鎂合金消失模-殼型復合鑄造型殼的防燃涂層研究

賴春明 李昭贊 陳靜 李卡

【摘? 要】論文提出將硼酸、氫氧化鈉、硅溶膠、甲基纖維素按配置制成水溶液作為防燃涂料，并通過設計正交試驗優化各成分的配比為10：6：10：7。結果表明，在制殼之前將防燃涂料涂掛在白模表面可有效形成防燃涂層，在鎂合金消失模-殼型復合鑄造過程中能有效地發揮鎂液的防燃效果。

【Abstract】The paper proposes that boric acid， sodium hydroxide， silica sol， and methylcellulose are made into an aqueous solution as a flame-retardant coating according to the configuration. The ratio of each component was optimized by designing an orthogonal experiment to be 10：6：10：7. The results show that the flame-retardant coating can be effectively formed by hanging the flame-retardant coating on the surface of white mold before shell making， and the flame-retardant effect of magnesium solution can be effectively exerted in the process of magnesium alloy expendable pattern-shell compound casting.

【關鍵詞】消失模-殼型復合鑄造;防燃;涂層;鎂合金

【Keywords】expendable pattern-shell compound casting; flame-retardant; coating; magnesium alloy

【中圖分類號】TG249.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）07-0180-02

1 引言

鎂合金具有質量輕、比強度高、抗震性好、鑄造性能好等優點，但其塑性成形能力較差，所以目前實際應用的鎂合金零件主要是鑄造成型為主。鎂的化學性質非常活潑，如何阻止或降低鑄造成型過程中鎂液與鑄型界面的燃燒反應是鎂合金鑄造工藝應用過程中的關鍵問題之一，直接關系著鑄件的表面質量。

目前，鎂和鎂合金在鑄造成型過程中阻止鎂液與鑄型界面之間反應的主要方法有以下幾種：一是在鑄型中通入可以阻燃的保護氣體，阻止鎂液與鑄型的直接接觸;二是通過鑄型的涂層在高溫下生成保護氣體;三是對鑄型本身加以保護，可以通過形成性質穩定的釉質保護膜來隔絕鎂液與鑄型界面的直接接觸，或采用不與鎂發生反應的材料制作鑄型和耐火層。本研究在前人研究的基礎上，利用正交試驗配置了一種基于硼酸的防燃膜涂料，起到了防止鎂合金與鑄型界面燃燒反應的作用。

2 實驗材料與方法

大量的實驗研究表明，硼酸作為反應阻止劑可有效地減少鎂及鎂合金鑄造過程中界面反應的發生，從而改善鑄件的表面質量，主要的機理在于硼酸中的硼酐在高溫下可以與MgO形成致密穩定的釉質保護膜，從而隔斷了鑄型內表面與鎂液的相互接觸。因此，使用硼酸作為阻燃劑是鎂合金與鑄型界面的防燃方法中效果和經濟效益都較好的一種思路，并且出現了很多使用硼酸在熔融鎂液和鑄型界面之間成膜從而起到防燃效果的工藝方法。

通過查閱已有的實驗研究資料，確定了防燃涂料的主要成分為硅溶膠、硼酸、氫氧化鈉、甲基纖維素以及水。其中，粘結劑主要為硅膠，防燃劑主要為硼酸，助溶劑為氫氧化鈉，甲基纖維素作為輔助涂料主要起到促進成膜的作用，而水則是作為基礎溶劑。在進行少量前期實驗的基礎上，利用正交試驗表設計L9（34）正交試驗表（見表1）。根據表1中的配比配制出防燃涂料后，將其均勻地涂掛在防燃試樣塊的表面。在鑄造實驗中，澆注溫度為700℃，澆注完成后，主要測量鑄件表面的氧化程度并分析。

3 防燃效果分析

對采用不同配比防燃涂料制得的防燃測試型殼在700℃下進行澆注。澆注完成后，經脫殼、除澆口、修整等處理獲得最終鑄件，對鑄件的表面燃燒情況進行觀察，結果如圖1所示。圖1中，鑄件表面呈現黑色或褐色等較深的色系，表明該區域氧化或燃燒反應比較明顯，而未發生燃燒反應的區域則呈現為白色或灰色等較淺色系。從鑄件表面的質量情況來看，在不同配比的防燃涂料保護下得到的鑄件，其表面的氧化程度有明顯的區別，2號和3號試樣的氧化情況明顯更顯著，5號和7號的氧化情況則較少，表明2號和3號配比的涂層防燃效果較差。

為了方便進行更加客觀直接的對比和測量，通過MATLAB編程對拍得的鑄件表面圖像進行了閾值處理，使之變為色差明顯二色圖片。針對二色圖片，利用MATLAB編程可以方便地實現對氧化區域的比例進行測量和對比分析，從而評價各種配比的涂層的防燃效果。通過圖片識別和數據處理可得1～9號試樣的氧化比例，從而獲得鑄件表面氧化面積隨防燃涂料中各成分含量的變化曲線，如圖2所示。雖然設計的是L9（34）正交試驗，每種成分只有3種配比，但各個趨勢圖仍然可以反映出防燃涂料各個成分對防燃效果的影響。

對比圖2可知，涂料中硼酸與氫氧化鈉的含量對鑄件表面的氧化面積影響最大，表明這兩種成分對涂料的防燃效果影響最大。因此，以硼酸與氫氧化鈉的含量為自變量，以鑄件的表面氧化面積作因變量進行了回歸分析，得到了鑄件表面氧化面積隨硼酸與氫氧化鈉含量的變化關系式為：

式中，X1代表硼酸含量（%）;X2代表氫氧化鈉含量（%）;Y代表氧化面積比例。

對上述關系式做線性規劃，求氧化面積的最小值可得，當硼酸和氫氧化鈉的含量分別為10%和0.6%時，鑄件的氧化面積比例最小。結合不同涂料處理后型殼的強度性能、成膜性等因素，最終確定涂料的最佳成分配比為：硼酸10%、氫氧化鈉0.6%、硅溶膠10%、甲基纖維素0.7%、水余量。

4 結論

采用合適的防燃涂料是防止鎂及鎂合金消失模-殼型復合鑄造過程中鎂液與鑄型界面間發生燃燒反應，是獲得表面質量好的鎂合金鑄件的重要前提。本文在前人研究的基礎上，以硼酸作為防燃劑，設計了一種以硼酸、氫氧化鈉、硅溶膠、甲基纖維素為主要成分的防燃涂料，并通過L9（34）正交試驗獲得了上述成分的最佳配比為10：6：10：7。在消失模-殼型復合鑄造的澆注期間，該配比的涂層可以在型腔內表面形成均勻致密的防燃膜，有效地防止了鎂液與鑄型界面的燃燒反應，從而改善了鎂合金鑄件的表面質量。

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