一種提高鎂合金充型能力的醇基阻燃塗料及其製備方法與流程
2023-06-25 22:53:06 2
本發明屬於鑄造技術領域，涉及一種提高鎂合金充型能力的醇基阻燃塗料及其製備方法。
背景技術：
緊跟軍事裝備輕量化的國際趨勢，薄壁鑄件因其質量小，節省能源消耗而廣泛用於航空航天等領域中。鎂合金因其密度小，比強度、比剛度高，鑄造性能優良，成為「21世紀綠色工程材料」。但是，鑄件薄壁部分的快速冷卻會降低熔融金屬的流動性，容易造成澆不足、冷隔等缺陷，此外，鎂合金化學性質活潑，在較高溫度下，極易與空氣中的氧氣、氮氣和鑄型中的水氣發生反應，產生氣孔、氧化夾雜、氧化皺皮等缺陷，降低鑄件的力學性能和耐腐蝕性能，嚴重的使鑄件報廢。因此，良好的充型能力和較強的抗氧化性是製備薄壁鎂合金鑄件的前提條件。在改善合金成分和優化鑄造工藝的基礎上，通過選擇合適的鑄型塗料也會提高鎂合金的充型能力和阻燃效果。
目前，利用快速成型法製備複雜結構的覆膜砂砂型廣泛用於鎂合金薄壁鑄件的鑄造生產中。然而，覆膜砂存在加熱溫度受限、強度較低、發氣量大和容易吸潮等問題，因此，急需一種能夠防止鎂合金液與砂型反應，減少鎂合金液在砂型中卷氣，提高合金液充型能力和阻燃能力的塗料。中國專利文獻號為cn101279356a，專利名稱為《稀土鎂合金覆膜砂砂型鑄造用塗料及其使用方法》，該塗料可減少澆注過程中稀土鎂合金熔體與覆膜砂砂型反應，並且通過提高覆膜砂砂型預熱溫度來改善合金熔體的充型能力。此外，中國專利cn103752763a公開了一種鎂合金金屬型鑄造塗料及製備方法，採用nh4bf4、kbf4、烷基磺酸鈉和硼酸一種或幾種為阻燃劑，實踐證明，塗料具有較強的阻燃性，然而水基塗料增加了覆膜砂砂型烘乾的困難，砂型容易吸潮、發氣量大。邵秀雲研究出一種適合於鎂合金的醇基阻燃塗料，阻燃劑為硼酸和烷基磺酸鈉，實踐證明，烷基磺酸鈉作為一種陰離子型表面活性劑，常加入水基塗料中改善熔體與型芯的潤溼和附著性，通常不適合醇基塗料中，並且，它的加入會帶來消泡難的問題（邵秀雲，鎂合金醇基阻燃塗料的研究，哈爾濱工業大學學位論文，2010.7，p38~p41）。
因此，根據實際生產的具體要求和對現有塗料的改進，開發了一種可以提高鎂合金充型能力的醇基阻燃塗料，為了最大限度地發揮所述塗料的性能，提出了該塗料的製備方法，該塗料在薄壁鎂合金鑄件和覆膜砂砂型鑄造的應用中具有重要的意義。
技術實現要素：
針對現有技術中的不足，本發明的目的在於提供一種可提高鎂合金充型能力的醇基阻燃塗料及其製備方法，既能提高鎂合金熔體的充型能力，又能達到良好的阻燃效果，獲得表面光潔，無氣孔，無氧化皺皮等缺陷的鎂合金鑄件。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
本發明提供了一種可提高鎂合金充型能力的醇基阻燃塗料及其製備方法，所述塗料化學組分質量百分比為：
耐火骨料：35~45%；
懸浮劑：1.28~1.93%；
粘結劑：1.5~1.9%；
阻燃劑：1.2~1.6%；
乙醇：45~65%。
所述的耐火骨料的粒度為100～300目，所述的耐火骨料包括氧化鐵紅、滑石粉和矽石粉的兩種或三種混合物。所述的耐火骨料由兩種或兩種以上耐火骨料組成，可增加塗料的透氣性。
所述的耐火骨料中，氧化鐵紅的質量含量為25~31%、滑石粉的質量含量為7~9%、矽石粉的質量含量為3~5%。所述的耐火骨料選擇滑石粉，因其良好的絕熱保溫性能可提高鎂合金的充型能力。
所述的懸浮劑包括凹凸棒土和聚乙烯醇縮丁醛的一種或兩種混合物。
所述的懸浮劑中，凹凸棒土的質量含量為1.2~1.8%、聚乙烯醇縮丁醛的質量含量為0.08~0.13%。聚乙烯醇縮丁醛的含量過高，高分子鏈相互纏繞在一起，失去懸浮劑作用。
所述的粘結劑為熱塑性酚醛樹脂。
所述的阻燃劑為硼酸。硼酸受熱後脫水變成硼酐(b2o3)，硼酐與鎂合金液反應生成緻密的mg3b2膜和mgo·b2o3釉質膜，起到阻燃作用。硼酸含量過高，會在合金表面形成氣泡，降低透氣性。
進一步，塗料組成的百分比為：
耐火骨料：35~45%；
懸浮劑：1.28~1.93%；
粘結劑-熱塑性酚醛樹脂：1.5~1.9%；
阻燃劑-硼酸：1.2~1.6%；
乙醇：45~65%；
其中耐火骨料為氧化鐵紅、滑石粉和矽石粉，氧化鐵紅佔塗料的質量分數為25~31%、滑石粉佔塗料的質量分數為7~9%、矽石粉佔塗料的質量分數為3~5%。
懸浮劑為凹凸棒土和聚乙烯醇縮丁醛，凹凸棒土佔塗料的質量分數為1.2~1.8%、聚乙烯醇縮丁醛佔塗料的質量分數為0.08~0.13%。
本發明為了最大限度地發揮所述塗料的性能，提供一種可提高鎂合金充型能力的醇基阻燃塗料的製備方法，具體步驟如下：
s1、根據塗料化學組分質量百分比稱取各原料；
s2、將凹凸棒土配製成質量分數為10～15%的乙醇溶液a，將聚乙烯醇縮丁醛配製成質量分數為5～10%的乙醇溶液b；
s3、將酚醛樹脂配製成質量分數為30～40%的乙醇溶液c；
s4、將溶液a、b、c倒入乙醇中，利用攪拌機攪拌，製成混合漿料d；
s5、將耐火骨料與阻燃劑加入混合漿料d中，利用攪拌機攪拌，製得所述塗料。
所述的攪拌設備為機械攪拌機。
本發明具有以下有益效果：
1、本發明的塗料選用氧化鐵紅（熔點為1565°c）、滑石粉（加熱到800～900°c分解）和矽石粉（熔點為1690°c）為耐火骨料，降低了耐火骨料的熔點，在滿足鎂合金熔鑄要求（鎂合金的澆注溫度一般為680～750°c）同時，降低了塗料的成本，加入滑石粉的塗料，手感爽滑，降低了熔體與砂型之間的阻力，並且滑石粉具有良好的絕熱保溫性能，提高了熔體的充型能力。
2、本發明的塗料不與鎂合金熔體反應，具有良好的粘附性、塗覆性、透氣性和阻燃性，澆注過程中，塗層不易粉化、開裂，製得的鎂合金鑄件表面光潔，無氣孔，無氧化皺皮等缺陷。
3、本發明的塗料製備方法簡單，可現場配製現場使用，所用原料無毒無害，方便應用和推廣。
附圖說明
圖1是本發明塗料的製備流程圖。
圖2是採用本發明塗料製備的同心三螺旋流動試樣與不使用塗料製備的流動試樣的宏觀形貌對比：(a)不使用塗料製備的同心三螺旋流動試樣宏觀形貌；(b)使用本發明塗料製備的同心三螺旋流動試樣宏觀形貌。
圖3是採用本發明塗料製備的鎂合金機匣鑄件的宏觀形貌。
具體實施方式
通過具體的實施例對本發明的技術方案進行詳細闡述。
實施例1
根據具體要求，澆鑄一種zm2鎂合金的同心三螺旋流動試樣來評價塗料對合金充型能力的影響，螺旋線截面為(3+5)×5mm3的等腰梯形，同心三螺旋流動試樣模具由覆膜砂製成。
原料：
塗料的化學組分質量百分比為：氧化鐵紅25%、滑石粉7%、矽石粉3%、凹凸棒土1.2%、聚乙烯醇縮丁醛0.08%、酚醛樹脂1.5%、硼酸1.2%和乙醇45%。
製備方法：
1、將稱取的凹凸棒土配製成質量分數為10%的乙醇溶液a，將稱取的聚乙烯醇縮丁醛配製成質量分數為5%的乙醇溶液b；
2、將稱取的酚醛樹脂配製成質量分數為30%的乙醇溶液c；
3、將溶液a、b、c倒入乙醇中，用機械攪拌機，轉速為500r/min，攪拌10分鐘，製得混合漿料d；
4、將稱取的耐火骨料和硼酸加入混合漿料d中，用機械攪拌機，轉速為500r/min，攪拌15分鐘，製得所述塗料。將配好的塗料裝入密閉的容器中。
使用方法：
將覆膜砂砂型在200°c加熱、烘乾。由於砂型型腔呈螺旋線形，截面尺寸小，如果採用壓縮空氣和噴槍噴塗，在型腔的凹處會形成氣墊而影響塗層的均勻性，並且，霧化的塗料隨壓縮空氣散入作業場中，汙染環境，因此，採用細毛刷刷塗。將刷塗後的砂型放入加熱爐中200°c加熱、烘乾，再用600目的砂紙打磨塗層表面，使塗層厚度達到0.3～0.5mm，利用吹風筒吹去表面的浮粉。將熔融的zm2鎂合金在730°c澆注到預熱溫度為200°c的砂型中。得到的同心三螺旋流動試樣表面光潔，無氣孔、氧化皺皮缺陷。如圖2所示，(a)為未刷塗料的同心三螺旋流動試樣，(b)為刷塗料的同心三螺旋流動試樣，對比可知，刷塗料的同心三螺旋流動試樣表面光亮，流動長度提高了32%左右。
實施例2
根據具體要求，澆鑄一種zm2鎂合金的同心三螺旋流動試樣來評價塗料對合金充型能力的影響，螺旋線截面為(3+5)×5mm3的等腰梯形，同心三螺旋流動試樣模具由覆膜砂製成。
原料：
塗料的化學組分質量百分比為：氧化鐵紅31%、滑石粉9%、矽石粉5%、凹凸棒土1.8%、聚乙烯醇縮丁醛0.13%、酚醛樹脂1.9%、硼酸1.6%和乙醇65%。
製備方法：
1、將稱取的凹凸棒土配製成質量分數為15%的乙醇溶液a，將稱取的聚乙烯醇縮丁醛配製成質量分數為10%的乙醇溶液b；
2、將稱取的酚醛樹脂配製成質量分數為40%的乙醇溶液c；
3、將溶液a、b、c倒入乙醇中，用機械攪拌機，轉速為500r/min，攪拌10分鐘，製得混合漿料d；
4、將稱取的耐火骨料和硼酸加入混合漿料d中，用機械攪拌機，轉速為500r/min，攪拌15分鐘，製得所述塗料。將配好的塗料裝入密閉的容器中。
使用方法：
將覆膜砂砂型在200°c加熱、烘乾。由於砂型型腔呈螺旋線形，截面尺寸小，因此，採用細毛刷刷塗。將刷塗後的砂型放入加熱爐中200°c加熱、烘乾，再用600目的砂紙打磨塗層表面，使塗層厚度達到0.3～0.5mm，利用吹風筒吹去表面的浮粉。將熔融的zm2鎂合金在730°c澆注到預熱溫度為200°c的砂型中。得到的同心三螺旋流動試樣表面光潔，無氣孔、氧化皺皮缺陷，刷塗料的流動試樣與未刷塗料的流動試樣相比，表面光亮，流動長度提高了31.2%左右。
實施例3
根據具體要求，澆鑄一種zm2鎂合金的發動機機匣鑄件，簡化的機匣鑄件的輪廓尺寸為190mm×350mm×100mm，平均壁厚為5mm，最小壁厚為2mm，複雜結構的砂型和砂芯由覆膜砂製成。
原料：
塗料的化學組分質量百分比為：氧化鐵紅30%、滑石粉10%、矽石粉4%、凹凸棒土1.3%、聚乙烯醇縮丁醛0.1%、酚醛樹脂1.7%、硼酸1.4%和乙醇60%。
製備方法：
1、將稱取的凹凸棒土配製成質量分數為12%的乙醇溶液a，將稱取的聚乙烯醇縮丁醛配製成質量分數為8%的乙醇溶液b；
2、將稱取的酚醛樹脂配製成質量分數為35%的乙醇溶液c；
3、將溶液a、b、c倒入乙醇中，用機械攪拌機，轉速為500r/min，攪拌10分鐘，製得混合漿料d；
4、將稱取的耐火骨料和硼酸加入混合漿料d中，用機械攪拌機，轉速為500r/min，攪拌20分鐘，製得所述塗料。將配好的塗料裝入密閉的容器中。
使用方法：
將覆膜砂砂型和砂芯在200°c加熱、烘乾。由於砂型和砂芯尺寸較小，結構複雜，因此，採用細毛刷刷塗。將刷塗後的砂型和砂芯放入加熱爐中200°c加熱、烘乾，再用600目的砂紙打磨塗層表面，使塗層厚度達到0.4～0.6mm，利用吹風筒吹去塗層表面的浮粉。將砂型和砂芯組裝好，分型面處用封裝膏密封，放入箱式爐中200°c加熱、烘乾。將熔融的zm2鎂合金在730°c澆注到預熱溫度為200°c的砂型中。如圖3所示為塗覆塗料製備的鎂合金機匣鑄件的宏觀形貌，得到的鎂合金機匣鑄件表面光潔，結構完整，無氣孔、氧化夾雜、氧化皺皮等缺陷。