一种提高镁合金充型能力的醇基阻燃涂料及其制备方法与流程

本发明属于铸造技术领域，涉及一种提高镁合金充型能力的醇基阻燃涂料及其制备方法。

背景技术：

紧跟军事装备轻量化的国际趋势，薄壁铸件因其质量小，节省能源消耗而广泛用于航空航天等领域中。镁合金因其密度小，比强度、比刚度高，铸造性能优良，成为“21世纪绿色工程材料”。但是，铸件薄壁部分的快速冷却会降低熔融金属的流动性，容易造成浇不足、冷隔等缺陷，此外，镁合金化学性质活泼，在较高温度下，极易与空气中的氧气、氮气和铸型中的水气发生反应，产生气孔、氧化夹杂、氧化皱皮等缺陷，降低铸件的力学性能和耐腐蚀性能，严重的使铸件报废。因此，良好的充型能力和较强的抗氧化性是制备薄壁镁合金铸件的前提条件。在改善合金成分和优化铸造工艺的基础上，通过选择合适的铸型涂料也会提高镁合金的充型能力和阻燃效果。

目前，利用快速成型法制备复杂结构的覆膜砂砂型广泛用于镁合金薄壁铸件的铸造生产中。然而，覆膜砂存在加热温度受限、强度较低、发气量大和容易吸潮等问题，因此，急需一种能够防止镁合金液与砂型反应，减少镁合金液在砂型中卷气，提高合金液充型能力和阻燃能力的涂料。中国专利文献号为cn101279356a，专利名称为《稀土镁合金覆膜砂砂型铸造用涂料及其使用方法》，该涂料可减少浇注过程中稀土镁合金熔体与覆膜砂砂型反应，并且通过提高覆膜砂砂型预热温度来改善合金熔体的充型能力。此外，中国专利cn103752763a公开了一种镁合金金属型铸造涂料及制备方法，采用nh4bf4、kbf4、烷基磺酸钠和硼酸一种或几种为阻燃剂，实践证明，涂料具有较强的阻燃性，然而水基涂料增加了覆膜砂砂型烘干的困难，砂型容易吸潮、发气量大。邵秀云研究出一种适合于镁合金的醇基阻燃涂料，阻燃剂为硼酸和烷基磺酸钠，实践证明，烷基磺酸钠作为一种阴离子型表面活性剂，常加入水基涂料中改善熔体与型芯的润湿和附着性，通常不适合醇基涂料中，并且，它的加入会带来消泡难的问题（邵秀云，镁合金醇基阻燃涂料的研究，哈尔滨工业大学学位论文，2010.7，p38~p41）。

因此，根据实际生产的具体要求和对现有涂料的改进，开发了一种可以提高镁合金充型能力的醇基阻燃涂料，为了最大限度地发挥所述涂料的性能，提出了该涂料的制备方法，该涂料在薄壁镁合金铸件和覆膜砂砂型铸造的应用中具有重要的意义。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种可提高镁合金充型能力的醇基阻燃涂料及其制备方法，既能提高镁合金熔体的充型能力，又能达到良好的阻燃效果，获得表面光洁，无气孔，无氧化皱皮等缺陷的镁合金铸件。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种可提高镁合金充型能力的醇基阻燃涂料及其制备方法，所述涂料化学组分质量百分比为：

耐火骨料：35~45%；

悬浮剂：1.28~1.93%；

粘结剂：1.5~1.9%；

阻燃剂：1.2~1.6%；

乙醇：45~65%。

所述的耐火骨料的粒度为100～300目，所述的耐火骨料包括氧化铁红、滑石粉和硅石粉的两种或三种混合物。所述的耐火骨料由两种或两种以上耐火骨料组成，可增加涂料的透气性。

所述的耐火骨料中，氧化铁红的质量含量为25~31%、滑石粉的质量含量为7~9%、硅石粉的质量含量为3~5%。所述的耐火骨料选择滑石粉，因其良好的绝热保温性能可提高镁合金的充型能力。

所述的悬浮剂包括凹凸棒土和聚乙烯醇缩丁醛的一种或两种混合物。

所述的悬浮剂中，凹凸棒土的质量含量为1.2~1.8%、聚乙烯醇缩丁醛的质量含量为0.08~0.13%。聚乙烯醇缩丁醛的含量过高，高分子链相互缠绕在一起，失去悬浮剂作用。

所述的粘结剂为热塑性酚醛树脂。

所述的阻燃剂为硼酸。硼酸受热后脱水变成硼酐(b2o3)，硼酐与镁合金液反应生成致密的mg3b2膜和mgo·b2o3釉质膜，起到阻燃作用。硼酸含量过高，会在合金表面形成气泡，降低透气性。

进一步，涂料组成的百分比为：

耐火骨料：35~45%；

悬浮剂：1.28~1.93%；

粘结剂-热塑性酚醛树脂：1.5~1.9%；

阻燃剂-硼酸：1.2~1.6%；

乙醇：45~65%；

其中耐火骨料为氧化铁红、滑石粉和硅石粉，氧化铁红占涂料的质量分数为25~31%、滑石粉占涂料的质量分数为7~9%、硅石粉占涂料的质量分数为3~5%。

悬浮剂为凹凸棒土和聚乙烯醇缩丁醛，凹凸棒土占涂料的质量分数为1.2~1.8%、聚乙烯醇缩丁醛占涂料的质量分数为0.08~0.13%。

本发明为了最大限度地发挥所述涂料的性能，提供一种可提高镁合金充型能力的醇基阻燃涂料的制备方法，具体步骤如下：

s1、根据涂料化学组分质量百分比称取各原料；

s2、将凹凸棒土配制成质量分数为10～15%的乙醇溶液a，将聚乙烯醇缩丁醛配制成质量分数为5～10%的乙醇溶液b；

s3、将酚醛树脂配制成质量分数为30～40%的乙醇溶液c；

s4、将溶液a、b、c倒入乙醇中，利用搅拌机搅拌，制成混合浆料d；

s5、将耐火骨料与阻燃剂加入混合浆料d中，利用搅拌机搅拌，制得所述涂料。

所述的搅拌设备为机械搅拌机。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的涂料选用氧化铁红（熔点为1565°c）、滑石粉（加热到800～900°c分解）和硅石粉（熔点为1690°c）为耐火骨料，降低了耐火骨料的熔点，在满足镁合金熔铸要求（镁合金的浇注温度一般为680～750°c）同时，降低了涂料的成本，加入滑石粉的涂料，手感爽滑，降低了熔体与砂型之间的阻力，并且滑石粉具有良好的绝热保温性能，提高了熔体的充型能力。

2、本发明的涂料不与镁合金熔体反应，具有良好的粘附性、涂覆性、透气性和阻燃性，浇注过程中，涂层不易粉化、开裂，制得的镁合金铸件表面光洁，无气孔，无氧化皱皮等缺陷。

3、本发明的涂料制备方法简单，可现场配制现场使用，所用原料无毒无害，方便应用和推广。

附图说明

图1是本发明涂料的制备流程图。

图2是采用本发明涂料制备的同心三螺旋流动试样与不使用涂料制备的流动试样的宏观形貌对比：(a)不使用涂料制备的同心三螺旋流动试样宏观形貌；(b)使用本发明涂料制备的同心三螺旋流动试样宏观形貌。

图3是采用本发明涂料制备的镁合金机匣铸件的宏观形貌。

具体实施方式

通过具体的实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。

实施例1

根据具体要求，浇铸一种zm2镁合金的同心三螺旋流动试样来评价涂料对合金充型能力的影响，螺旋线截面为(3+5)×5mm³的等腰梯形，同心三螺旋流动试样模具由覆膜砂制成。

原料：

涂料的化学组分质量百分比为：氧化铁红25%、滑石粉7%、硅石粉3%、凹凸棒土1.2%、聚乙烯醇缩丁醛0.08%、酚醛树脂1.5%、硼酸1.2%和乙醇45%。

制备方法：

1、将称取的凹凸棒土配制成质量分数为10%的乙醇溶液a，将称取的聚乙烯醇缩丁醛配制成质量分数为5%的乙醇溶液b；

2、将称取的酚醛树脂配制成质量分数为30%的乙醇溶液c；

3、将溶液a、b、c倒入乙醇中，用机械搅拌机，转速为500r/min，搅拌10分钟，制得混合浆料d；

4、将称取的耐火骨料和硼酸加入混合浆料d中，用机械搅拌机，转速为500r/min，搅拌15分钟，制得所述涂料。将配好的涂料装入密闭的容器中。

使用方法：

将覆膜砂砂型在200°c加热、烘干。由于砂型型腔呈螺旋线形，截面尺寸小，如果采用压缩空气和喷枪喷涂，在型腔的凹处会形成气垫而影响涂层的均匀性，并且，雾化的涂料随压缩空气散入作业场中，污染环境，因此，采用细毛刷刷涂。将刷涂后的砂型放入加热炉中200°c加热、烘干，再用600目的砂纸打磨涂层表面，使涂层厚度达到0.3～0.5mm，利用吹风筒吹去表面的浮粉。将熔融的zm2镁合金在730°c浇注到预热温度为200°c的砂型中。得到的同心三螺旋流动试样表面光洁，无气孔、氧化皱皮缺陷。如图2所示，(a)为未刷涂料的同心三螺旋流动试样，(b)为刷涂料的同心三螺旋流动试样，对比可知，刷涂料的同心三螺旋流动试样表面光亮，流动长度提高了32%左右。

实施例2

根据具体要求，浇铸一种zm2镁合金的同心三螺旋流动试样来评价涂料对合金充型能力的影响，螺旋线截面为(3+5)×5mm³的等腰梯形，同心三螺旋流动试样模具由覆膜砂制成。

原料：

涂料的化学组分质量百分比为：氧化铁红31%、滑石粉9%、硅石粉5%、凹凸棒土1.8%、聚乙烯醇缩丁醛0.13%、酚醛树脂1.9%、硼酸1.6%和乙醇65%。

制备方法：

1、将称取的凹凸棒土配制成质量分数为15%的乙醇溶液a，将称取的聚乙烯醇缩丁醛配制成质量分数为10%的乙醇溶液b；

2、将称取的酚醛树脂配制成质量分数为40%的乙醇溶液c；

3、将溶液a、b、c倒入乙醇中，用机械搅拌机，转速为500r/min，搅拌10分钟，制得混合浆料d；

4、将称取的耐火骨料和硼酸加入混合浆料d中，用机械搅拌机，转速为500r/min，搅拌15分钟，制得所述涂料。将配好的涂料装入密闭的容器中。

使用方法：

将覆膜砂砂型在200°c加热、烘干。由于砂型型腔呈螺旋线形，截面尺寸小，因此，采用细毛刷刷涂。将刷涂后的砂型放入加热炉中200°c加热、烘干，再用600目的砂纸打磨涂层表面，使涂层厚度达到0.3～0.5mm，利用吹风筒吹去表面的浮粉。将熔融的zm2镁合金在730°c浇注到预热温度为200°c的砂型中。得到的同心三螺旋流动试样表面光洁，无气孔、氧化皱皮缺陷，刷涂料的流动试样与未刷涂料的流动试样相比，表面光亮，流动长度提高了31.2%左右。

实施例3

根据具体要求，浇铸一种zm2镁合金的发动机机匣铸件，简化的机匣铸件的轮廓尺寸为190mm×350mm×100mm，平均壁厚为5mm，最小壁厚为2mm，复杂结构的砂型和砂芯由覆膜砂制成。

原料：

涂料的化学组分质量百分比为：氧化铁红30%、滑石粉10%、硅石粉4%、凹凸棒土1.3%、聚乙烯醇缩丁醛0.1%、酚醛树脂1.7%、硼酸1.4%和乙醇60%。

制备方法：

1、将称取的凹凸棒土配制成质量分数为12%的乙醇溶液a，将称取的聚乙烯醇缩丁醛配制成质量分数为8%的乙醇溶液b；

2、将称取的酚醛树脂配制成质量分数为35%的乙醇溶液c；

3、将溶液a、b、c倒入乙醇中，用机械搅拌机，转速为500r/min，搅拌10分钟，制得混合浆料d；

4、将称取的耐火骨料和硼酸加入混合浆料d中，用机械搅拌机，转速为500r/min，搅拌20分钟，制得所述涂料。将配好的涂料装入密闭的容器中。

使用方法：

将覆膜砂砂型和砂芯在200°c加热、烘干。由于砂型和砂芯尺寸较小，结构复杂，因此，采用细毛刷刷涂。将刷涂后的砂型和砂芯放入加热炉中200°c加热、烘干，再用600目的砂纸打磨涂层表面，使涂层厚度达到0.4～0.6mm，利用吹风筒吹去涂层表面的浮粉。将砂型和砂芯组装好，分型面处用封装膏密封，放入箱式炉中200°c加热、烘干。将熔融的zm2镁合金在730°c浇注到预热温度为200°c的砂型中。如图3所示为涂覆涂料制备的镁合金机匣铸件的宏观形貌，得到的镁合金机匣铸件表面光洁，结构完整，无气孔、氧化夹杂、氧化皱皮等缺陷。