镁合金消失模-壳型复合铸造型壳的防燃涂层研究

赖春明 李昭赞 陈静 李卡

【摘  要】论文提出将硼酸、氢氧化钠、硅溶胶、甲基纤维素按配置制成水溶液作为防燃涂料，并通过设计正交试验优化各成分的配比为10：6：10：7。结果表明，在制壳之前将防燃涂料涂挂在白模表面可有效形成防燃涂层，在镁合金消失模-壳型复合铸造过程中能有效地发挥镁液的防燃效果。

【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.

【关键词】消失模-壳型复合铸造;防燃;涂层;镁合金

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

【中图分类号】TG249.5                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）07-0180-02

1 引言

镁合金具有质量轻、比强度高、抗震性好、铸造性能好等优点，但其塑性成形能力较差，所以目前实际应用的镁合金零件主要是铸造成型为主。镁的化学性质非常活泼，如何阻止或降低铸造成型过程中镁液与铸型界面的燃烧反应是镁合金铸造工艺应用过程中的关键问题之一，直接关系着铸件的表面质量。

目前，镁和镁合金在铸造成型过程中阻止镁液与铸型界面之间反应的主要方法有以下几种：一是在铸型中通入可以阻燃的保护气体，阻止镁液与铸型的直接接触;二是通过铸型的涂层在高温下生成保护气体;三是对铸型本身加以保护，可以通过形成性质稳定的釉质保护膜来隔绝镁液与铸型界面的直接接触，或采用不与镁发生反应的材料制作铸型和耐火层。本研究在前人研究的基础上，利用正交试验配置了一种基于硼酸的防燃膜涂料，起到了防止镁合金与铸型界面燃烧反应的作用。

2 实验材料与方法

大量的实验研究表明，硼酸作为反应阻止剂可有效地减少镁及镁合金铸造过程中界面反应的发生，从而改善铸件的表面质量，主要的机理在于硼酸中的硼酐在高温下可以与MgO形成致密稳定的釉质保护膜，从而隔断了铸型内表面与镁液的相互接触。因此，使用硼酸作为阻燃剂是镁合金与铸型界面的防燃方法中效果和经济效益都较好的一种思路，并且出现了很多使用硼酸在熔融镁液和铸型界面之间成膜从而起到防燃效果的工艺方法。

通过查阅已有的实验研究资料，确定了防燃涂料的主要成分为硅溶胶、硼酸、氢氧化钠、甲基纤维素以及水。其中，粘结剂主要为硅胶，防燃剂主要为硼酸，助溶剂为氢氧化钠，甲基纤维素作为辅助涂料主要起到促进成膜的作用，而水则是作为基础溶剂。在进行少量前期实验的基础上，利用正交试验表设计L9（34）正交试验表（见表1）。根据表1中的配比配制出防燃涂料后，将其均匀地涂挂在防燃试样块的表面。在铸造实验中，浇注温度为700℃，浇注完成后，主要测量铸件表面的氧化程度并分析。

3 防燃效果分析

对采用不同配比防燃涂料制得的防燃测试型壳在700℃下进行浇注。浇注完成后，经脱壳、除浇口、修整等处理获得最终铸件，对铸件的表面燃烧情况进行观察，结果如图1所示。图1中，铸件表面呈现黑色或褐色等较深的色系，表明该区域氧化或燃烧反应比较明显，而未发生燃烧反应的区域则呈现为白色或灰色等较浅色系。从铸件表面的质量情况来看，在不同配比的防燃涂料保护下得到的铸件，其表面的氧化程度有明显的区别，2号和3号试样的氧化情况明显更显著，5号和7号的氧化情况则较少，表明2号和3号配比的涂层防燃效果较差。

为了方便进行更加客观直接的对比和测量，通过MATLAB编程对拍得的铸件表面图像进行了阈值处理，使之变为色差明显二色图片。针对二色图片，利用MATLAB编程可以方便地实现对氧化区域的比例进行测量和对比分析，从而评价各种配比的涂层的防燃效果。通过图片识别和数据处理可得1～9号试样的氧化比例，从而获得铸件表面氧化面积随防燃涂料中各成分含量的变化曲线，如图2所示。虽然设计的是L9（34）正交试验，每种成分只有3种配比，但各个趋势图仍然可以反映出防燃涂料各个成分对防燃效果的影响。

对比图2可知，涂料中硼酸与氢氧化钠的含量对铸件表面的氧化面积影响最大，表明这两种成分对涂料的防燃效果影响最大。因此，以硼酸与氢氧化钠的含量为自变量，以铸件的表面氧化面积作因变量进行了回归分析，得到了铸件表面氧化面积随硼酸与氢氧化钠含量的变化关系式为：

式中，X1代表硼酸含量（%）;X2代表氢氧化钠含量（%）;Y代表氧化面积比例。

对上述关系式做线性规划，求氧化面积的最小值可得，当硼酸和氢氧化钠的含量分别为10%和0.6%时，铸件的氧化面积比例最小。结合不同涂料处理后型壳的强度性能、成膜性等因素，最终确定涂料的最佳成分配比为：硼酸10%、氢氧化钠0.6%、硅溶胶10%、甲基纤维素0.7%、水余量。

4 结论

采用合适的防燃涂料是防止镁及镁合金消失模-壳型复合铸造过程中镁液与铸型界面间发生燃烧反应，是获得表面质量好的镁合金铸件的重要前提。本文在前人研究的基础上，以硼酸作为防燃剂，设计了一种以硼酸、氢氧化钠、硅溶胶、甲基纤维素为主要成分的防燃涂料，并通过L9（34）正交试验获得了上述成分的最佳配比为10：6：10：7。在消失模-壳型复合铸造的浇注期间，该配比的涂层可以在型腔内表面形成均匀致密的防燃膜，有效地防止了镁液与铸型界面的燃燒反应，从而改善了镁合金铸件的表面质量。

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