无锆复合涂料在高端铸钢件上的应用

本文被评为2021铸钢年会优秀论文

在近年来整个铸造行业中，铸钢件的产量占比逐年上升，2019年达到590万吨，占总产量12.1%。2020年达到635万吨，占产量占比12.2%。铸钢件广泛应用于石化、泵阀、矿山机械、核电、海洋装备等领域，铸钢件的质量对装备制造业有着举足轻重的影响。

铸钢件，尤其是厚大型铸钢件，由于浇注钢水温度高，钢液保持液态时间长，表面钢水易氧化，极易产生渗透性粘砂，产生铁包砂，给铸件清理带来极大困难，造成交期延后等问题。长期以来，解决铸钢件表面质量问题，大多数都采用铬铁矿砂做面砂，再在表面刷遍数不等的锆英粉为骨料的涂料^[1-2]。此种方案在解决问题的同时，带来了生产成本提高，劳动强度大，操作复杂等问题。

根据铸钢件的特性和现场涂料的使用方案，我们研发了一种无锆复合涂料，并结合优化的涂料施涂方案，做到保证涂料使用性能的同时，提高生产效率，减轻劳动强度，降低生产成本。

1. 涂料各组分的选择

涂料组分的配比上，根据铸件的材质并结合涂料的粘附性、流平性、涂挂性、悬浮稳定性等特点对涂料的耐火骨料、载液、粘结剂、悬浮剂进行了筛选。

1) 耐火骨料

耐火骨料方面主要选用电熔刚玉粉。电熔刚玉粉含量为99%的Al₂O₃，化学稳定性好，纯度高，不会分解出其他物质而形成低熔点物质，有助于提升涂料性能和铸件光洁度。

2) 载液

传统的铸造醇基涂料，为了降低成本会大量使用甲醇作为溶剂载液，目前可能在很多铸造工厂使用的所谓工业酒精也是甲醇溶剂。但甲醇具有毒性，会对工人会造成接触性或吸入性人体伤害。从环保和职业卫生的角度出发，我们坚持选用使涂料中的粘结剂更好溶解而且无毒的工业乙醇，配比使用具有更好燃烧性的异丙醇。将乙醇和异丙醇进行复配作为复合涂料的载液。

3) 粘结剂

粘结剂的选择上采用酚醛树脂与无机粘结剂相结合，酚醛树脂具有较好的低温粘结性能和低发气量，无机粘结剂主要保证了涂料高温下的粘附性和抗冲刷性。

4) 悬浮剂

悬浮剂帮助稳定涂料性能的同时，能进一步提高整体的流变性能。传统的有机膨润土、锂基膨润土、有机累托石等悬浮剂，多是通过稠化载体的方式来起悬浮稳定作用，往往对粘度的影响很大。近年来，我们对一些有独特层链状结构的晶质水合镁铝硅酸盐矿物的研究试验，显示出了较好的使用效果，这类矿物虽然膨胀性能不高，但是特殊的纤维状或棒状结构使其具有独特的流变特性，对涂料的触变性和涂刷性有很明显的改善作用。

2.性能指标

下面介绍下无锆复合涂料405B（以下简称TL405B）在铸造厂的现场应用情况。TL405B的性能指标如下表2-1所示：

表2-1涂料性能指标表

TL405B是以电熔刚玉粉为主要骨料的适用于铸钢件的涂料产品，经充分搅拌后，加入适量酒精稀释，搅拌均匀后即可使用，适用于刷涂、流涂及喷涂工艺，涂料在60波美度下4小时悬浮性在98%以上，高温下的发气量也远低于行业标准，非常适用于生产高端铸钢件的需求。

3.涂料的现场应用

根据不同现场条件和不同铸件的情况，我们可以选择多种施涂方式，通过涂料和施涂方式的结合，提高生产效率和综合性能，降低生产成本。

结合不同施涂工艺在现场的应用案例:

3.1）浙江某厂，采用宝珠砂树脂砂工艺生产阀门铸件，铸件单重50-2000kg，最大厚度200mm。材质为WCB、CF8、CF3等。该厂使用TL405B,采用刷涂工艺，小件涂刷1遍，大件涂刷2遍。第一遍波美度为70°Bé ，第二遍为65°Bé 。点火燃烧后，涂层强度良好，无掉粉现象。开箱后，铸件表面落砂情况良好，无粘砂现象。现场使用情况表明，TL405B各项性能均满足实际使用要求，达到满意效果。涂刷后状态和开箱后铸件如图1(a)(b)所示。

图1

3.2)江苏某厂，采用40-70目硅砂呋喃树脂砂工艺生产中小型铸钢件，铸件重量50公斤-10吨之间，生产铸件为阀门、泵、叶轮等，钢种为高合金钢、低合金钢、碳钢等。

涂料涂覆方式：刷涂为主，少量流涂。

原先全部为醇基锆英粉涂料，现更换为TL405B，刷涂三遍，第一遍70°Bé ，其余为60°Bé 。点火燃烧后，涂层强度良好，无掉粉现象。开箱后，铸件表面落砂情况良好，无粘砂现象。现场使用情况表明，TL405B各项性能均满足实际使用要求，达到满意效果。涂刷后状态和开箱后铸件如图2(a)(b)所示。

a                                  b

图2

 3.3)对于类似汽轮机的大型铸钢件，砂型和泥芯通常会很大，涂料的施涂存在效率低，涂层质量不高的问题。针对此问题，我们通过采用无气喷涂的施涂方式，来提高效率，改善施涂效果。

    从前文提到的锆英粉与电熔刚玉粉的特性差异，对于此类大型铸钢件，电熔刚玉粉的抗碱抗渣能力优于锆英粉。因此，采用复合涂料生产汽轮机大型铸钢件显得更为合适。

山东某客户，碱性酚醛树脂砂工艺，生产汽轮机铸件。采用TL405B，运用无气喷涂施涂方式，涂料喷涂3-4遍，波美度为65-70Bé，每一遍喷涂后，点火干燥，待砂型温度降低后继续后续施涂。采用此施涂工艺在满足铸件要求的同时，提高生产效率。施涂后状态和开箱后铸件如图3(a)(b)(c)(d)所示。

图3

                         刷涂与喷涂效率对比

通过不同的施涂工艺，大大提升了有效单元空间的生产效率，同时减轻劳动强度，降低生产成本。

 3.4）对于尺寸单一且批量的铸件，还可以采用流涂的施涂方式进一步提高生产效率。流涂工艺能够消除刷涂工艺带来的表面刷痕，提高涂层表面质量。

    湖南某客户，碱性酚醛树脂砂工艺，生产中小型铸钢件，材质为碳钢、低合金钢件。采用流涂的涂料施涂工艺，涂料波美控制在60-65Bé，流涂一遍后，在热结处补刷一遍，保证涂层厚度。铸件开箱后，剥离性能优越，达到客户要求，如图4(a)(b)所示。

图4

4.结论

高质量的整机设备必须以优质零部件为基础,而优质零部件必须依靠科学合理的使用材料和正确的制造工艺来保证其内在质量。涂料对于铸件表面质量起着至关重要的作用，无论采用何种铸造工艺，涂料都必须满足其要求。实践证明，无锆复合涂料TL405B在铸钢件的生产实践中，其各项性能指标满足了生产使用要求，并且因其耐火骨料为非锆材料，原材料来源和价格都摆脱了国外的资源制约，生产成本得到大大降低。通过合适施涂方式选用，降低劳动强度，在有限空间内提高场地周转，提高生产效率，降低综合成本。当然，作为无锆的复合涂料的应用推广，并不能完全替代锆英粉涂料的使用，但可以在大部分铸钢产品的工艺上进行推广与应用，欢迎各位同仁共同探讨研究。

参考文献

[1] 徐庆柏.铸造涂料的制备与应用.机械工人（热加工），2001（10）：26-27

[2] 宋会宗.铸造涂料技术的发展趋势.铸造技术.2000(5):28-32

[3] 李四年.厚大型铸钢件防粘砂涂料的研制与应用.湖北工学院学报.2004(4)

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本文作者：徐红飞 经营部部长 工程师

工作单位：鑫工艺（上海）材料科技有限公司

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