(仅供参考)铸造涂料新技术及发展趋势
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• 每种元素在氧化渣中所占的比例与该元素 的含量及该元素与氧的亲合力有关。
• 与金属中碳的含量c%也有很大关系。
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
合金元素对金属酸碱度的影响
• Ni Co Mo Cu Sn Pb 等元素的氧化物呈碱性，但 这些元素不易氧化， 对铁碳合金的酸碱度影响较 小。
• Mn Ca Mg Ba Cr RE 等极易氧化并形成碱性氧化 物，因此会增加金属的碱性。
铸造涂料新技术及发展趋势
苏州兴业材料科技股份有限公司 宋会宗 博士
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
主要内容
一、涂料新理论
• 国外抗粘砂机理研究 • 酸碱度理论
二、涂料新技术新家族
预处理涂料、防缺陷涂料、变色涂料等
三、涂料发展趋势 四、结束语
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涂料新理论 • 国外抗粘砂机理研究 • 酸碱度理论
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1. 预处理涂料
• 普通涂料的渗透深度：0.5-3mm • 预处理涂料的渗透深度：5-50mm
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
预处理涂料的强化作用
• 堵塞砂粒之间的孔隙 • 提高砂型表面的耐火度 • 提高高温抗冲刷能力 • 夯实涂料的基底（防止涂层开裂）
---凡是能提高砂芯高温强度及韧性的因素也会减少脉纹的出现； ---凡是能加速铁水凝固的因素也会减少脉纹的产生。
目前国内外针对脉纹缺陷所采取的措施无外乎以上三个方面。
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防脉纹涂料的作用
良好的隔热性可以推迟砂粒的相变膨胀和砂 芯粘结剂的分解；
涂料中含有氧化铁红等具有防脉纹作用的成 分；
低合金钢 合金钢 高锰钢 镁合金 铝合金 铜合金
碱度指数Bs
-20~-30 -10~5 -5~15 -5~15 -5~5 -5~5 -5~5
0 5~15 10~20 15~30 18-20 30-39
0 -5~10
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一些重要的酸碱反应
• 2FeO + SiO2 = Fe2SiO4(铁橄榄石，1205℃) • 2MnO + SiO2 = Mn2SiO4 (锰橄榄石，1320℃） • MnO + SiO2 = MnSiO3 (偏硅酸锰，1270℃）
• Si 易氧化，形成酸性氧化物SiO2，因此会降低金 属的碱度。
• C在高温时对很多合金元素有保护作用，防止或 减轻金属的氧化，因此会降低金属的碱度。
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常用合金的碱度指数（参考值）
合金材质
高硅耐蚀铸铁 可煅铸铁 蠕铁 球铁 灰铁 高铬铸铁 白口铁
高铝耐热铸铁 碳钢
Bs
叶腊石 地开石
2Al2O3.8SiO2.2H2O Al4Si4O10(OH)8
-22.62 -17.10
酸
高岭石
Al4Si4O10(OH)8
-17.10
性
蓝晶石 硅线石 红柱石
Al2O3.SiO2 Al2O3.SiO2 Al2O3.SiO2
-11.48
逐
-11.48
-11.48
渐
莫来石
3Al2O3.2SiO2
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启示与思考
• 一定要重视旧砂的再生质量，有条件的话 尽量采用热法再生。
• 引起粘砂的因素很多，一味提高涂料的耐 火度并不总能解决粘砂的问题。
• 铸件粘砂一定是涂层失效，但涂层失效的 方式和原因是多种多样的。
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涂层失效的方式及原因
逐
渐
Fe2O3 -26.13
CeO2 14.51
MoO
62.23
渐
增
VO2
-21.33
Cr3O4 16.66
SrO
71.76
增
ZnO
-13.51
V2O3 17.97
VO
73.38
强
Mn3O4 -11.12
MnO 19.50
BaO
73.74
强
Fe3O4 -10.68
FeO 20.65
Li2O
80.40
的砂芯
XY-SY-660---新一代高性能整体浸涂涂料
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整体浸涂涂料应用
整体浸涂涂料浸涂的缸盖砂芯 首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
整体浸涂涂料应用
整体浸涂涂料浸涂的缸盖砂芯 首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
3. 非锆质涂料
• 锆英粉是综合性能最好的耐火骨料 • 锆英粉价格波动大、放射性 • 摆脱对锆英粉的依赖势在必行！ • 非锆质涂料已获得较多的应用 • 主要代用材料：白刚玉、棕刚玉、莫
预处理涂料的应用
图7 预处理涂料用于发动机缸盖关键砂芯，防止烧结 首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
2. 脉纹缺陷及防脉纹涂料
典型的脉纹缺陷
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缸体水套脉纹缺陷
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
脉纹产生的条件及影响因素
脉纹的产生有两个基本条件： • 一是相变膨胀产生的热应力大于砂芯表面的强度 • 二是铁水呈液态并且具有足够的流动性。 ---凡是能减少热应力的因素都会减少脉纹的产生；
• mFeO + nMnO + pSiO2 = mFeO.nMnO.pSiO2(<1300℃)
• CrO + SiO2 = CrSiO3(1402℃） • 2FeCr2O4 + SiO2 = Fe2SiO4 + Cr2O3 • 3Al2O3 + 2SiO2 = 3Al2O3.SiO2 ，莫来石1890℃ • Al2O3 + FeO = FeO.Al2O3，铁铝尖晶石 1780℃ • Al2O3 + MnO = MnO.Al2O3，锰铝尖晶石 1850℃
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涂料新理论
厚壁铸钢件粘砂机理研究 美国密苏里大学
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浇注试验考察因素及水平
因素
砂
水平1
水平2
机械+热法再生 仅机械再生
紧实方式
振动紧实
手工紧实
操作时间
立刻紧实
30秒后填砂紧实
涂料（锆英粉涂料） 流涂
刷涂
*注：浇注金属材质：CF-8C 不锈钢，
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酸碱度理论在涂料设计中的应用 • 涂料与金属及涂料与砂型之间的界面反应 • 铸件表面缺陷的防止 • 新型烧结剥离型涂料的开发 • 锆英粉代用材料的研发
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二、涂料的新家族
1. 预处理涂料 2. 防脉纹涂料 3. 整体浸涂涂料 4. 非锆质涂料 5. 防硫涂料 6. 变色涂料 7. 粉状涂料
造 型：
呋喃树脂自硬砂
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粘砂试块
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浇注试验方差分析
影响因素 砂（机械+热法/仅机械法） 紧实方法（振动/手工） 填砂时间（立刻/ 30秒后） 施涂方法（流涂/ 刷涂）
F-检验 6.21 0.12 1.39 0.01
P-假设 0.030 0.735 0.263 0.939
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预处理涂料家族
锆英粉 刚玉粉 镁砂粉 莫来石 石英粉 其他 醇基预处理涂料 水基预处理涂料
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预处理涂料的应用
预处理涂料用于风电
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
预处理涂料的应用
预处理涂料用于铸钢件 首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
-8.64
减
滑石 钠长石
3MgO.4SiO2 Na2O.Al2O3.6SiO2
-3.27 -1.73
弱
刚玉 锆英石
Al2O3 ZrSiO4
0.00
碱
4.60
白云母
Fra Baidu bibliotek
K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O
6.74
性
钛铁矿
FeTiO3
8.01
逐
铬铁矿
FeO.Cr2O3
8.35
渐
钾长石
K2O.Al2O3.6SiO2
TiO2
-1.42
Ce2O3 28.35
Na2O
82.49
Al2O3
0.00
SnO 29.28
K2O
95.63
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不同价态的氧化物碱度
碱度指数 Bs 首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
材料名称 分子式
Bs
石英
SiO2
-33.38
常 见 矿 物 的 碱 度 指 数
• 材料的酸碱性是可以用碱度指数Bs来定量描述。
• 铸造合金的酸碱性要和涂料及型砂的酸碱性相适 应。
• 酸碱度理论揭示了不同金属材质中合金元素与粘 砂两者之间的内存联系进而确定涂料与材质的匹 配原则之一。
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
碱度指数Bs
• 采用氧的电荷分数计算方法，以Al2O3做为 中性基准，对各种氧化物的酸碱性进行定 量标度的方法。
箱形统计图
热法再生
机械再生
首届国际铸造论粘坛砂20面16积-5（-16吋北2）京
砂粒之间的反应产物
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
反应产物的成分
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
反应产物中的液相比例
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
涂-砂界面模型
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
P2O5 -57.20
Cr2O3 2.96
ZrO2
32.38
酸
TeO2 -55.63
NiO 3.18
MgO
39.07
碱
性
Co2O3 -44.95
MoO2 3.91
CrO
43.47
性
逐
SiO2 B2O3
-33.38 -30.08
PbO 4.35 BeO 10.78
CaO Y2O3
59.80 61.26
图11 防脉纹涂料在缸盖上的应用
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
绝热型防脉纹涂料
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
高透气防脉纹涂料用于缸盖
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
刹车盘专用防脉纹涂料
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
渗透性防脉纹涂料
渗透性防脉纹涂料涂料的工作原理
涂层失效的原因 • 紧实度不够 • 再生质量差 • 原砂质量差 • 涂料耐火度低 • 涂料酸碱性不合适 • 悬浮剂加入过多 • 涂层过厚 • 钢水渣多
涂层失效的方式 • 开裂或断裂 • 熔蚀、熔化 • 起皮、剥落
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酸碱度理论
• 铸造过程中存在金属液与涂料及造型材料之间复 杂的界面反应，金属熔渣与涂料或型砂之间的高 温酸碱反应是产生粘砂特别是化学粘砂的重要原 因之一。
涂料断裂机理
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试验小结
树脂自硬砂生产厚壁铸钢件的粘砂主要是机械粘砂，粘砂与 涂层断裂关系密切 涂层下面的砂型由于树脂膜的烧失分解造成体积变化以及旧 砂中铁锰氧化物等杂质的积累在高温下形成低熔点液相 低熔点液相的存在和树脂膜的烧失使得表层砂在铁水压力和 高温的作用下变得不稳定不坚实并引起重排移动，进一步造成 锆英粉涂料断裂和钢水渗入，引起粘砂。 旧砂中的铁锰氧化物杂质及树脂膜等有机物通过机械+热法 再生可以比较彻底地去除，从而使锆英粉涂料的基底更加牢固 稳定，进而有效地防止 防止粘砂。
涂层在浇注时有适度烧结，从而提高了涂层 和砂芯表面的强度。
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防脉纹涂料家族
• 绝热型防脉纹涂料 • 高透气防脉纹涂料 • 刹车盘专用防脉纹涂料 • 高渗透防脉纹涂料 • 氧化铁防脉纹涂料 • 醇基防脉纹涂料
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防脉纹涂料的应用
9.21
镁铝尖晶石 MgAl2O4
13.02
增
镁橄榄石 硅灰石
2MgO.SiO2 CaO.SiO2
14.24
强
16.20
钙长石
CaO.Al2O3.2SiO2
26.73
方镁石
MgO
39.07
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铸造合金的酸碱度
• 金属的酸碱度取决于金属液表面选择性氧 化生成的氧化渣的成分及数量。
涂料原液
防粘砂涂层
活性成分
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渗透性防脉纹涂料的应用---液压阀、涡壳
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整体浸涂涂料
• 缸体缸盖的尺寸精度、内腔清洁度要求越来越高 整体浸涂涂料
• 组合砂芯立体空间结构更加复杂 • 组合后砂芯的尺寸大大增加 • 涂料流变性能要求高，不能有滴痕、流痕及堆积等缺陷 • 涂料具有良好的抵抗粘砂、脉纹、烧结等性能 • 组合砂芯往往冷芯和壳芯组合在一起，涂料要适合于不同
• 可以对大多数氧化物及各种由复杂氧化物 组成的硅酸盐、铝酸盐及矿物的酸碱性进 行定量标度。
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常见氧化物的碱度指数
氧化物
Bs
氧化物 Bs
氧化物
Bs
CoO2 -76.81
CuO 0.83
La2O3 30.01
MnO2 -61.09
CoO 2.01
Mo2O3 31.62
• 与金属中碳的含量c%也有很大关系。
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合金元素对金属酸碱度的影响
• Ni Co Mo Cu Sn Pb 等元素的氧化物呈碱性，但 这些元素不易氧化， 对铁碳合金的酸碱度影响较 小。
• Mn Ca Mg Ba Cr RE 等极易氧化并形成碱性氧化 物，因此会增加金属的碱性。
铸造涂料新技术及发展趋势
苏州兴业材料科技股份有限公司 宋会宗 博士
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主要内容
一、涂料新理论
• 国外抗粘砂机理研究 • 酸碱度理论
二、涂料新技术新家族
预处理涂料、防缺陷涂料、变色涂料等
三、涂料发展趋势 四、结束语
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涂料新理论 • 国外抗粘砂机理研究 • 酸碱度理论
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1. 预处理涂料
• 普通涂料的渗透深度：0.5-3mm • 预处理涂料的渗透深度：5-50mm
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预处理涂料的强化作用
• 堵塞砂粒之间的孔隙 • 提高砂型表面的耐火度 • 提高高温抗冲刷能力 • 夯实涂料的基底（防止涂层开裂）
---凡是能提高砂芯高温强度及韧性的因素也会减少脉纹的出现； ---凡是能加速铁水凝固的因素也会减少脉纹的产生。
目前国内外针对脉纹缺陷所采取的措施无外乎以上三个方面。
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防脉纹涂料的作用
良好的隔热性可以推迟砂粒的相变膨胀和砂 芯粘结剂的分解；
涂料中含有氧化铁红等具有防脉纹作用的成 分；
低合金钢 合金钢 高锰钢 镁合金 铝合金 铜合金
碱度指数Bs
-20~-30 -10~5 -5~15 -5~15 -5~5 -5~5 -5~5
0 5~15 10~20 15~30 18-20 30-39
0 -5~10
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一些重要的酸碱反应
• 2FeO + SiO2 = Fe2SiO4(铁橄榄石，1205℃) • 2MnO + SiO2 = Mn2SiO4 (锰橄榄石，1320℃） • MnO + SiO2 = MnSiO3 (偏硅酸锰，1270℃）
• Si 易氧化，形成酸性氧化物SiO2，因此会降低金 属的碱度。
• C在高温时对很多合金元素有保护作用，防止或 减轻金属的氧化，因此会降低金属的碱度。
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常用合金的碱度指数（参考值）
合金材质
高硅耐蚀铸铁 可煅铸铁 蠕铁 球铁 灰铁 高铬铸铁 白口铁
高铝耐热铸铁 碳钢
Bs
叶腊石 地开石
2Al2O3.8SiO2.2H2O Al4Si4O10(OH)8
-22.62 -17.10
酸
高岭石
Al4Si4O10(OH)8
-17.10
性
蓝晶石 硅线石 红柱石
Al2O3.SiO2 Al2O3.SiO2 Al2O3.SiO2
-11.48
逐
-11.48
-11.48
渐
莫来石
3Al2O3.2SiO2
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启示与思考
• 一定要重视旧砂的再生质量，有条件的话 尽量采用热法再生。
• 引起粘砂的因素很多，一味提高涂料的耐 火度并不总能解决粘砂的问题。
• 铸件粘砂一定是涂层失效，但涂层失效的 方式和原因是多种多样的。
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涂层失效的方式及原因
逐
渐
Fe2O3 -26.13
CeO2 14.51
MoO
62.23
渐
增
VO2
-21.33
Cr3O4 16.66
SrO
71.76
增
ZnO
-13.51
V2O3 17.97
VO
73.38
强
Mn3O4 -11.12
MnO 19.50
BaO
73.74
强
Fe3O4 -10.68
FeO 20.65
Li2O
80.40
的砂芯
XY-SY-660---新一代高性能整体浸涂涂料
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整体浸涂涂料应用
整体浸涂涂料浸涂的缸盖砂芯 首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
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整体浸涂涂料浸涂的缸盖砂芯 首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
3. 非锆质涂料
• 锆英粉是综合性能最好的耐火骨料 • 锆英粉价格波动大、放射性 • 摆脱对锆英粉的依赖势在必行！ • 非锆质涂料已获得较多的应用 • 主要代用材料：白刚玉、棕刚玉、莫
预处理涂料的应用
图7 预处理涂料用于发动机缸盖关键砂芯，防止烧结 首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
2. 脉纹缺陷及防脉纹涂料
典型的脉纹缺陷
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缸体水套脉纹缺陷
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脉纹产生的条件及影响因素
脉纹的产生有两个基本条件： • 一是相变膨胀产生的热应力大于砂芯表面的强度 • 二是铁水呈液态并且具有足够的流动性。 ---凡是能减少热应力的因素都会减少脉纹的产生；
• mFeO + nMnO + pSiO2 = mFeO.nMnO.pSiO2(<1300℃)
• CrO + SiO2 = CrSiO3(1402℃） • 2FeCr2O4 + SiO2 = Fe2SiO4 + Cr2O3 • 3Al2O3 + 2SiO2 = 3Al2O3.SiO2 ，莫来石1890℃ • Al2O3 + FeO = FeO.Al2O3，铁铝尖晶石 1780℃ • Al2O3 + MnO = MnO.Al2O3，锰铝尖晶石 1850℃
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涂料新理论
厚壁铸钢件粘砂机理研究 美国密苏里大学
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浇注试验考察因素及水平
因素
砂
水平1
水平2
机械+热法再生 仅机械再生
紧实方式
振动紧实
手工紧实
操作时间
立刻紧实
30秒后填砂紧实
涂料（锆英粉涂料） 流涂
刷涂
*注：浇注金属材质：CF-8C 不锈钢，
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酸碱度理论在涂料设计中的应用 • 涂料与金属及涂料与砂型之间的界面反应 • 铸件表面缺陷的防止 • 新型烧结剥离型涂料的开发 • 锆英粉代用材料的研发
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二、涂料的新家族
1. 预处理涂料 2. 防脉纹涂料 3. 整体浸涂涂料 4. 非锆质涂料 5. 防硫涂料 6. 变色涂料 7. 粉状涂料
造 型：
呋喃树脂自硬砂
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粘砂试块
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浇注试验方差分析
影响因素 砂（机械+热法/仅机械法） 紧实方法（振动/手工） 填砂时间（立刻/ 30秒后） 施涂方法（流涂/ 刷涂）
F-检验 6.21 0.12 1.39 0.01
P-假设 0.030 0.735 0.263 0.939
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预处理涂料家族
锆英粉 刚玉粉 镁砂粉 莫来石 石英粉 其他 醇基预处理涂料 水基预处理涂料
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预处理涂料的应用
预处理涂料用于风电
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预处理涂料的应用
预处理涂料用于铸钢件 首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
-8.64
减
滑石 钠长石
3MgO.4SiO2 Na2O.Al2O3.6SiO2
-3.27 -1.73
弱
刚玉 锆英石
Al2O3 ZrSiO4
0.00
碱
4.60
白云母
Fra Baidu bibliotek
K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O
6.74
性
钛铁矿
FeTiO3
8.01
逐
铬铁矿
FeO.Cr2O3
8.35
渐
钾长石
K2O.Al2O3.6SiO2
TiO2
-1.42
Ce2O3 28.35
Na2O
82.49
Al2O3
0.00
SnO 29.28
K2O
95.63
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不同价态的氧化物碱度
碱度指数 Bs 首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
材料名称 分子式
Bs
石英
SiO2
-33.38
常 见 矿 物 的 碱 度 指 数
• 材料的酸碱性是可以用碱度指数Bs来定量描述。
• 铸造合金的酸碱性要和涂料及型砂的酸碱性相适 应。
• 酸碱度理论揭示了不同金属材质中合金元素与粘 砂两者之间的内存联系进而确定涂料与材质的匹 配原则之一。
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碱度指数Bs
• 采用氧的电荷分数计算方法，以Al2O3做为 中性基准，对各种氧化物的酸碱性进行定 量标度的方法。
箱形统计图
热法再生
机械再生
首届国际铸造论粘坛砂20面16积-5（-16吋北2）京
砂粒之间的反应产物
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反应产物的成分
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反应产物中的液相比例
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涂-砂界面模型
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P2O5 -57.20
Cr2O3 2.96
ZrO2
32.38
酸
TeO2 -55.63
NiO 3.18
MgO
39.07
碱
性
Co2O3 -44.95
MoO2 3.91
CrO
43.47
性
逐
SiO2 B2O3
-33.38 -30.08
PbO 4.35 BeO 10.78
CaO Y2O3
59.80 61.26
图11 防脉纹涂料在缸盖上的应用
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
绝热型防脉纹涂料
首届国际铸造论坛 2016-5-16 北京
高透气防脉纹涂料用于缸盖
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刹车盘专用防脉纹涂料
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渗透性防脉纹涂料
渗透性防脉纹涂料涂料的工作原理
涂层失效的原因 • 紧实度不够 • 再生质量差 • 原砂质量差 • 涂料耐火度低 • 涂料酸碱性不合适 • 悬浮剂加入过多 • 涂层过厚 • 钢水渣多
涂层失效的方式 • 开裂或断裂 • 熔蚀、熔化 • 起皮、剥落
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酸碱度理论
• 铸造过程中存在金属液与涂料及造型材料之间复 杂的界面反应，金属熔渣与涂料或型砂之间的高 温酸碱反应是产生粘砂特别是化学粘砂的重要原 因之一。
涂料断裂机理
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试验小结
树脂自硬砂生产厚壁铸钢件的粘砂主要是机械粘砂，粘砂与 涂层断裂关系密切 涂层下面的砂型由于树脂膜的烧失分解造成体积变化以及旧 砂中铁锰氧化物等杂质的积累在高温下形成低熔点液相 低熔点液相的存在和树脂膜的烧失使得表层砂在铁水压力和 高温的作用下变得不稳定不坚实并引起重排移动，进一步造成 锆英粉涂料断裂和钢水渗入，引起粘砂。 旧砂中的铁锰氧化物杂质及树脂膜等有机物通过机械+热法 再生可以比较彻底地去除，从而使锆英粉涂料的基底更加牢固 稳定，进而有效地防止 防止粘砂。
涂层在浇注时有适度烧结，从而提高了涂层 和砂芯表面的强度。
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防脉纹涂料家族
• 绝热型防脉纹涂料 • 高透气防脉纹涂料 • 刹车盘专用防脉纹涂料 • 高渗透防脉纹涂料 • 氧化铁防脉纹涂料 • 醇基防脉纹涂料
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防脉纹涂料的应用
9.21
镁铝尖晶石 MgAl2O4
13.02
增
镁橄榄石 硅灰石
2MgO.SiO2 CaO.SiO2
14.24
强
16.20
钙长石
CaO.Al2O3.2SiO2
26.73
方镁石
MgO
39.07
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铸造合金的酸碱度
• 金属的酸碱度取决于金属液表面选择性氧 化生成的氧化渣的成分及数量。
涂料原液
防粘砂涂层
活性成分
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渗透性防脉纹涂料的应用---液压阀、涡壳
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整体浸涂涂料
• 缸体缸盖的尺寸精度、内腔清洁度要求越来越高 整体浸涂涂料
• 组合砂芯立体空间结构更加复杂 • 组合后砂芯的尺寸大大增加 • 涂料流变性能要求高，不能有滴痕、流痕及堆积等缺陷 • 涂料具有良好的抵抗粘砂、脉纹、烧结等性能 • 组合砂芯往往冷芯和壳芯组合在一起，涂料要适合于不同
• 可以对大多数氧化物及各种由复杂氧化物 组成的硅酸盐、铝酸盐及矿物的酸碱性进 行定量标度。
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常见氧化物的碱度指数
氧化物
Bs
氧化物 Bs
氧化物
Bs
CoO2 -76.81
CuO 0.83
La2O3 30.01
MnO2 -61.09
CoO 2.01
Mo2O3 31.62