铸造涂料第2章耐火粉料及载液

第二章耐火粉料及载液2．1概述粉状耐火材料在涂料的主要组成部分，也是最终在金属－铸型界面上起作用的骨干材料，它在涂料中所占的比例是最高的（45％－80％），因而也称之为“耐火粉料”或“耐火骨料”。

耐火粉料的性质决定了涂料的性质，如前所述，通常按涂料中的骨料来将涂料分类，如石墨粉涂料、刚玉粉涂料、锆英粉涂料等。

故应按铸件的材质、大小及其壁厚选用，以求用最低的费用取得令人理想的效果。

载液是涂料的重要组成部分,对于液状涂料来讲,载液是水或其他溶剂材料。

过去,常将载液叫作溶剂，这是不确切的，因为涂料并非溶液而是悬浮液或胶态分散体。

载液的主要作用是运载耐火骨料及其粘结剂、悬浮剂等，以便于将其涂覆于铸型或芯子表面。

完成运载任务之后，一般要将载液完全脱除，涂料实际上起作用时基本上不含载体。

以水作载体时，其脱除方式是烘干或晾干，以醇类作载体时，点火将其烧掉，以氯代烃作载体时，则让其自行挥发。

因而，有时也按所用的载液将涂料区分为水基涂料，醇基涂料（亦称快干涂料）和氯代烃基涂料（亦称自干涂料）。

这对于按铸造厂的生产条件选用涂料，是比较方便的。

除耐火骨料和载液外，涂料中还含有一些为保障涂料性能所必需的其他材料。

为使耐火骨料颗粒能粘结成为牢固的涂料层，并能有效地附着于铸型或型芯的表面上，涂料中应有适当的粘结剂。

可用于涂料的粘结剂品种及类型很多，而且在不断发展。

粘结剂应根据涂料的载液的种类来选用。

一般说来，用于水基涂料的应是能溶于水或亲水的，用于醇基或氯代烃基涂料的应能溶于相应的载液或是亲液的。

为使涂料具有良好的悬浮稳定性以便于现场施涂，涂料中应加有悬浮稳定剂。

为控制涂料的流变性能，各种涂料常加有适当的活性剂。

此外，还应根据需要在涂料中加入防腐剂、调色矫味剂等助剂。

悬浮剂、粘结剂何助剂将在第三章介绍。

2．2耐火粉料2．2．1耐火粉料应具有的基本性能耐火粉料的物理、化学性质对涂料效果有决定性的影响，特别是对涂层的耐火度和热化学稳定性影响很大，骨料是涂料中的主要组分，其质量如何及选用是否得当对涂料的使用效果影响极大。

同时，选用骨料时还应在工业卫生及经济等方面作较全面的分析。

选择耐火粉料时应考虑到它的如下性质：注：“√”为常用；“○”不常用；“—”为不用。

1）粉料的粒度和粒形；2）密度；3）耐火度；4）热膨胀系数；5）在浇注温度下与型砂及铸造金属的化学反应性（高温下化学稳定性）；6）热传导率；7）原材料的来源及价格；8）发气量；9）对人体健康有无危害、对环境污染程度。

常用的几种耐火填料的物理化学性质见表2－1。

根据这些性质可按用途选择不同的耐火填料。

不同铸造合金、不同铸型种类、不同铸件尺寸、形状应选用不同的耐火填料来配制涂料。

表2－2列出了不同铸件材质常用的耐火粉料，可供参考。

2．2．2选用耐火粉料应注意的问题2．2．2．1关于骨料的耐火性能提到耐火性能时，通常包括两方面的内容：一是粉料的熔点或软化点，即其耐受高温的能力，也就是耐火度；二是它的高温化学稳定性，即其在高温下耐受其他氧化物侵蚀的能力。

对于铸造用的涂料，骨料在高温下是否易于烧结有着特别重要的意义。

骨料的烧结性能与其耐火度、高温化学稳定性、颗粒的细度等因素有关。

既然是耐火骨料，如不作具体分析，很容易使人误认为耐火性能愈高愈好。

正因为如此，对骨料耐火度和高温化学稳定性规定过高的要求，从而不惜代价地追求用高级耐火材料，这在铸造用户中比较普遍。

其实这种观点是片面的，因而也是不正确的。

涂料通常在液态金属和铸型界面上起作用，形成液态金属－涂料－铸型的界面。

如铸钢的浇注温度一般不超过1650℃，铸铁则不超过1450℃，其它合金的浇注温度更低。

如果考虑铸型对金属的冷却作用和界面上的温度落差，涂料层受热后能达到的温度将比上述数值还要低一些。

对于这样的温度条件，就耐火度而言，一般耐火材料都能满足要求，实无过分苛求的必要。

至于骨料的高温化学稳定性，也决不是愈稳定愈好。

在常用于涂料的一些骨料中，石英粉的高温化学稳定性是相当差的。

它在FeO的作用下，会生成熔点为1200℃左右的铁橄榄石，乃至熔点更低的共熔体。

同时，在用砂型铸造钢铁铸件的情况下，浇注时型内气氛是氧化性的，界面上不可避免地会有FeO存在。

但是，不少铸钢厂仍采用石英粉涂料，效果也很好。

实际上，因涂料骨料高温化学稳定性不佳而出问题的情况是十分罕见的。

浇注液态金属以后，由于高温的作用，涂料层中在常温下起作用的粘结剂因热解而失效。

这时，涂料层强度的建立，主要倚靠骨料颗粒的烧结。

如骨料的高温化学稳定性太好，不能烧结，则涂料层就可能剥落而使铸件上产生“夹涂料”（类似于夹砂）缺陷。

如果在金属－涂料－铸型界面上的涂料层易于烧结，液态金属注入后很快就形成致密的烧结隔离层，则对改善铸件的表面质量和减少清理铸件的劳动量都是非常有利的。

因此，作为涂料的骨料，其烧结性往往比耐火度和高温化学稳定性更为重要。

采用耐火度和高温化学稳定性都很高的材料作骨料时，一般都应有意加入粘土、氧化铁、甚至助熔剂、矿化剂等，以改善其烧结性能。

2．2．2．2关于骨料的颗粒尺寸骨料颗粒尺寸及粒度分布状况对涂料性能的影响，迄今仍缺乏系统的研究。

一般说来，骨料的颗粒愈细，则涂料的悬浮稳定性愈好，涂料层的烧结性能较好，而且，铸件的表面质量也高。

另一方面，骨料愈细，则所需的粘结剂愈多，涂料层也较易于开裂，要使涂料层中的骨料颗粒排列致密，最好能使较细的颗粒镶嵌于较粗的颗粒之间。

因而，粒度的分布宜分散而不宜集中，通常，采用骨料的粒度级配来达到。

特别应提到的是，表示粉料粒度的目数与表示砂子粒度的目数，含义是大不相同的。

例如：200目砂子，是指能通过170目筛、不能通过200目筛的砂子；200目粉料，则是100％能通过200目筛的粉料，至于其细到何种程度？粒度分布如何？则须进一步筛分或分析才能知晓。

目数含义不同的原因是粉料难以用筛分方法分级，用风选法分级只能保证细到某一粒度以下。

因此，控制粉料的粒度分布是困难的。

生产经验表明，用于一般砂型（芯）的涂料，骨料的粒度以200目、270目、320目三种配合使用为好。

由于不同加工单位提供的同一目数的粉料的实际细度可以有很大的差别，故不能推荐具体的配比。

采用聚苯乙烯气化模铸造工艺时，因大量的气体要通过涂料层逸出，涂料层的透气能力特别重要。

在此情况下，骨料应较粗些，而且以粒度集中均匀为好。

2．2．3石墨粉2．2．3．1石墨的物化性能石墨的化学成分为单质碳（C），但自然界纯石墨少见，常含有多种杂质，如SiO2、Al2O3、FeO、MgO、CaO、P2O5、CuO和H2O、沥青及粘土等，杂质多时可达10~20%。

晶体结构为层状结构。

层内极坚固的结合，层间巨大的间距及弱键构成了石墨结构突出的特点，导致了石墨的片状形态和极完全解理、低硬度1~2（但垂直解理为3~5）、润滑、可塑、低密度（2.1~2.3g/cm3）；晶格和金属性使石墨呈金属色（铁黑-钢灰）、金属光泽、不透明、良导电性和导热性；成分和坚强的结构的结构层使石墨具有化学稳定性和耐高温等等。

1. 耐高温性石墨系碳的高温变体。

它是目前最耐高温的材料之一。

它的熔点高达3850℃，于4500℃才气化。

7000℃的超高温电弧下加热10s，石墨的重量损失为0.8%，刚玉的重量损失为6.9~13.7%，而极耐高温金属的重量损失为12.9%。

在2500℃时石墨的强度反而比室温时提高一倍。

2. 导电和导热性能石墨的导电性约为一般非金属的100倍，碳素钢的2倍，铝的3~3.5倍。

石墨的导热性能超过了钢、铁、铝，且具异常导热性，即导热率随温度的升高而降低，在极高的温度下则趋于绝热。

3. 稳定性石墨在常温下表现出良好的化学稳定性，它不受任何强酸、强碱和有机溶剂的腐蚀。

但在500℃时开始氧化，700℃时水蒸气可对其产生侵蚀，900℃时CO2也能对其产生侵蚀作用。

石墨的热稳定性也好，膨胀系数小（1.2×10-6），故在高温下能经受温度的剧烈变化而不破坏，其体积变化也不大，不会产生裂纹。

4. 润滑性石墨具有良好的润滑性能，其摩擦系数在润滑介质中小于0.1，鳞片越大，磨擦系数越小，润滑性能越好。

5. 吸热性和散热性石墨有良好的吸热性能，每kg可以吸收（2.96~9.211）×107J的热量，而金属材料每kg的吸热量为4.061×107J；石墨的散热性能则几乎与金属一样好。

7. 涂敷性石墨可涂抹固体，形成薄膜，当其颗粒小到5~10μm时粘附力更强。

2．2．3．2石墨的分类、分级和技术指标石墨的结晶状态影响到它的工艺性能，因此工业上首先根据石墨的结晶程度将其分为两类。

一类为晶质石墨，呈鳞片状或块状，晶体大于0.001mm(1μm)，一般可用肉眼或显微镜辨识其晶形；另一类为隐晶质石墨，晶体细小，显微镜下难以辨识其晶形，又称不定形石墨或土状石墨。

我国石墨资源丰富，著名的有四大石墨矿，如黑龙江省鸡西市柳毛石墨矿、山东南墅和北墅石墨矿产鳞片石墨、吉林省盘石石墨矿和湖南鲁塘石墨矿产无定形（土状）石墨。

我国于1982年颁布了《GB3518-83鳞片石墨国家标准》和《GB3519-83无定形石墨国家标准》（1）鳞片状石墨。

经加工提纯，可以提高其含碳量。

根据固定碳含量，可分为高纯石墨、高碳石墨、中碳石墨和低碳石墨，它们含固定碳的范围和代号如表2－3所列。

表2－3鳞片状石墨的分级各级石墨的技术指标分别列于表2－4－表2－5。

表中所列的牌号依次由代号、粒度和固定碳含量组成。

如LC50-9999指高纯石墨，粒度50目，含固定碳99.99%。

（2）隐晶质石墨（无定形石墨或微晶石墨），根据其粒度分为无定形石墨粉和石墨粒。

石墨粉分为0.149、0.074、0.044mm三个粒级，用阿拉伯数字作代号：石墨粒分为粗（6~13mm）、中（0.6~6mm）、细（0.149~0.6mm），分别用拼音字母C、Z、X为代号：特性代号为W，其中有含铁量要求者代号用WT。

牌号依次由石墨特性代号、固定碳含量，粒级代号组成，如W80-1指无定形石墨粉，含固定碳80%，粒度0.149mm，筛上特不大于10%；W78-Z指无定形石墨粒，含固定碳78%，粒度范围0.6~6mm。

铸造用的鳞片石墨按国家标准（GB/T3518－95）规定，见表2－4和2－5所列（中碳和低碳）的技术指标（只列出与铸造涂料有关的部分指标）。

表2－4中碳石墨的技术指标（%）铸造用无定形（土状）石墨粉按国家标准GB/T3519—95《微晶石墨》规定，分为两类，有铁要求者为一类，用WT表示，无铁要求者为一类，用W表示。

产品代号由分类代号、固定碳含量最大粒径组成，例如W90－45表示无铁要求的含碳量为90％、最大粒径为45μm的微晶石墨。

铸造行业使用的微晶石墨大多对铁无特别要求，其无铁要求的微晶石墨的技术条件见表2－6。