铝铸造工器具表面涂层技术应用研究与开发.pdf

第1期(总第164期)
机械工程与自动化
2011年2月
MECHANICAL ENGINEERING &AUTOMATION
F
文章编号:1672-6413(2011)01-0099-02
铝铸造工器具表面涂层技术应用研究与开发
张鹏翔
(中冶东方工程技术有限公司,内蒙古包头014010)
摘要:对耐铝液热腐蚀涂料进行了研究,主要包括钢铁耐铝液熬腐蚀涂料的配方及性能优化,并对涂层各方面
性能进行了测试。研究结果表明:按照氧化硅:氧化铝:氟化钙:砂为5:2:1:3、氧化钻和CMC的质数
分数分别为0.5%和0.3%的配方制备的水性涂料,具有常温与高温强度高、与钢件表面附着牢固、抗热冲击
性能优良、不粘铝液熔渣、涂覆简便易行等优点,可有效地防止高温铝液对铁质基体的腐蚀。
关键词:碳钢;铝液腐蚀;涂料;表面处理技术
中图分类号:TG174.44
文献标识码:A
0引言
时相应变形,不至于因与基体的膨胀不协调而与基体
在铝及铝合金熔体精炼和铸造过程中,钢制工器分离;粘结在珐琅中的以氧化硅为主的耐火材料颗
具如吹氮精炼管、扒渣耙子等,由于在使用过程中长粒,可保证铝液与涂料基本不润湿,同时保持涂层有
时间与铝熔体接触,将发生铝热腐蚀,导致使用寿命
定的耐火性能及强度。
短,增加生产成本;另外,工器具上的铁元素易进入2实验设备、材料与内容
铝熔体致使铁杂质含量提高,降低了铝及铝合金制品
1实验设备
的质量,影响铝及铝合金的性能。为了解决这一问题,
实验设备如下:①箱式电阻炉,额定功率2.5kW,
长期以来人们一直使用“氧化锌十水玻璃”涂料作为额定温度1200℃;②直读光谱仪,型号为HC7-2010
钢铁器件的防护涂料,屏蔵铝液对钢铁器件的腐蚀作型;③奥豪斯电子天平,精度0.1mg,最大量程为
用。但该涂料使用寿命很短,在使用几次后涂层就会210g;④坩埚电阻炉,额定功率7.5kW,额定温度
出现局部开裂或破损。为此国内不少研究入员一直在1000℃;⑤其他常用设备及材料还有金相砂纸、石棉
谋求开发具有更长使用寿命的新型防护涂料。
网、100mm的油漆毛刷、砂轮机、标准分样筛、石墨
技术方案选择
坩埚等。
关于钢铁高温铝液腐蚀的机理,目前多数学者认2.2实验材料
为其必要条件是液态铝对固态铁发生浸润和漫流过
用普通碳钢Q235作基体材料,借鉴珐琅的设计原
程2。根据铝液腐蚀机理,提高铁基合金抗铝液腐蚀的则,选择如下几种材料作为涂料的主要组分:①氧化硅
途径是延缓高温条件下的铁铝反应或者阻止高温条件作为骨料的主要组分;②氧化铝:作为骨料的配合组分;
下的铁铝接触。从延缓的角度讲,可行的方案有热扩③氟化钙:调整珐琅体的粘度;④碱性氧化物:调整珐
散渗人,如化学渗硼和化学渗铬等;从阻止的角度讲,琅体的形成温度;⑤氧化硼:改善涂料和基体的结合性
可行的方案有制备耐铝液腐蚀涂层等。考虑到渗硼和能,同时调整珐琅体的形成温度;⑥CMC:满足涂料涂
化学渗铬仅能在一定程度上缓减铝向铁中的扩散,耐刷性、悬浮性的要求,同时起有机粘结剂的作用;⑦氧
腐蚀效果欠佳,而且渗硼或化学渗铬工艺复杂,本课化钻:提高涂料和基体的结合强度。
题选择制备耐铝液腐蚀涂层的方法来达到铁质工器具
3实验方法与内容
腐蚀保护的目的。
通过实验室工作和生产现场的试用,研究含珐琅
根据对涂料的性能要求,提出了通过涂料成分的涂料的配方及形成温度、含珐琅涂料的耐铝热蚀性能
设计使涂料经烧制形成珐琅质与耐火颗粒复合层的思和对铁质工器具向铝熔体熔铁的防护等内容。具体步
路。珐琅是附着在金属表面上的硅酸盐类物质在高温骤如下
下的转变产物,主要组成为石英和玻璃相,它与金属
(1)将铁基材料用质量分数为15%~20%的盐酸
基体有较好的界面结合;玻璃相存在软化温度,软化清洗除锈,之后用质量分数为10%的纯碱溶液浸泡中
后具有较大的韧性,因此能够使涂层在基体热胀冷缩和表面的残酸。
收稿归期:2010-05-25;修回日期:2010-09-23
作者简介:张鹏期(1979-),男,内蒙古乌兰察布人,工程师,本科。
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机械エ程与自动化
2011年第1期
(2)按涂料的不同配方,将各种原料混合后研磨色,但涂层尚未变为透明,说明有相当比例的涂料没
到53gm以下粒度;按照固形料和水1:2~3的比例有转变为珐琅,这种状况接近实验目的的预期。
混合,搅拌均匀后使用
(3)将铁基材料预热至120C~200C进行涂料涂
刷,采用多次薄刷的方法,涂层干燥硬化后再进行下
遍的涂刷,要坚持“不硬不刷”。
(4)将涂刷好涂料的工器具置于马弗炉中,以不
大于5C/min的加热速率升温,温度达到预定温度后
保温一定时间,随炉冷到200C以下后取出
(a)650℃烧制30min(b)750℃烧制30min
(5)在Q235圆管表面涂刷涂料,烧结后进行热震
图1不同温度烧结底料的外观形貌
和热冲击实验。具体方法为:将制备了涂料的圆管在32涂料性能
箱式电阻炉中加热到750C,保温30min后取出,从3.2.1冲击、热震性能
0.5m左右的高度自由落下,检査涂层脱落的情况。浸
参考工器具使用的工况条件,在实验室条件下测
铝实验的过程为:将制备了涂料的圆管和未涂刷涂料定了试件的冲击性能和抗热震性能。神击性能实验的
的圆管一并浸人750C的铝熔体中,每隔30min取出方法如下:将烧制后的试样从大约0.5m的高度自由
一次,检査涂料表面
下落,反复10次,观察涂层是否有开裂、剥落。抗热
3铝铸造工器具表面涂层技术的研制及性能分析
震性能的实验方法如下:将烧制后的试样在电阻炉中
3.1涂料的配方研制
加热到750C,保温10min,然后出炉空冷,如此反复
通过调节各组分的比例及烧制温度的实验和分10次,观察涂层是否有开裂、剥落或有其他异常现象。
析,确定涂料的基本配方为:氧化硅?氧化铝:氟化结果显示涂层无大面积脱落、不开裂、不剥落
钙:硼砂为5:2:1:3,氧化钻和CMC的质量分数
分别为0.5%和0.3%。该涂料经650~750C烧制3.2.2铝液腐蚀测试
30min,可以获得珐琅与耐火材料颗粒相复合的涂层。
在实验室坩埚电阻炉熔炼条件下,该涂料在钢铁
图1分别为上述基本配方的涂料分别经650C和器件上涂覆一次可连续使用30次以上,每次浸泡
750C烧制30min后的表面情况。650C烧制后,珐琅开
0min。图2分别为浸泡8次、16次、24次、32次和
始形成,但转化率较低,可以明显看到白色的未经反40次后涂层表面的情况,可以看到,在经过40次的浸
应的原料;750C烧制后,相当大比例的原料已转化为
泡后,涂层对基体仍然具有较好的保护作用,涂层与
珐琅,由于珐琅的形成涂料由原来的白色已经变为灰铝液之间基本不润湿,表面粘铝的现象几乎不发生。
8次
(b)16次
(c)24次
(d)32次
(e)40次
图2浸泡8次、16次、24次、32次和40次后涂层表面的情况
将表面涂层处理前、后的钢管分别浸入750C的
用未处理工器具时完全相同。吹氮精炼管累计使用时
纯铝液中,漫泡不同的时间,然后对浸泡铝液进行成间分别为6h、6h、7h。