砂型芯涂料3涂料组成及主要原材料.docx

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砂型芯涂料3涂料组成及主要原材料

3.3涂料的基本组成及主要原材料

铸造涂料是一种复杂的多相混合体，一般包括耐火填料、悬浮剂、粘结剂、载液和各种助剂等五个基本组分，各个组分在涂料应用的不同阶段发挥着不同的作用，并可能相互影响。

3.3.1耐火填料

耐火填料是涂料的主体部分，也称耐火骨料，是涂料抗粘砂性的决定因素。

其物理化学性质对涂料的工艺性能及工作性能都有很大的影响。

选择耐火填料时应综合考虑其耐火度、烧结点、粒度组成、高温化学稳定性、PH值、与金属液及其氧化物的润湿性，线胀系数、热导率、结晶水、发气量等物理化学性质。

此外还应考虑其价格，资源及环保等因素，常用耐火填料的物理化学性质见表3-1。

不同铸造合金、铸型（或面砂）种类，不同铸件尺寸应选用不同的耐火填料来配制涂料。

一种涂料可以采用单一耐火填料，也可以采用两种以上的耐火填料。

1.锆英粉锆英粉的主要成分为硅酸锆（ZrSiO4）,有很高的耐火度，优异的高温化学惰性，热胀系数低，热导率和蓄热系数高，同时又具有很强的烧结能力,具有极佳的抗粘砂及剥离能力，因此是极好的且适用范围最广的涂料用耐火填料，在各类厚大铸件上用得很普遍。

但锆英粉属弱酸性材料，不适用于碱性钢种如高锰钢铸件。

配制涂料用的锆英粉分为三级，其化学成分见表3-102（JB/T9223-1999）。

表3-102锆英粉的化学成分（质量分数，%）

（Zr·Hf）O2*

≥

SiO2

TiO2

Fe2O3

P2O5

Al2O3

≤

66.0

33.00

0.30

0.15

0.20

0.30

65.0

33.00

1.00

0.25

0.20

0.80

63.0

33.50

2.50

0.50

0.25

1.00

*注：

铪（Hf）系放射性元素，HfO2与ZrO2共生，难以分离。

2.硅石粉即石英粉，主要成分为SiO2,是涂料用最廉价的耐火填料之一，资源丰富。

它的性质与硅砂相似，具有较高的熔点和烧结温度，但由于它在高温下能与铁的氧化物生成低熔点、低粘度的铁橄榄石（2FeO·SiO2），容易形成铸件的粘砂缺陷，因此通常只适用于一般中、小铸钢件和部分铸铁件，不适用于大型铸钢件和锰钢铸件。

配制涂料用的硅石粉的性能要求见表3-***。

表3-***硅石粉的性能要求

化学成分（质量分数,%）

灼烧减量（质量分数,%）

耐火度/︒C

SiO2

CaO、MgO、Na2O、K2O

Fe2O3

≤0.5

≥1690

≥98

≤1.0

≤0.75

3．刚玉粉刚玉粉分为白刚玉和棕刚玉两种，属中性耐火材料。

刚玉的结构致密，高温化学惰性高，抗酸碱性强，热导率比石英高，热胀系数比石英约小1/2。

可用来配制大型钢铸件和合金钢铸件用的涂料。

刚玉粉的资源较少，白刚玉粉纯度很高（Al2O3≥97%），抗粘砂效果更好，但价格昂贵。

纯度相对低一些（Al2O3≥92.5%）的棕刚玉粉，性能稍低于白刚玉，但其价格较低，广泛用于中型铸钢件、高锰钢及铸铜件。

4．铝硅质耐火粉料

铝硅质耐火材料是以Al2O3和SiO2为主要组成的铝硅酸盐，是资源最为丰富的一种原材料，在很宽的成分范围内都具有较好的耐火性能。

以下是几种典型的铝硅质耐火材料。

（1）高铝矾土粉高铝矾土粉的资源较丰富，价格也比刚玉粉和锆英粉等便宜，无硅尘和放射性危害。

其耐火度较高、热性能稳定、不易与金属氧化物生成低熔点物质，也不易被金属液和金属氧化物所润湿，可用来配制中小型铸钢件、铸铁件及有色合金用的涂料。

由于铝矾土原矿含有大量的分子水，因此在磨粉前必须在1300~1500︒C下进行充分的煅烧，否则用于涂料会导致涂层严重开裂乃至剥落，还会造成铸件气孔缺陷的产生。

（2）莫来石粉莫来石粉是一种性能优良的耐火材料，化学式为3Al2O3⋅2SiO2，广泛用于冶金及建材等行业的耐火材料。

目前莫来石主要有两种，一种是电熔莫来石，纯度高、性能好，但价格昂贵。

另一种是烧结莫来石，是采用天然莫来石精矿等原料通过1600︒C高温烧结合成的产品，纯度和性能虽比电熔莫来石稍差，但其价格较便宜，可作为铸钢、铸铁及非铁合金用涂料的耐火填料。

另外，用煤矸石煅烧并粉碎制成的低品位莫来石粉，价格低廉，也可用于铸造涂料。

莫来石的的成分及性能

型号

Al2O3

SiO2

Fe2O3

K2O

Na2O

体积密度/g.cm3

耐火度

/︒C

M70

68～78

22～28

≤0.80

≤0.20

≤0.06

2.65～2.80

≥1850

（3）叶蜡石粉用于铸造涂料的叶蜡石粉是以水化硅酸铝（Al2O3·4SiO2·H2O）经1200～1300煅烧、粉碎制成的一种耐火粉料，具有磷片状晶体结构，化学性质稳定，可与石墨粉共用，用于铸铁件涂料，具有很好的抗粘砂和剥离效果。

此外，叶蜡石粉也可用于有色铸件。

（4）硅线石类粉料这一类矿物往往以同质异构的硅线石、红柱石及蓝晶石形式出现，理论Al2O3含量为62.9%，此类矿物加热至1545℃时会分解为莫来石和无定形SiO2。

铸造涂料中所用的硅线石粉Al2O3含量为55～59%，耐火度一般大于1790℃，可用于中小型铸钢件及铸铁件。

（5）耐火熟料指Al2O3含量为30～46%的粘土质耐火粉料的煅烧产物，是莫来石和二氧化硅的混合物，可用于中小型铸钢件。

应用中耐火熟料的化学成分要求Al2O3含量≥30%；Fe2O3≤3%；耐火度>1580℃。

5.镁质耐火粉料

（1）镁砂粉镁砂粉是菱镁矿（MgCO3）经1450℃以上高温煅烧并粉碎制成，其主要成分为方镁石（MgO），熔点为2800℃。

镁砂粉的熔点极高而热胀系数比石英小，没有因相变引起的体积突变，属碱性耐火材料，不与氧化铁或氧化锰相互作用，抗碱性熔渣的能力很强，因此特别适用于配制用于高锰钢铸件和涂敷在石灰石砂上的涂料。

镁砂粉价格便宜，资源丰富。

但镁砂粉吸湿性很强，易结块，不宜长期存放。

另外，镁砂粉具有很强的碱性，易水化,Ｍｇ2+离子对膨润土及一些高分子悬浮剂有很强的絮凝能力。

因此镁砂粉涂料的悬浮性、流平性及涂刷性较差。

做好的涂料也不易长期存放。

（2）镁橄榄石粉镁橄榄石粉也属于碱性耐火填料，其主要成分为2MgO·SiO2。

镁橄榄石粉的耐火度较高，不与铁和锰的氧化物反应，故具有较强的抗金属氧化物侵蚀的能力，适用于配制高锰钢等碱性合金钢的涂料，同样适用于用石灰石砂造型的型、芯。

与镁砂粉相比，镁橄榄石粉的热胀系数小，铸件表面更光洁。

镁橄榄石粉中的蛇纹石会降低其耐火度，增加发气量，因此，蛇纹石的含量越低越好，一般不应大于20%。

氧化铁会降低镁橄榄石粉的抗粘砂能力，其质量分数应控制在10%以下。

用于涂料的镤橄榄石粉其化学成分和物理性能见表3----

表3---镤橄榄石粉的化学成分和物理性能（%）

等级

MgO

SiO2

Fe2O3

L.O.I

含水量

耐火度℃

≥

≤

≥

一级

1.5

0.5

1690

二级

0.5

（3）镁铝尖晶石烧结镁铝尖晶石（MgAl2O4）是用人工合成的一种新型耐火原料。

该产品具有热膨胀系数小，抗化学侵蚀能力强、导热性能好、熔点高等优良特性，广泛应用于各种耐火浇注料，及钢包内衬材料,也是铸造涂料的一种优良耐火填料，可用于各种铸钢件。

与镁砂粉相比其碱性低、抗水化、抗吸湿性好，涂料的悬浮性、流平性、涂刷性等优良。

烧结镁铝尖晶石的成分及性能见表3---

表3---烧结镁铝尖晶石的成分及性能

MgO

Al2O3+MgO

Fe2O3

耐火度℃

35-40

≥90%

≤1.8%

≥1790

25-30

≥90%

≤2.0%

≥1790

25-30

≥96%

≤0.5%

≥1790

（4）镁铬砖粉镁铬砖粉是废耐火砖粉碎制成的一种耐火粉料，其主要成分为镁铬尖晶石。

其耐火度高、抗熔渣能力强、热性能稳定且价格低廉，可用于高锰钢及碳钢件的耐火涂料。

6.铬铁矿粉铬铁矿粉属尖晶石矿物，化学式为FeO⋅Cr2O3。

铬铁矿粉耐火度高，热稳定性好，抗碱性渣能力强，不与氧化铁等发生化学反应，不被金属液所润湿，热导率比硅砂大许多倍，在金属液的浇注过程中，涂层中的铬铁矿粉自身会产生固相烧结，这有助于提高抗粘砂的能力，清理时涂层也容易从铸件上剥离。

铬铁矿粉可用来配制大型铸钢件和各种合金钢铸件的涂料。

用来配制涂料的铬铁矿粉，其化学成分的要求见表3-103。

表3-103铬铁矿粉的化学成分（质量分数,%）

Cr2O3

SiO2

CaO

灼烧减量

≥45

≤3.0

≤1.0

≤0.5

7.石墨粉石墨粉是一种碳素材料。

天然石墨有两种形态：

无定形（土状）石墨和鳞片状石墨。

石墨粉是中性材料，耐火度高，对金属液的激冷能力强，不被金属液或金属氧化物所润湿，不与金属液发生化学反应，在浇注过程中能产生微弱的还原性气氛，抗粘砂能力强，而且密度小，易悬浮，资源丰富，价格也不贵。

它是铸铁涂料最常用的耐火填料。

对于厚大铸铁件，为了防止高温激热下涂层开裂，国内多以7:

3或8:

2的质量比，将无定形石墨粉和鳞片状石墨粉组合使用。

由于石墨会使铸钢件增碳，因而不适用于铸钢涂料。

石墨对环境的污染也较严重。

用来配制涂料的石墨粉，其化学成分的要求见表3-104。

表3-104石墨粉的化学成分要求（质量分数,%）

种类

固定碳

硫分

水分

灰分

挥发分

无定形石墨

>75

<15

<4.5

鳞片状石墨

85～90

<0.5

<10

8.滑石粉滑石粉是一种含水硅酸镁，化学式为3MgO⋅4SiO2⋅H2O，加热到840～900︒C时失去结晶水并分解，分解产物为斜顽辉石和无定形硅石。

滑石粉耐火度低，硬度很低，配成的涂料手感滑爽，广泛用于非铁合金铸造，有时也用于小型铸铁件生产。

如用于铸铁件时需预先经850~900︒C焙烧，以除去结晶水。

9.辅助耐火填料

有些耐火填料不能或很少单独使用，而是和其它耐火填料配合使用，以改善涂料的综合性能。

这类材料称为辅助耐火填料，如长石粉、硅藻土、珠光粉、云母粉、焦炭粉、玻璃粉等。

长石粉长石粉分为钾长石和钠长石，是一种含碱金属氧化物的铝硅酸盐，其耐火度和烧结点较低，价格便宜，广泛用于陶瓷、玻璃及铸造等行业。

在铸造涂料中可作为低熔点非铁合金用涂料的耐火骨料。

在铸铁涂料中常加入适量长石粉用为助熔剂，可改善涂料的烧结和剥离性。

钾长石熔点较高，钠长石则较低。

云母粉云母粉为硅酸钾铝的水化物，化学式为H2KAl3（SiO4）3,熔点为750～1100℃。

云母粉为天然薄板状结晶，其涂层对铸型有很强的覆盖能力，可有效地防止金属液的渗透。

云母粉常用于浇注铜铸件、铝铸件，铸件件用涂料中也可加入适量的云母粉。

硅藻土硅藻土是一种优良的绝热耐火材料。

硅藻土属生物成因的硅质沉积岩，主要由单细胞水生藻类植物的遗骸化石组成，具有显微多孔状结构，主要成分为SiO2。

其隔热保温性好、吸附性强、耐火度较高，广泛用于吸附、过滤及绝热保温材料。

硅藻土可用于增强砂型涂料的保温及蓄气性能，另外在离心铸管涂料、金属型涂料中也得到了广泛应用。

硅藻土因其产地不同其保温性能及耐热性能有很大不同，一般按SiO2含量分为三级：

SiO2>85%为1级，80～85%为2级，<80%为3级。

我国吉林长白山硅藻土的SiO2含量高达91.98%，达到国外优质、硅藻土的水平。

硅藻土原矿发气量很高，用于铸造涂料时需预先在900℃锻烧。

几种常用耐火填料的物理性能列于表3-***。

不同材质铸件常用的涂料耐火填料列于表3-***。

耐火填料名称

分子式

化学

性质

密度

ρ/g⋅cm-3

熔点/

︒C

烧结温度/

︒C

在FeO作用下的烧结温度/︒C

比热容

c/J（kg⋅K）-1

热导率

λ/W（m⋅K）-1

线胀系数αi/K-1

293~1273K

673K

1473K

锆英粉

ZrO2⋅SiO2

弱酸性

4.6～4.7

2200

1600~1800

1400~1600

544

2.093

5.5×10-6

硅石粉

SiO2

酸性

2.65

1713

1500~1700

1400~1500

1046

1.591

0.670

16.0×10-6

刚玉粉

Al2O3

中性

3.8～3.9

2000~2500

>1850

1130

12.56

5.275

8.8×10-6

高铝矾土粉

mAl2O3nSiO2

中性

≈2.6

>1800

1500~1700

1300~1700

莫来石粉

3Al2O3⋅2SiO2

酸性

3.1～3.3

1830～1850

1005

1.214

1.549

4.5×10-6

硅线石粉

Al2O3⋅SiO2

酸性

2.6～2.8

>1790

1450~1600

1300~1500

镁铝尖晶石

MgAl2O4

碱性

3.5～3.7

>1800

铬铁矿粉

FeO⋅Cr2O3

中性

4.1～4.4

>1900

_1450~1850

1450~1850_

8.374

8×10-6

镁砂粉

MgO

碱性

3.4～3.6

>2000

5.694

2.931

13.5×10-6

镤橄榄石粉

2MgO·SiO2

碱性

3.2～3.4

>1800

1400~1600

1200~1400

鳞片状石墨粉

中性

2.25

≈3000

153.53

2×10-6

无定形石墨粉

中性

≈2100

滑石粉

Mg3Si4O10（OH）2

碱性

2.7

800~1350

800~1300

云母粉

H2KAl3（SiO4）3

弱酸性

2.8~3.1

750~1100

表3-105几种常用耐火填料的物理性能

注：

表中熔点等部分性能会随其杂质含量的多少而改变。

表3-106不同材质铸件常用的涂料耐火填料

耐火填料

铸件材质

硅

石

粉

锆

英

粉

棕

刚

玉

粉

高铝

矾

土

莫来石粉

铬

铁

矿

粉

镁

砂

粉

镁

橄

榄

石

粉

无

定

形

石

墨

鳞片

石

墨

粉

滑

石

粉

镁铝尖晶石

硅线石粉

云母粉

长石粉

叶蜡石粉

铸

钢

碳钢

高锰钢

合金钢

耐热钢

铸

铁

灰铸铁

∧

球墨铸铁

∧

可锻铸铁

∧

铜合金

∧

铝合金

镁合金

注：

“+”表示常用；“ο”表示不常用，仅在某种条件下使用；“-”表示不用或很少使用；“∧”表示常和其他耐火填料配合使用。

3.3.2载体

载体又称载液或溶剂。

其主要作用是使耐火填料分散在其中，形成便于涂敷的浆状涂料。

载体的选用主要取决于所用粘结剂的类别、操作条件和使用工艺等因素。

常用的载体通常分为水和有机溶剂两类。

以水作载体的涂料称为水基涂料；采用有机溶剂作载体的涂料称为有机溶剂涂料，其中以醇类做载体的涂料可称为醇基涂料。

1.水水是最常用的载体，代号S。

它有以下一些优点：

易使涂料获得良好的悬浮性、涂刷性、不流淌性、流平性、渗透性和流变性，且价廉、易得、无毒、无臭、安全。

由于水中钙、镁盐类过多会破坏涂料的悬浮性和胶体的稳定性，导致涂料相关性能的恶化，因此用作涂料载体的水，其硬度不能过高。

铸造用涂料对水的硬度没有统一的规定，通常普通自来水可满足一般涂料的要求。

必要时可通过蒸馏、离子交换处理，或加入化学改性剂来改善。

水的pH值等于7时最佳。

2．溶剂有机溶剂代号Y，其种类很多，常用的有机溶剂性质见表3-107。

闪点是有机溶剂液面上的蒸汽和空气的混合物与火接触后，开始产生蓝色火焰的闪光时的温度，闪点低，则易燃烧。

蒸发数是以乙醚为基准，比较各有机溶剂的蒸发率，蒸发数高，则表示蒸发慢，燃烧也缓慢。

表3-107几种有机溶剂的性质

名称

分子式

沸点/

︒C

密度/

g⋅cm-3

大气中允许最高浓度/×10-6•m-3

闪点/

︒C

蒸发数

乙醇

C2H5OH

78.4

0.80

1000

8.3

甲醇

CH3OH

64.65

0.79

200

6.5

6.3

异丙醇

（CH3）2CHOH

80~82

0.79

100

10.5

正丁醇

CH3（CH2）2CH2OH

115~117

0.80

100

2.5

石油醚

R-O-R’

80~110

0.70~0.72

500

3.3

二氯甲烷

CH2Cl2

40~41

1.33~1.37

500

1.8

氯仿

CHCl3

61.2

1.49

100

0.56

三氯甲烷

－

74~78

1.33

四氯化碳

CCl4

76.8

1.595

点火干燥的涂料常用乙醇作载体，其燃烧速度和燃烧值适中，且无毒、无异味。

异丙醇也是一种很好的载体，在国外被普遍采用，但是，因其价格较贵在我国应用较少。

甲醇来源广、价格低，可作为醇基涂料的载体，一般和乙醇或异丙醇混合使用，单独使用时溶剂渗透过快、过深，涂刷性较差，粘度偏高，涂层覆盖能力较差，毒性也较高。

石油醚一般作为辅助溶剂加入，可改善涂料的点火燃烧性能。

由于其极易着火，危险性较大，使用或储存时必须注意安全防火。

采用容易挥发的有机溶剂可制成自干涂料，即不需要点火引燃而靠自然干燥。

氯化烃类溶剂挥发速度很快，且不会燃烧，适合于作为自干涂料的溶剂。

但氯化烃类溶剂毒性较大，使用时要注意加强通风。

二氯甲烷的沸点仅为40︒C左右，在空气中的允许浓度也较高，因而是自干涂料常用的载体之一。

三氯乙烷在国外最为常用。

国内常用的烃类挥发性有机溶剂还有200#溶剂油、二甲苯、松节油等。

3.3.3悬浮剂：

悬浮剂在涂料中用来形成稳定的胶体体系，以使涂料在使用、贮存或运输过程中保持成分均一、无沉淀分层。

它通常还能起到防止载体脱离耐火填料而单独渗入型（芯）砂这一不良现象的发生。

悬浮剂对涂料的流变性和工艺性能起决定性的作用。

悬浮剂的选择主要应根据载体的种类，其次是耐火填料的类型。

涂料的悬浮剂分为两种类型，一类为无机矿物，主要是粘土类矿物，另一类为有机高分子化合物。

通常将两种类型的悬浮剂配合使用效果更好。

水基涂料常用的悬浮剂有：

钠基膨润土、凹凸棒土、海泡石、累托石、羧甲基纤维素钠、纤维素醚、黄原胶、田青胶、聚丙烯酰胺、海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮等。

有机溶剂涂料常用的悬浮剂有：

有机膨润土、锂基膨润土、凹凸棒土、有机棒土、海泡石、有机累托石、聚乙烯醇缩丁醛、氢化蓖麻油、聚乙烯吡咯烷酮、羟丙基纤维素、醇溶性聚丙烯酸酯等。

1.钠基膨润土钠基膨润土是水基涂料最常用的悬浮剂。

它能在水中膨胀，形成水化膜，并搭接成立体网状结构，使涂料产生屈服值，阻止耐火填料下沉。

钠膨润土的效果比钙膨润土更好，后者可以通过活化处理后再使用。

膨润土在涂料中还能起到一定的粘结作用。

膨润土若与高分子化合物配合使用，其颗粒为高分子键所吸附而产生“桥联”作用，它们共同形成的立体网状结构更加稳定、牢固，从而使悬浮性更好。

膨润土价格低廉、资源丰富、在水基涂料中的悬浮作用很强，但在醇类有机溶剂中的悬浮作用则较差。

2.有机膨润土它是醇类有机溶剂涂料（醇基涂料）较为理想的悬浮剂。

国内生产的有机膨润土，是以季胺盐取代膨润土中的金属离子所得到的能在甲苯、二甲苯中膨润的产物。

由于它不能直接在醇类有机溶剂中溶胀，因此需用二甲苯等引发剂先将有机膨润土调成膏状，称之引发，然后加入到醇基涂料中。

有机膨润土的缺点是价格昂贵，引发用的二甲苯有难闻的气味。

3.锂基膨润土它是在天然钙膨润土中加入锂盐，通过离子交换反应后得到的产物。

锂膨润土可先用水使其溶胀，再配制醇基涂料。

它的悬浮作用很强，且价格比有机膨润土便宜得多。

用锂基膨润土配制的醇基涂料的性能随贮存时间的延长而降低较快，不宜长期贮存。

4.羧甲基纤维素钠（CMC）它是用棉花纤维经醚化反应得到的钠盐，呈白色或微黄色纤维状。

CMC与膨润土配合使用可明显提高涂料的屈服值，改善悬浮性。

CMC在涂层中还能产生一定的粘结作用。

中性、中粘度的CMC更适合于用做涂料的悬浮剂，其技术条件见表3-109。

CMC的价格不贵，来源丰富，综合性能也较好，因此较广泛地用做水基涂料的悬浮剂。

表3-109羧甲基纤维素钠（CMC）的技术条件

牌号

2%水溶液粘度/Pa•s

w（钠）（%）

pH值

w（水）（%）

w（氯化物）（%）

w（重金属）（以Pb计）（%）

w（铁）（%）

w（砷）（%）

FM6

0.3～0.6

6.5～8.5

6.5～8.0

≤10.0

≤3.0

≤0.002

≤0.03

≤0.0002

5.聚丙烯酰胺（PAM）它由丙烯酸和丙烯酰胺共聚而成，呈白色粉末状，分阳离子、阴离子和中性三种类型，用做水基涂料悬浮剂时，通常采用阳离子PAM。

在水溶液中只要含有0.01%～0.1%的质量浓度，便可获得很高的粘度。

PAM和膨润土质点之间有强烈的吸附作用，使涂料具有很好的悬浮性。

6.聚乙烯醇缩丁醛（PVB）它是由聚乙烯醇与丁醛在酸性介质中缩聚而成，呈白色或浅黄色粉末状，能溶于乙醇等，并可迅速提高乙醇的粘度。

在醇基涂料中不仅起到悬浮作用，还可显著提高涂层干燥后的表面强度。

7.凹凸棒土它的主要矿物组成是凹凸棒石，是一种含水化铝、镁硅酸盐的粘土矿物，呈链状构造型，吸水速度快，分散在载体中能形成杂乱的网状结构，能赋予涂料以良好的悬浮性，还能改善涂料的流变性和工艺性能。

我国安徽、江苏生产的凹凸棒土的主要技术条件见表3-110。

表3-110凹凸棒土的主要技术条件

SiO2

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