鋁合金壓鑄用耐高溫脫模劑的開發研究

廣州市鑫煜鑄造設備材料制造有限公司董事長 

          蘇州市壓鑄技術協會               副理事長  修毓平

          北美壓鑄協會                     會員

摘要：針對高模溫條件下壓鑄件出現粘膜、表面發黃等問題，模擬模具表面噴涂脫模劑的工藝條件，使用熱成像儀等設備，評測不同模具溫度場狀態下不同配制脫模劑潤滑薄膜的形成和降溫速率，開發了一種耐高溫脫模劑XY-90A，現場應用表明，該脫模劑對于克服壓鑄件高溫粘模、表面泛黃等表面質量問題有明顯的作用。

鋁合金壓鑄用脫模劑的種類很多，含二甲基硅油的脫模劑曾經受到使用廠家的青睞。但是這種硅油是線性體，耐溫性不高，溫度達180度即開始氧化隨之膠粘。長期使用還導致模具不同程度的傷害，對鑄件表面后期處理效果不好。當脫模劑的有機物含量過高，在熱熔鋁的溫度下，有些被還原成碳元素，有些變成有機大分子聚合物。碳分子和聚合物混合，在鋁鑄件形成時，被包含在表層，成為我們在磨光時看見到的黑斑。（當然還可能與氧化硅或氧化鋁過多有關，這是來自鋁錠質量本身和精煉處理的問題。）

眾所周知，脫模劑的核心作用是保護模具，在壓鑄合金和壓鑄模具之間提供有效的隔離保護層，避免金屬液直接沖刷型腔和型芯表面，改善壓鑄模具的工作條件，減小壓鑄模具的熱疲勞。同時理想的脫模劑可以提高金屬液的成型性，特別在模具溫度高的部位提供優良的潤滑性能和脫模性能，防止黏模，提高壓鑄件的表面質量。

隨著對壓鑄厚壁大件及深腔復雜件表面質量的要求不斷提高，希望脫模劑在高模溫時具有更高的耐高溫性，更高的隔離性，同時保持優良的潤滑性，能夠在模具表面迅速形成均勻致密且牢固的薄膜，對壓鑄件和模具無腐蝕作用。脫模劑性能穩定，不分層，不破乳，無刺激性氣味，高溫時不分解有毒有害氣體。

為此，我們結合北美壓鑄技術發展的現狀，針對性地開發研制了一款耐高溫的以高分子聚合物為主體的水基脫模劑XY-90A 。選取300ºC和350ºC兩個點，重點對比分析研究了XY-70A 和XY-90A脫模劑在模具高溫區形成潤滑膜的致密度與附著量。經工廠小批量使用，表明XY-90A具有以下品質特點:

1）該脫模劑以國際知名化學公司的進口原料為主體，由改性硅氧烷、多羥基聚合物，表面活性復合劑和熱穩定性極佳的無灰型有機添加劑、脫模協調劑、納米級微晶樹脂光亮劑等，經特殊工藝調配而成，不含任何礦物油、甲基硅油，石蠟以及凡士林等成分。

2）乳液穩定性能好，不分層、無泡沫或沉淀物，產品同時具備較高的生物降解性能，不含任何有毒成分，無刺激性氣味，不影響工人健康。使用中不會產生任何有害的煙霧或異味，大大改善生產環境。

3）在局部模溫300ºC的條件下，型腔表面仍可形成致密的耐高溫、抗沖刷保護膜，具有耐高溫性和良好的潤滑性，大大提高了脫模效果和壓鑄件的合格率。

4）模具表面不會有殘積物，鑄件上無任何黃斑、黑點，能有效改善壓鑄工件的表面亮度和光潔度品質?？朔艘恍└邫n脫模劑雖然脫模效果較好，卻在后續加工中噴不上油漆或油漆表面起殼產生縮孔、漆皮脫落等現象。壓鑄件表面易清洗，不流痕跡。 

5）冷卻效果好，可有效防止模具因熱疲勞而產生龜裂紋，延長模具的使用壽命。

6）不影響鑄件后續表面處理，鑄件成品后均可獲得較佳的電鍍及烤漆質量。

7）有很高的兌水比例，高品質、低價位，質量可與目前進口高端產品媲美，而價格低于進口產品。

    研究過程中發現，壓鑄過程中常見問題之一是鑄件在模具型腔的高溫區域易出現黏模。鑄件成型表面與模具表面之間有相當大的接觸壓力，壓鑄時鑄件受到三向非均勻分布的壓應力，因此潤滑油膜易破裂，高溫也使潤滑膜產生化學變化，成型過程中的二次擠壓會有少量新的金屬表面出現，新的表面物理化學性能與原先的金屬表面不同，也沒有潤滑劑保護，易與模具黏著，使模具磨損，壽命減低，同時鑄件內部變形不均勻分布所產生的附加應力和殘余應力，影響鑄件表面質量，也增加了取件的難度，直至黏模。此外，對于模具來說，由于壓鑄工藝和模具溫度場的變化，成形過程中是一種間斷的非穩定的摩擦，且模具不同部位都不相同。在此狀態下的潤滑機理不能用普通物理學中的庫侖摩擦定理進行分析與描述。國內外專家曾先后提出機械—分子摩擦理論，黏著—梨溝摩擦理論，邊界摩擦，混合摩擦，彈性黏流摩擦理論等。同時研究各種復雜化學成分的潤滑劑。

由于高溫高壓下鑄件和模具接觸表面的狀態非常復雜，特別是模具溫度較高會引發很多問題。時至今日，人們對壓鑄成形中粘模及表面質量問題的研究已逐漸由宏觀表面進入微觀表面，由定性分析到建立數學模型分析，由單因素研究進入多因素綜合研究，從靜態研究發展到動態研究。但大多還是停留在直觀的定性分析上，其共識是：壓鑄工藝，模具溫度，模具表面質量，充型溫度，脫模劑的化學成分，噴涂工藝等對粘模、積碳及表面發黃均有重要的影響。甚至使用質劣沖頭蠟丸都會導致鑄件發黃；因脫模劑濃度過高、噴涂量過大導致的表面積碳也并不鮮見。

從根本上看，脫模劑的質量優劣是必須面對的。它的重要性在于能否承擔隔離鑄件和模具的任務。脫模劑的作用是分離模具與壓鑄件的表面，降低模具的損傷，使鑄件的表面光潔，同時對模具起到冷卻，調節與控制的作用。粘模是鑄件與模具界面材料分子或原子間的物理化學作用，其中最重要的是黏附力。鋁，鋅，鎂，銅等壓鑄金屬材料和模具材料為多晶體結構，表面分子比內部分子有較大的勢能，即表面能。他們都具有使其表面能趨向最低的本能，即驅使位于自由表面的原子排列達到平衡的本能。如果兩金屬表面相距十分近，為使表面能降下來，彼此之間的晶格會結合，出現黏著現象。眾所周知，互相接觸的固體間存在著引力，引力由金屬鍵，共價鍵和離子鍵形成，屬于短程力的鍵力。還有長程力的范德華力（Von Der Wools Force）。當接觸距離在幾納米時，范德華力均起作用。在1納米內，各種短程力開始起作用。要估算黏附結合的強度，首先要確定金屬的內聚力，然后計算接觸面的表面力。但由于金屬的電子結構復雜，目前尚不能理論求解內聚強度。從現象上看，黏模無非是化學上的結合，或是機械的咬合。和黏附強度有關的因素主要是：金屬的種類，金屬的互溶性，晶格的取向，接觸時彈塑性變形的方式，彈性回復，偏析和氧化，位錯和微裂，接觸溫度等。模具本身的表面硬化，表面粗糙度，接觸壓力等也是重要的因素。不同原子的結合能力不同，故選擇適當的模具材料和離型劑配方，可最大限度減少鑄件與模具的黏著。

脫模劑與模具表面可以產生非極性或極性物理吸附膜，化學吸附膜及化學反應膜。物理吸附膜對溫度很敏感，被吸附在模具表面上的極性分子處在不斷吸附和脫附的動態平衡狀態。溫度上升，脫吸增多，吸附膜厚度減小，邊界吸附膜強度降低，使分子脫吸，亂向，甚至薄膜熔化。反之亦然。因此，物理吸附膜只在低接觸壓力和低溫條件下有效。

當脫模劑中沒有極性分子時，脫模劑只能在模具表面產生非極性物理吸附膜；反之則產生極性物理吸附膜。它的強度要大于非極性物理吸附膜。當脫模劑組分中的原子與模具表面的原子可使用共同的電子時，就會在模具表面產生化學吸附膜。其強度又高于極性物理吸附膜。在一定的接觸壓力和溫度下，脫模劑中的極壓劑也可能與模具表面發生化學反應產生化學反應膜。它的強度又大于化學吸附膜。一般說來，脫模劑的吸附膜強度越高，防止粘模的效果越好。因此根據不同的壓鑄件和壓鑄工藝條件，選擇相應的脫模劑以形成高強度的吸附膜是脫模劑生產廠家必須不斷開發研究的課題。

                                         2015年4月于廣州