2013中国铸造活动周论文集砂型铸造水基自干/快干系列涂料的研究与应用，梁家豪2，3湖北工业大学，湖北武汉430070；珠海市福联造型材料实业有限公司，广东珠海519180；广东省造型材料工程技术中心，广东珠海519180）摘要：简要分析了开发节能环保型水基自干/快干砂型铸造涂料的必要性，概述了国内外水基快干/自干砂型铸造涂料的研究进展，阐述了新型水基自干/快干砂型铸造系列涂料的成分设计及其技术性能，重点介绍了新型水基自干/快干砂型铸造系列涂料在水玻璃砂铸钢和树脂砂铸铁生产中的应用实前言砂型铸造涂料按照溶剂种类主要分为水基涂料和醇基涂料两种。醇基涂料具有点火快干、工时消耗少等特点，但是存在如下问题：甲醇有毒，对人体视神经有较强的刺激性，工人长期接触易导致眼睛失明；乙醇虽然无毒、无臭，但是和甲醇都属于容易挥发和易燃易爆的甲级危险品，在涂料生产、运输、保存和使用过程中容易发生安全事故，不便于产品长途运输和存放,恶化安全生产条件；乙醇和甲醇还是重要的汽车能源和基本化工原料；涂料悬浮稳定性较差，不具有时间触变性，刷涂时刷痕严重，难以流平，而且其中的有机物成分在金属液浇注时会产生有毒气体，发气量很大，铸件易产生气孔缺陷，还污染工作环境，影响工人身体健康。

水基涂料具有安全可靠、运输方便、价格低廉、清洁无污染、悬浮性和涂刷性能稳定等特点，但是普通水基涂料的固含量普遍较低，水分渗透过深，烘干温度较高（200～400），需要较长时间（一般30min以上）才能烘透，难以自然干燥，而且涂层在干燥后的存放过程中容易吸湿并降低强度，导致生产周期长，铸件质量差快干防腐涂料，能源消耗多。当前，节能环保和安全生产的要求日益严格，对铸件表面质量的要求也日益提高。因此，从改善操作环境、节能降耗、提高生产安全性和铸件表面质量等方面考虑，砂型铸造涂料的发展方向是研制和推广水基自干/快干涂料。国外最早研制的水基自干/快干涂料是俄罗斯莫斯科机床铸造厂用于树脂砂芯的非增韧聚乙烯醇缩醛树脂粉自硬水基涂料。该涂料的缺点是：实干速度慢(5h)，发气量大。美国Ashland（亚什兰）公司于2008年开发了9022FD型快干水基涂料。该涂料是一种低渗透型水基涂料，可显著减少细薄砂型（芯）因水分侵蚀而产生的断裂现象。该型快干水基涂料在80条件下的烘干时间10min。国内对水基自干涂料开展研究的单位有东南大学、武汉工学院、东风汽车公司、辽宁工学院等。东南大学在国内最早研制出聚乙烯醇水基自干涂料。

该涂料在环境温度20、相对湿度RH80%条件下，涂层自干时间长达24h；涂料固化后的抗吸湿性较差，会使涂层强度下降，发气量增大。武汉工学院随后研制了一种磷酸盐水基自硬涂料。该涂料具有优良的高温性能。但是该涂料系双组分型，即固化剂必须单独包装，只能在使用前加入到主组份中搅拌均匀后尽快用完，其可使用时间短，使用不方便，而且自干速度仍然较慢，在环境温度25、相对湿度RH67%条件下为4～8h。磷酸盐自硬涂料的常温强度和抗吸湿性也有待提高。东风汽车公司开发的JZ-1型水基快速烘干涂料项目资助：广东省珠海市科技攻关及高新技术产业化项目资助（项目编号2011B020102013）作者简介：冯胜山，男，研究员快干防腐涂料涂料品牌网，湖北工业大学机电研究设计院材料研究所所长，主要从事造型材料与铸造工艺研究。E-mail:fss8172@126.com。2013中国铸造活动周论文集烘干温度从该厂原来使用涂料的180～240降低到110～140，烘干时间从原来涂料的20～25min降低到13～17min。国内外的上述单组份水基自干/快干涂料的干燥速度都较慢，还有待进一步提高。因此，研制干燥速度更快的新型节能环保水基自干/快干铸造涂料势在必行。

新型水基自干/快干砂型铸造涂料的成分设计水基涂料主要由耐火基料、粘结剂、分散悬浮剂和其它附加物（烧结助剂、减水剂、消泡剂等）及水组成。我们对新型水基自干/快干砂型铸造涂料成分的设计思路是：以锆英粉、铬铁矿粉、粉石英和含锆复合硅酸盐矿粉等不经煅烧或电熔处理的天然耐火材料为基料，采用自制的常温固化型改性高分子聚合物乳液有机粘结剂作为主要的常温自干/低温快干粘结剂，同时以快干型硅酸盐粘结剂作为主要的高温粘结剂，采用具有自主知识产权、耐火度高、热收缩率低的高效复合悬浮分散剂，并且加入适量的高效减水剂和消泡剂，研制高固含量（不挥发物含量）、低渗透性的铸钢铸铁系列水基快干/自干涂料，使其具备优良的触变性，在较高粘度和固含量条件下具有良好的涂刷性和低的渗透性，从而使涂料能够实现在较低烘温和较短时间内快速烘干，或者实现喷灯、煤气、氧-乙炔气或热风短时快速表面干燥，以至在环境温度较高、湿度较低和良好通风条件下实现快速自然干燥，并且不恶化型砂强度，干燥后的涂层抗吸湿能力强，达到节约能源消耗和提高铸件质量的目的。2.1耐火粉料涂料用耐火材料按照加工方法可分为3种类型：常温加工型、高温煅烧型、电熔型。要使涂料具有快速干燥能力，必须提高涂料固含量（不挥发物含量），降低涂料耗水量。

高温煅烧型耐火材料经过高温处理后，由于所含吸附水和结构水挥发，有机物烧蚀，其颗粒内部会产生较多微孔，结构致密度降低。电熔型耐火材料不含吸附水和结构水，而且浇注时还会裹入一些空气。这些因素都会使耐火材料在配制涂料时增大对水的吸附，导致涂料耗水量提高，干燥速度降低。因此，水基自干/快干涂料应优先选择常温加工型耐火材料作为涂料基料。常温加工型耐火材料主要有锆英粉、铬铁矿粉、石墨粉、石英粉、叶腊石粉、硅线石粉、蓝晶石粉、红柱石粉、滑石粉、长石粉、云母粉等。石墨粉基于其高耐火度和高温化学惰性，可广泛用作各种铸铁件和有色金属铸件涂料的耐火基料，具有稳定的抗粘砂效果，但是由于其色黑，严重污染生产、运输、储存和使用环境，恶化劳动条件，而且涂料的固含量很低，已经逐渐被限制使用。目前国内外用于碳钢、合金钢和中大型铸铁件生产的涂料主要是锆英粉涂料。锆英粉的熔点随所含杂质的不同而在2190~2430内波动，但在1的熔点较低），具有一定的自烧结性。因此锆英砂粉的烧结温度与熔化温度之间有一个较宽的温度区间，这有利于它在金属液浇注后产生烧结剥离，使铸件表面容易清理。锆英粉还几乎不被熔融金属或金属氧化物浸润，有利于阻止金属液侵入铸型孔隙，可减少机械粘砂缺陷。

另外，锆英粉在高温下表现为中性至弱酸性，与碱性渣反应缓慢，热化学稳定性高，可防止化学粘砂缺陷。但是，锆英粉资源稀缺，而且近年来进口和国产的锆英粉价格都维持在每吨1万元以上的高位。多年来，国内外铸造工作者在锆英粉替代材料方面做了大量的工作，先后开发出了棕刚玉粉涂料、镁砂粉涂料、铝矾土粉涂料等等，并进行了大量的试验和应用。这些替代涂料应用于中小铸钢件和铸铁件具有较好效果，但是应用于厚大铸钢件时仍然容易产生粘砂缺陷，而且涂层自动剥离性远不及锆英粉涂料。铬铁矿粉不仅具有类似锆英粉的固相自烧结特性，而且不被钢水润湿，高温导热系数大，激冷能力强，这些性能有助于涂料烧结剥离和防止粘砂。尤其重要的是：铬铁矿粉的价格比较稳定，目 前仅为锆英粉的1/3 左右，价格优势明显。 2013 中国铸造活动周论文集 ，无杂质时耐火度＞1900。铬铁矿粉的主要化学成分为Cr ，次要成分为FeO、MgO和Al 及其它杂质。上述次要成分在钢水的高温作用会形成少量液相，对铬铁矿粉粒子间的固相扩散可起传质媒介作用，并按最小能量原理将粒子拉近，促进Cr 发生固相烧结（指在烧结温度时粒子间无液相，但依靠粒子中原子的固相扩散将粒子粘结的烧结）。

随着温度的升高，铬铁矿粉粒子间彼此烧结成致密的尖晶石相（MgO•Al 等）结构。浇注时铬铁矿粉发生固相烧结可弥合粒子间空隙，另外，铬铁矿粉不被钢水润湿，高温导热系数是 倍，激冷性好，这些因素的共同作用可阻止钢液渗入涂层，提高涂层的抗机械渗透粘砂能力。铬铁矿粉的固相烧结还有助于涂料烧结成片剥离。铬铁矿粉的高温化学稳定性好，不与钢水 及其中的氧化物发生反应，FeO 容易在铸件表面积累，从而具有良好的抗化学粘砂能力。 粉石英是古生代微晶石英岩的风化解体产物，我国资源丰富。这种矿体可不经碾磨而直接获得 高纯度的粉体，是纯净的α-石英微粒。纯净的粉石英外观呈白色，密度为2.65 g/cm ，熔点1710，水浸反应为中性，粒度在10μm 以下（相当于325 目）。天然粉石英的颗粒呈类球形。淘洗过的粉石 英SiO 为0.04％～0.12％，CaO+MgO+TiO 的总含量为0.12％～0.42％。 天然粉石英的SiO 含量高，杂质少、粒度细、颗粒均匀，价格仅为锆英粉的1/20左右，它已被 大量用于高压电磁、精细陶瓷和玻璃仪器等行业。粉石英加入锆英粉涂料中部分替代锆英粉，也可 用于一般碳钢件和中大型铸铁件生产。

单独使用粉石英，可用于小型碳钢件和铸铁件、各种有色金 属铸件生产。 粉石英的颗粒形状类似球形，其颗粒表面能较小，粒子间的结构薄弱，摩擦力小，吸水率低。 如果用其生产涂料，预计涂料的粘度小，流动性好，颗粒间摩擦力小，涂料沉淀后不易结块，很易 搅匀，而且水基涂料的固含量高，有利于涂料快速干燥。 含锆复合硅酸盐矿粉也是锆英粉的可选替代材料之一。含锆复合硅酸盐矿粉的主要组成物是一 种与锆英石矿共生的复杂铝硅酸盐矿，其化学成分范围如下：Al 9%。含锆复合硅酸盐矿粉含有一定量的蓝晶石相，其在高温下(1100～1650)可转变为莫来石和方石英（玻璃聚合体），同时产生较大的体积膨胀。莫来石具有很高的耐火度 (1800时仍很稳定)和化学惰性。蓝晶石相高温转变成莫来石是不可逆转化，在 1810以下是稳定 的，温度下降过程中的体积稳定，收缩率低。蓝晶石相使含锆复合硅酸盐矿粉涂层与铸件金属的线 收缩系数差异增大，使铸件与涂层界面在冷却后产生较大的切应力，导致涂料层与铸件自行成片剥 离。蓝晶石相高温转变时产生的高粘度方石英（玻璃聚合体），能抵抗金属液渗透，有利于防止铸 件机械粘砂缺陷，并且冷却后由于玻璃态涂料层与铸件金属的线收缩系数差异也较大，加大铸件与 涂层界面的切应力，进一步导致涂料层与铸件自行成片剥离，从而得到表面光洁的铸件。

生成的莫 来石相的热化学稳定性强，不易与酸性和碱性氧化物反应，有利于防止铸件化学粘砂缺陷。这种含 锆复合硅酸盐矿粉的价格仅为锆英粉的1/7~1/4 左右，价格优势明显。 分别采用铬铁矿粉、粉石英和含锆复合硅酸盐矿粉，或者将它们与锆英粉进行复配，生产的系 列铸造涂料有望代替锆英粉涂料，用于各种材质、不同大小和壁厚的铸件的砂型铸造。 耐火粉料还应有合理的粒度及其分布。平均粒度过粗，涂料层粗糙，而且悬浮性和涂刷性不好； 平均粒度过细，则耗水量大，渗透性过强，导致涂层干燥速度慢，涂层抗裂性也差。其粒度分布应 在合适的粒径范围内呈适当的分散度，以充分利用粗细粒子的相互镶嵌作用，得到致密的涂层，同 时降低耗水量，提高其抗金属液渗透粘砂能力和干燥速度。 2.2 烧结剥离助剂 本系列涂料拟设计成烧结剥离型，因为这种涂料能使涂层从铸件表面基本自动成片剥离，减少 铸件清理工作量。 虽然前已述及的几种主要耐火粉料具备一定的自烧结能力，但要进一步提高浇注温度较低的铸 铁件涂料层的烧结剥离性，还必须在铸铁涂料中添加相应的助熔剂（或烧结剂、氧化剂），使耐火粉