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钢铁材料挤压铸造专用涂料研究

姚淑卿  
【摘要】: 摘要:模具寿命一直是制约非固态加压成形技术在高熔点合金成形领域推广应用的限制环节。采用在非固态加压成形模具表面喷涂涂料提高模具寿命是一种既经济又有效的措施。目前尚无高熔点合金非固态加压成形专用涂料,因此,本文对钢铁材料挤压铸造专用涂料性能测试方法、双层涂料体系工作原理、涂料组分设计、涂料使用条件下的物理化学行为和力学行为进行了比较系统地研究,并依据这些研究成果开发出了适用于高铬铸铁、高锰钢和碳素钢挤压铸造专用涂料。 本文首先系统地研究了挤压铸造用涂料性能测试技术。根据钢铁材料挤压铸造特点,定义了可喷涂指数、高温附着强度、抗熔焊系数等表征参量作为有效反映涂料关键性能的重要参数。研究确定了这些表征参量的测试方法,实验检验和误差分析均表明各测试方法可靠性高,能够满足实际应用需要。 通过对钢铁材料挤压铸造过程中模具工作环境的分析,提出了耐火-隔热双层涂料思想。该双层涂料体系包括作为隔热层的底层涂料和作为耐火层的表层涂料。确定底层涂料的骨料为硅藻土,表层涂料的骨料根据合金材质不同分别为铬铁矿粉或镁橄榄石粉或铝矾土。根据悬浮剂之间大的交互作用,确定了钠基膨润土和羧甲基纤维素钠(CMC)组成的无机-有机复合悬浮剂。使用这种复合悬浮剂时涂料的可喷涂指数明显高于单独使用一种悬浮剂时的可喷涂指数,而且复合悬浮剂中钠基膨润土的含量存在一个最佳值。该复合悬浮剂的悬浮机理属于电吸附网络桥联机理。选择水玻璃和六偏磷酸钠作为底层硅藻土涂料的复合粘结剂,其中随着水玻璃和六偏磷酸钠质量配比的增加,底层涂料的高温附着强度呈现先增加后减小的趋势。选择磷酸铝和六偏磷酸钠作为表层涂料的复合粘结剂,随着磷酸铝的增加三种表层涂料的高温附着强度明显增加;而随着六偏磷酸钠的增加,三种表层涂料的高温附着强度先增加后减小。复合粘结剂对涂料的抗熔焊系数影响较为复杂,铬铁矿粉-硅藻土涂料的抗熔焊系数随着磷酸铝的增加而增大、随着六偏磷酸钠的增加而减小;镁橄榄石粉-硅藻土涂料的抗熔焊系数随着磷酸铝、六偏磷酸钠的增加而减小,但是磷酸铝与六偏磷酸钠的交互作用能增大涂料的抗熔焊系数;铝矾土-硅藻土涂料的抗熔焊系数随着磷酸铝的增加而减小,随着六偏磷酸钠的增加而增大。 应用热力学理论研究了涂料在使用条件下发生化学反应的可能性、相变发生的方向性以及产物的稳定性等问题。对铬铁矿粉涂料来说,为尽量避免生成低熔点的铁尖晶石,要选择Al203含量较少的铬铁矿粉作为涂料的骨料;在选择镁橄榄石粉时,选择MgO/SiO2配比较高的镁橄榄石粉作为涂料的骨料,能减少低熔点的顽火辉石的生成;在铝矾土涂料中,应选择A1203百分含量很高的铝矾土作为涂料的骨料,这样在高温下可以生成高熔点的莫来石,能够充分发挥骨料的耐火性能。 从力学角度分析发现,钢铁材料挤压铸造专用涂料涂层破坏的主要原因是热应力和浇注金属熔体的机械冲击应力。建立了涂层破坏时的动力学模型,即当作用于材料上的热应力和熔体的机械冲击应力大于临界应力时,裂纹扩展,涂层很快断裂发生剥落。由此得到涂层完整的力学判据,通过控制涂层热应力和液流冲击应力的各影响因素使涂层强度符合要求。另外通过观察和测试涂层使用前后的微观形貌和化学成分的变化,分析得到涂层的失效机理是在微裂纹基础上引起的裂纹扩展产生的涂层剥落。 研制开发了高铬铸铁挤压铸造用铬铁矿粉-硅藻土涂料、高锰钢挤压铸造用镁橄榄石粉-硅藻土涂料和碳素钢用挤压铸造用铝矾土-硅藻土涂料。与其他商品涂料相比,这三种专用涂料材料来源广泛,价格便宜,制造成本不高。性能测试和现场使用结果均表明该涂料的可喷涂性、高温抗擦落能力、抗熔焊能力以及制件质量均达到国内先进水平。


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