)保綠色，可以進(jìn)行生產(chǎn)。