80用于冷芯盒工艺的高性能水基涂料的研究

用于冷芯盒工艺的高性能水基涂料的研究DevelopmenttheWater-basedcoatingforcoldboxprocess刘生银,孙兴华,金晓春,黄爱民（亚什兰(中国)投资有限公司铸造部,上海200030）摘要:水对冷芯盒工艺的砂芯强度影响非常大,试验数据表明,已经生产出来的砂芯,如果在高潮湿(相对湿度90%)中存放24小时,强度会下降50%-67%.生产实际中,芯砂中如果含水量大于0.2%时,几乎不能用于冷芯盒工艺;鉴于此,开发出一种对砂芯强度影响最小的水基涂料。关键词:冷芯盒工艺;砂芯强度;9022C水基涂料Abstract:Sandcoresmadebycoldboxprocessareverysensitivetomoisture.Itisshownthatthetensilestrengthofsandcoreswilldecreaseby50-67%aftertheyarestored24hoursunder90%relativehumidity.Itisrecommendedthatsandmoistureshouldbelessthan0.2%inthefoundry.Tominimizetheimpactofwaterbasedcoatingtosandcorestrength,Ashlanddevelopedakindofcoatingwithminimalpenetrationintosandcores.KeyWords:ColdBoxProcess,Sandcorestrength,9022Cwaterbasedcoating早在上世纪60年代时,冷芯盒工艺就由亚什兰公司发明并申请了专利,随后的80年代,我国引进了该工艺用于汽车发动机主要零部件的生产，并一度在我们的铸造教科书上称之为亚什兰工艺。冷芯盒树脂是由酚醛树脂和异氰酸酯树脂两组分组成，两组分在三乙胺作催化剂的作用下，常温时快速硬化。该工艺的优点明显,可快速同时硬化(10秒之内),无需加热,初始强度和终强度高,适合大批量快速生产要求。冷芯盒树脂反应机理:酚醛树脂异氰酸酯聚氨酯随着国内铸造业对该工艺的深入了解和实际使用,越来越多的铸造厂采用了该工艺,据不完全统计,目前国内几乎所有大型汽车发动机铸造厂家均采用冷芯盒工艺。但是该工艺中的II组份异氰酸酯和水有很强的反应倾向异氰酸酯与水反应:HR-NCO+H2O[R-N-COOH]R—NH2+CO2异氰酸酯与水的反应优先于与I组分酚醛树脂的反应,即反应前,如果异氰酸酯遇到水,无论是在树脂中或砂子中,均会先与水反应,然后才会和酚醛反应,因此砂芯强度会大大降低。所以冷芯盒工艺要求芯砂中含水量不得高于0.2%.1原砂中带有水分的情形我们在试验室里做了试验,采用标准大林砂50/100目,原砂含水量为0.13%.试验前,先将砂子在烘箱中烘干,再分别加入0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和1.0%的水,然后测试不同含水量的砂子的冷芯盒工艺强度。采用亚什兰的440C/840C冷芯盒树脂,树脂加入量两组份共为1.5%(组份I:组份II=50:50)。表1:砂含水量对砂芯强度的影响砂含水量,%30s1hr3hr24hr0.0011.1214.7615.1017.410.2010.3513.6414.6216.150.309.7911.8911.4713.500.404.976.575.457.690.502.804.553.993.081.000.000.000.000.0012.009.006.003.000.000.00原砂含水量对瞬时强度（30S)的影响0.200.400.600.80含水量(%)1.0020.0015.0010.005.000.00图1原砂含水量对瞬时（30s）强度的影响原砂含水量对3小时强度的影响0.000.200.400.60含水(%)0.801.00强度（KGF)强度(KGF)图2原砂含水量对3小时强度的影响从表1、图1、图2结果可以看出,当原砂中含水量为0.3%时，砂芯3小时强度及24小时强度明显降低，因此冷芯盒工艺要求原砂含水量小于0.2%。2固化后的砂芯遇到水分的影响采用亚什兰的440C/840C冷芯盒树脂,大林标准40/70目砂,砂含水量低于0.2%,树脂加入量两组份共为1.5%(组分I:组分II=50:50)。将固化后的砂芯分别放置于室温，50%相对湿度，以及40℃，90%相对湿度下比较湿度对砂芯强度的影响。表2:大气湿度对固化后的砂芯强度的影响试验室温度/湿度25℃/50RH40℃/90RH30s5Min1Hr3Hr5Hr7Hr9Hr24Hr25.020.015.010.05.00.013.817.118.619.119.720.321.021.514.215.014.414.913.312.412.27.1440C/840C,25C,50RH440C/840C,40C,90RH30S5Min1Hr3Hr5Hr7Hr9Hr24Hr时间图3大气湿度对砂芯强度的影响从表2和图3可以得出如下结论:1）440C/840C冷芯盒树脂在加入量各组份仅为0.75%时,初始强度已经达到14.2KGF,明强度(Kgf)显高于正常客户的使用需求;2）在常温(25℃)和常湿(相对湿度50%)状态下,砂芯强度由初始的13.8KGF达到24小时的21.5KGF,增加了56%.说明冷芯盒树脂继续反应，砂芯强度会随着时间继续增长。3）在高温(40℃)和高湿(相对湿度95%)状态下,砂芯强度由初始的14.2KGF降到24小时的7.1KGF,降低了50%.说明固化后的树脂与水发生了反应，同时由于水与砂子有更强的亲和性，阻碍了树脂与砂子的结合作用，从而导致强度明显降低.由此可见,固化后的冷芯盒砂芯遇水强度会明显降低。因此，开发一种能对砂芯强度影响最小的涂料是我们的一个重要课题。采用不含水的涂料,如醇基涂料影响较小。但是醇基涂料价格较高,并且醇基易燃,对环境不友好,运输不便,包装要求较高。采用水基涂料有价格较低,包装运输方便等优点,国内较多的工厂采用水基涂料,大部分水基涂料因为渗透较深，会明显影响砂芯强度。因此我们开发出一种高性能、低渗透的水基涂料－9022C来满足国内客户的需求.该涂料由高档铝硅酸盐材料、云母、石墨、粘土、有机粘结剂、表面活性剂和防腐剂组成。含片状绝热耐火矿物材料，有助于减少脉纹缺陷，并使粘砂和表面侵蚀最小。加入足够的石墨，在多数情况下可使涂料在铸件表面形成一层易脱落的壳层。对未喷涂过量的脱模剂的砂芯表面具有良好的润湿性和粘结性，涂料渗透性小,可以为细薄的砂芯因水分侵蚀而产生的断裂减少到最小。9022C涂料在充分满足常规涂料的常温和高温强度的前提下,涂料渗透到砂芯表内层非常少,对砂芯的强度影响很小。3涂料对砂芯强度影响的实验我们在实验室做了如下试验:准备工作:制备了标准8字样块(样块采用的440C/840C冷芯盒树脂,大林标准40/70目砂,砂含水量低于0.2%,树脂加入量两组份共为1.5%I:II=50:50),准备了9022C、9105C涂料各1KG.(其中9022C为低渗透涂料,而9105C为普通渗透涂料,作为参比对象).我们将生产现场提取的涂料,分别加入不同比例的水,调整到相同的波美度,Baum=30,测得结果如表3。表3所用两种涂料的性能涂料名称加入水量固体含量粘度,100rpm/10rpm,(cps)9022C35%31.71%42/3309105C49%29.31%37/250注:以上数据均采用较高精确度的测量仪检测,其中称量仪采用梅特勒-托利多的PL303型电子天平,精确度达0.001G;粘度仪采用美国Brookfield公司的DVII-Pro,波美计采用亚什兰公司的90DIETERTDetroitMI。涂料稀释后,用8字样块浸涂上述不同涂料,并且模拟实际使用情况,在拉伸仪上测试拉伸强度,测得结果见表4。表4浸涂料对砂芯抗拉强度的影响抗拉强度（KGF）未浸涂料浸涂9022C浸涂9105C浸水不烘干,放置2分钟不烘干,放置30分钟先不烘干,放置30分钟,然后再120℃烘30分钟15.1015.1020.7010.778.1812.6610.286.369.4410.497.7611.89由测试结果可见，低渗透9022C的砂芯强度比普通渗透的9105C高出20%以上。最后,我们用烘干好的8字样块,用拉伸仪自然拉断后,断面未经任何处理,放在高倍显微镜下,拍出的涂料渗透厚度如图4所示。图49022C低渗透涂料与普通涂料9105C渗透厚度的对比,采用MOTICSMZ-168高倍显微镜,同时我们采用千分尺将涂料渗透厚度进行了测试,结果见表5。表5两种涂料的渗透厚度涂料名称渗透厚度9022C0.8mm9105C1.8mm市场上通用涂料的渗透厚度一般为2mm左右，而9022C涂料的渗透厚度减少了一半，小于1mm，因此能最大限度的减少对砂芯强度的影响。综合以上数据可以得出,9022C涂料是一种低渗透性的高性能水基涂料，适合机械化大批量生产使用。49022系列涂料的应用实例（1）9022C用于山西三联发动机缸体9022C水基涂料典型物理属性:形状:浆状;金属：铸铁;颜色:灰色/黑色;应用方法：浸涂;耐火材料：混合物;作用方式：形成涂层;溶剂：水;干燥方法：烘干;固体％：42.0;比重：1.33；波美度：50应用:在多数情况下,9022C浆状涂料供货状态时的粘度比使用时高。故需采用与涂料相容的清洁水加以稀释,加入30-40%的水。根据应用方法和砂芯温度的不同，9022C浆状涂料使用波美度一般在30-32。有时候波美度不足以充分说明涂料的性能。为使涂敷达到满意的效果，还需要测定涂料的比重或固体含量。生产稳定后，波美度可用作检测浆状涂料性能的快捷手段。图5:山西三联为韩国现代生产的1.6L发动机缸体,采用9022C涂料（2）9022D用于保定长城内燃机及镇江银峰阀类铸件采用人工方式浸涂涂料时,由于很难控制精确的涂料滴淌时间,要求涂料有良好的触变性,因此我们在9022C的基础上,改善了流淌性，开发出9022D涂料。9022D可以满足人工方式浸涂,因为当手工浸入涂料提起来时,9022D涂料就会立刻停止流淌,没有滴挂,表面非常光洁.图6保定长城内燃机用9022D涂料（具有非常好的平滑表面）图7镇江银峰铸造公司采用9022D水基涂料代替醇基涂料生产汽车和阀类铸件.（3）9022FD涂料用于武汉威斯卡特排气歧管为满足一些客户低温快干的要求，我们又开发了9022FD快干涂料，9022FD涂料可在80℃温度下10分钟以内干燥，同时保留了9022系列的其他优异性能，如低渗透，易脱落等。图8武汉威斯卡特采用9022FD涂料生产的排气歧管,铸件表面光洁9022系列涂料由于渗透低,涂层表面异常光洁,因为芯砂通常为40/70目或50/100目砂,表面达不到工艺要求,涂料通常是200-300目的更细的骨料,9022系列涂料渗透性低,可以非常完整地覆盖在砂芯表面.因此而体现在铸件表面上的光洁度更高.通过以上的大量测试工作,我们可以得出,9022系列涂料满足生产要求,并且对冷芯盒砂芯强度的影响降到最低.