精铸硅溶胶型壳耐火材料的合理选用.pdf

精铸硅溶胶型壳耐火材料的合理选用 苏州华宏精密铸造有限公司籍君豪 彦宏 1 前言 硅溶胶型壳 目前已经被全球精铸界公认为生产精铸件的最佳 艺方案 其主要特点是 铸 件表面质量高 返修率 废品率低 质量稳定性好 材质适用性J 精铸件的 性价比 很大程度 上取决于 型壳 的质量和成本 它不仅决定于粘结剂还与占型壳材料9 0 质量分数 的耐火材 料 砂 粉 密切相关 我国自上世纪九十年代初引进了 中温蜡 硅溶胶 型壳 I 艺 十多年来从无到有 已经有 近千家精铸厂在应用 当前又有不少原应用 水玻璃 或 复合 型壳的厂家已改用 低温蜡 硅溶胶 型壳 实践证明这种工艺方案在生产中大型铸件 1 0 2 0 0 千克 时较 中温蜡 硅溶 胶 型壳更具优势 硅溶胶型壳虽具有上述许多的优点 但其成本高 生产周期长 脱壳性差 这三大缺点仍是它 至今未能在我国全面取代水玻璃和复合型壳的主要原因 其中成本及脱壳性与型壳耐火材料有很大 的关系 对于附加值较低的 准质量 即表面质量及尺寸精度要求均不太高的民用商业精铸件而言 成 本 因素在市场竞争中更显突出 如何根据铸件不同质量 级别 不同材质 不同使用场合的要求 合理选用型壳耐火材料 使型壳获得最高的 性价比 正是本文要阐述的主题 同时 对世界目前 通用的硅溶胶型壳耐火材料的组合 锆英石 面层型壳 高岭石熟料 背层型壳 如何提高其 工艺性能 也提出了一些建议和看法 供精铸界同仁参考 2硅溶胶型壳耐火材料的基本要求 2 1要有足够高的耐火度和热化学稳定性 硅溶胶型壳须经1 0 0 0 1 2 0 0 高温焙烧 保温0 5 1 0 小时 在重力浇注时还要承受高温金属 液的冲刷和静压力 故型壳要有足够高的高温强度 即抗蠕变能力 和热化学稳定性即在高温时不 与型壳本身或金属液中的元素的金属氧化物产生化学反应生成低熔点的物相 才能保证型壳在高温 焙烧 浇注时不至变形开裂或出现 烧结 导致铸件粘砂 这些性能与组成型壳的耐火材料的固有 性质和杂质含量有直接关系 足够高 的耐火度 要根据铸件材质的熔点 浇注温度 确定 不锈 钢 耐热钢 浇注温度常在1 6 0 0 1 7 0 0 C 碳钢 低合金钢在1 5 0 0 1 6 0 0 左右 铸铁件则在1 3 5 0 1 4 5 0 而有色金属铜铝的浇注温度更低 约在1 2 0 0 C 及7 5 0 C 左右 生产中不考虑材质 使用同种高 耐火度的材料型壳 不仅会增加成本且常会使型壳残留强度过大 清砂脱壳困难 应根据铸件不同 的材质选用型壳耐火料才符合经济合理的原则 但必须注意硅溶胶型壳由于在1 0 0 0 11 0 0 C 高温时 其透气性和高温强度最高 故不论浇注何种熔点的金属为保证型壳的高温性能必须在1 0 0 0 1 2 0 0 C 进行焙烧 只是在浇注合金时应按铸造材质 熔点 壁厚等工艺冈素选择合适的型壳温度 2 2 要有较小的均匀的热膨胀系数 0 1 2 0 0 时仅值 型壳热膨胀率的大小囚多晶转变影响到型壳的高温强度 过大或不稳定时型壳强度及尺寸精度 降低 2 3 要有适当的粒度 粒径 和粒度分布 级配 型壳耐火材料中的粉粒粗细 粒度大小 直接影响型壳表面粗糙度和强度 透气性 一1 7 0 1 对面层涂料用粉料其粒径不应粗于3 2 0 目 0 0 4 5 m m 背层壳粉料粒径不应粗于1 5 0 目 0 1 0 0 m m 这样才能获得表面光洁的铸件和具有较高强度和透气性的型壳 2 涂料用粉的粒度要分散分布 而撒砂粒度要集中 前者有利于获得高致密性 高粉液比 的涂料 使铸件表面质量提高 面层 和型壳具有更高的强度 背层 3 型壳涂料用耐火材料为获得高的 松装密度p J 以使涂料具有高致密性其粒度分布最理 想的是 双峰型 分布 其要求为 a 重量平均粒径D N L 2 5 3 0 u m 0 0 2 5 0 0 3 0 m m b 重量分布均方差Q N L 17 以D N L 为中心的粉料分散程度 c 比表面积S 7 9 m 锆英粉 S 1 2 1 5m 石英或莫来石粉 每1 0 0 克粉料的表面积 d 松装密度 p J t 2 5 5 g c m 锆英石 p J 1 5 石英或莫来石 符合上述条件的粉料其粒度分布特点是 粉粒的粗粉峰位在 4 5 u m 细粉峰位在1 0 u m 左右 谷为在2 0 3 0 u m 0 0 2 0 0 3 m m 粗细粉质 量比为l 2 粒径比 2 5 生产中可以用粉料粒度分析仪测定其粒度分布 生产现场可用简易的密 度器以测定粉料的松装密度p J 方法来判定其粒度分布是否符合配制高致密度涂料的要求 1 应着 重指出 为满足精铸涂料工艺性能的要求 p J 值只有在规定的粒度范围内才有对比和实用价值 同 时 细粉 1 0 u m 含量过多涂料屈服值太大 涂料的覆盖性也会超标 故p J 值还受粗细粉粒的粒 度范围限制 生产中硅溶胶比水玻璃粘度屈服值均低 故其涂料对细粉含量也应较高才能获得一定 的覆盖性 涂层平均厚度 一般硅溶胶涂料中 1 0u m 粒径质量的百分含量应控制在3 0 4 0 为宜 耐火材料厂可通过对砂料的原始粒度级配或调整磨粉加二f 时间来达到粉料粒度分散的目的 而 上述 双峰型 粉料多为人工级配获得 按上述分析 理想的级配 面层壳粉料粒径分布 为 3 2 5 目 0 0 4 3 m m 1 0 8 0 0 目 0 0 2 5 m m 2 0 1 2 5 0 目 0 0 1 0 4 0 粉料目数应理解为在该筛网上余留量 平均粒径为括号内数值 例如 8 0 0 目为平均0 0 2 5 u m 细粉超过4 0 0 目以上难用筛网测定粒度 其余均为粒径大于1 0 u m 小于4 3 u m 之间的粉料 总量占 3 0 必须着重指出 目前国内尚无专供精铸生产用的锆砂 锆粉料 绝大部分是根据耐火材料等 行业标准生产 如粒度3 2 5 目的锆粉 与硅溶胶配制的涂料粘度4 0 4 5 秒时其粉液比波动很大 在 n 3 0 4 0 之间 同一供货厂家 包括进口的澳大利亚生产的原包装粉 r l 也常在3 0 3 7 之间变动 其质保书说明粒度为3 2 5 目通过率9 5 实测9 7 9 8 而铸造行业要求粉料粒度分散 常用筛上 余留量 来表示 如精铸标准 C I C B A C 0 2 0 9 1 9 9 9 为2 7 0 5 3 2 5 9 9 8 耐火度高达2 0 0 0 C 属于两性氧化物 化学稳定性很好 对人体危害小 最大 缺点是型壳清砂性差 碱 酸均不能去处面层砂壳 脱壳性很差 残余强度高 至今在高合金钢铸 件或硅酸乙脂粘结剂中使用较多 民用商业件只在形状不太复杂零件中 如气轮机的叶片等 应用 棕刚玉砂可做面层壳撒砂但对于型腔复杂件由于清砂十分困难 雉以用于批量生产 3 4 石英 石英其主要优点是矿源广 可深加 已成本在四种耐火材料中最低 表一 最大缺点是热膨胀 系数很高 1 2 3X1 0 I C 是锆石 莫来石的2 5 倍 是熔融石英的2 5 倍 因加热时有多晶转变 使型壳热膨胀率很大 故其高温强度只有高岭石类型壳的1 1 0 型壳开裂倾向很大 多品转变使体 积变化大 与硅溶胶配合可用于调整粉料Q 值或在5 K g 以下的钢件 或有色金属铸件中应用 其透 气性 脱壳性清砂性均很好 面层涂料涂挂性较差 3 5 熔融石英 不透明 与石英相反 O r 值仅5 1 0 1 C 为所有耐火材料中最小 来源J 1 纯度高 耐火度1 7 0 0 C 粉料与硅溶胶配成涂料其涂挂性极差 还比不上精制石英 其最大特点是高温时有 析晶 现象 在11 0 0 C 时有7 0 转变成方石英 但冷却到1 8 0 2 7 0 时方石英Q 转变成D 体积改变 一3 7 型壳出现大量裂纹 残留强度大大降低脱壳性很好 另外在锆粉涂料中加入5 1 0 可改善面层壳的 清砂性 透气性 在背层中加入可大大改善脱壳性和提高铸件尺寸精度 成本比锆石 刚玉低得多 表一 熔点不够高 密度过小 2 2 9 c m2 是其缺点 3 6 高岭石熟料 简称莫来石砂粉料 是目前使用最广泛的背层型壳耐火材料 矿源J 一 成本低 属铝硅系熟料 耐火度较高 1 7 5 0 1 7 9 0 缺点是杂质含量高 表一 热化学稳定性不高 故常作加I 矧层耐火料 因以莫来石为主晶相 且是熟料 其c L 值不高 a 5 0 在高温1 3 0 0 时材料中的玻璃相仍有高的粘度 型壳高温抗蠕变 能力好 冷却时方石英相变 形成应力裂纹使型壳残留强度降低 但在未充分煅烧莫来石含量低于 4 5 时其脱壳性能较差 目前莫来石砂粉为面层型壳耐火材料一已在国内一些使用 低温蜡 硅溶胶型壳 亡艺的工 厂用以浇注熔点较低的 准质量 要求碳钢铸铁及铜铝合金精铸件取得了良好的经济效果 4 型壳耐火材料的应用现状 1 国外精铸生产中为克服典型 艺存在的缺点 正进行针对性的改进 美国早在2 0 0 0 年已研讨熔融石英在型壳中的应用 据2 0 0 2 年美国精铸业耐火料消耗统计 2 铝硅系料 即莫来石类 占5 5 熔融石英占3 0 刚玉占9 锆英石6 按背层料在型壳中占 8 0 统计 型壳耐火材料具体比例为 背层 莫来石占5 5 熔融石英2 5 面层 锆石6 熔融 石英5 刚玉9 为了改善型壳的透气性 清砂性 在面层涂料中加入I I l 锆英粉5 1 0 的熔融石英粉 已广 泛在 国外应用 在背层中有的厂家在生产高精度铸件时砂粉料均用熔融石英 有的使用石英莫来石混合 涂料或混合撒砂 还有不少厂不论背层用什么材料过渡层涂料和撒砂都只用熔融石英 2 国外注 意到 背层中应用熔融石英成本会大大提高 也强调根据铸件尺寸精度和附加值高低合理选用耐火 1 7 2 材料 2 国内应用概况 A 绝大多数 中温蜡 硅溶胶 型壳工艺中均应用国外的典型工艺组合 面层用锆英石砂 粉 背层用莫来石粉 表一耐火材料性能对比 耐火材料 项目 锆英石电熔刚玉熔融石英高岭石熟料 莫来石 精制石英 熔点 9 8 5 白 S i 0 主要成分 A 1 2 0 3 9 4 5A 1 2 0 3 4 0 4 6 S i 0 9 8 一6 5 q 5 6 9 9 8 棕 化学性质弱酸性两性酸性酸性 杂质 F e 2 0 3 0 0 7 0 1 0 1 0 0 5 1 0 1 2 O 1 C a O M g O 0 0 5 o 1 O 5 0 7 1 0 含量 N a 2 0 K 2 0 0 0 5 0 1 N a 2 0 一 2 0 2 0 0 中低温锆英石锆英石莫来石 大件 中温锆英石锆英石莫来石 中大件 5 2 0 低温锆英石莫来石 经酸洗 英来石 锆英石9 0 熔 不 低温莫来石 经酸洗 莫来石 融石英1 0 锈 莫来石7 0 精制石英 钢 中温 锆英石9 0 熔 锆英石 l O 熔融石英2 0 耐 融石英1 0 热 锆英石9 0 熔熔融石英3 3 高纯 莫来石7 0 精制石英 钢 低温 1 0 熔融石英2 0 中小件融石英1 0 石英6 7 2 0 2 0 0低温锆英石莫来石 经酸洗 莫来石 英 大件 来 碳 锆英石9 0 熔 石 中温 莫来石 经酸洗 莫来石 砂 钢 中大件 5 2 0 融石英1 0 低莫来石 经酸莫来石7 0 熔融石 低温莫来石 经酸洗 合洗 英2 0 精制石英1 0 金 锆英石9 0 熔莫来石7 0 熔融石 中温莫来石 经酸洗 钢 融石英1 0 英2 0 精制石英1 0 铸 中小件莫来石 经酸莫来石7 0 熔融石 5 2 0 融石英1 0 9 6 莫来石 经酸洗 英2 0 精制石英1 0 有色莫来石 经酸莫来石7 0 熔融石 A A 低温 莫来石 经酸洗 洗 英2 0 精制石英1 0 铜 锆英石9 0 熔莫来石7 0 熔融石 中温莫来石 经酸洗 铝 融石英1 0 英2 0 精制石英1 0 中小件 合金 5 0 莫来石 经酸 莫来石5 0 精制石 特小件低温 莫来石 经酸洗 洗 英5 0 低温 结晶硅微粉高纯石英砂精制石英粉 2 成本 的降低只有在保证铸件质量稳定的前提下才有意义 更要考虑其生产过程的综合成 本 而不只是注意其耐火材料的成本 例如脱壳性差 斤处理j I 时剧增或铸件焊补率返修 一1 7 4 率高 这些都是综合成本因素 也应将二l 时成本计算在内 3 应根据铸件的附加值高低 铸件的大小及铸件的材质选抒型壳1 二艺及耐火料组合 例如 中 温蜡 硅溶胶 常用于出口不锈钢耐热钢铸件 或精度高结构复杂的碳钢 铸铁件等中小 t t 这些件附加值一般较高 应采用质量稳定 表面质量优良的成本相对较高的典型型壳工 艺 锆英石 莫来石 组合最合适 4 低温蜡 硅溶胶 型壳大多用于 准质量 的铸t 1 可根据铸件材质 尺寸精度 铸件大 小 复杂程度 选用经济合理的材料组合 表二 5 在选择不同耐火材料作面层背层的砂粉料时 要特别注意他们的热膨胀率 u 值 大小 应尽可能保持相等或相近0 值 指按体积计算 否则在脱蜡 焙烧 或浇注时型壳会开 裂分层 例如面层壳锆粉中加入熔融石英超过1 0 涂料中粉料a 值就与锆粉相差过大而 导致面层型壳在脱蜡后产生大量的细裂纹 背层中加入熔融石英要同时加入精制石英 才 能调节其0 值与莫来石粉相同 避免型壳开裂l j j 6 一个工厂不可能采用过多种耐火材料组合工艺 一般不超过2 3 种 生产中常按中低温腊料 或按大4 t 4 t t 分开制壳 表二工艺方案可供参考 2 应用实例 1 汽车中的精铸件常采用低温蜡硅溶胶型壳或复合型壳 其零t I 二净重多在5 k g 以 F 属小件特 小件 材质大部分为碳钢 低合金钢球铁等 生产批量极大 年产量在5 0 0 0n 屯 8 0 0 0n 屯 生产效 率十分重要 铸件大部分属 准质量 R a 6 3 12 5 C T 5 C T 7 建议采用面层涂料结晶硅微粉 撒 高纯石英砂 背层涂料用莫来石5 0 精制石英5 0 表二 特点是清砂性 脱壳性极好 适合于 大量生产 也适合与复合型壳 2 水泵行业中的叶轮 导流壳 泵体 属大件特大件材质3 0 4 或3 1 6 不锈钢为多 一般在2 0 1 6 0 k g 叶轮 导流有叶片 腔较复杂 清砂脱壳较困难 尤其是窄口叶轮 7 1 2 m m 常用低温 腊 硅溶胶型壳 表面质量要求 R a l 2 5 2 5 C T 5 C T 7 建议 叶轮 导流壳采用涂料用面层锆英粉加1 0 熔融石英撒锆英砂 背层涂料撒砂均用莫来石砂 参照表二中的5 2 0 k g 中大件 其余按表二中的特大件 2 0 2 0 0 k g l 艺选用 典型工艺 3 型壳耐火料组合的适用范围和改进方向 通过生产实践对比了几种现己投产应用的型壳耐火材料组合得出了以下几点初步结论 A 面层涂料用锆石粉 撒锆石砂 背层用莫来石粉砂的典型 艺其铸件表面质量 型壳质量 高温强度 抗蠕变能力抗开裂能力等 最高且稳定 成本最高 型壳清砂性脱壳性较差 浇注5 千克以下小件 特小件时 1 0 0 克以下 型壳整体强度 过剩 过高 后处理生 产率偏低 铸件型壳尺寸精度中等 适用范围 1 中温蜡 硅溶胶 型壳生产的各种合金表面质量要求高 R a 0 8 3 u m 尺寸精 度较高 C T 3 C T 5 的精铸件 最合适于5 千克以下的小件 特小件 尤其是附加值 较高的不锈钢耐热钢件或出口碳钢有色合金件 2 低温蜡 硅溶胶 型壳生产的不锈钢 耐热钢大件特大件 2 0 2 0 0 千克或6 2 0 的厚件 或 3 0 0 的大平面件 1 7 5 改进方向 1 锆砂粉应经过煅烧 11 0 0 C 浮选 强力磁选去处独居石以降低放射性和杂质 使 国产等品位较低的锆英石升级 以用于国内生产增大货源 降低成本 2 按精铸生产要求生产 双峰型 粉料 锆石 莫来石 熔融石英和低灰份含量 粒 度集中率高的砂料 满足精铸业近千家工厂的需求 3 结合国外的经验 加入熔融石英既可改善型壳的清砂性 脱壳性透气性 又能降低 成本 面层 背层中加入石英可改变目前普遍存在的生产小件 特小件时的型壳强度过 高情况 提高后处理劳动生产率 为避免过高的成本 在背层中可利用熔融石英和精制 石英调节Q 值 与莫来石相近 既可防止型壳开裂 又可降低成本改善脱壳性 B 面层涂料用锆英粉 撤莫来石砂 背层均用莫来石砂粉 对于表面质量要求较高 低 温蜡 硅溶胶 型壳可采用此工艺生产不锈钢 耐热钢等合金的铸件 既可降低成 本 又不影响质量 适用范围 1 不锈钢 耐热钢 碳钢 铸铁 有色合金等精铸件 2 铸件表面质量要求较高 R a 6 3 1 2 5 尺寸精度C T 4 C T 6 的铸件 3 铸件净重在2 0 千克以下的中小件 改进方向 1 莫来砂应经酸洗减少杂质含量 提高耐火度 达到1 7 5 0 以上 以便用于厚大件 6 2 0 大于2 0 厚的大件特大件 C 低温蜡 硅溶胶 型壳面背层涂料 撒砂均使用莫来石砂粉 对于 准质量 要求的精铸件不失为一种较好的组合 它具有涂料工艺性好 涂挂性等 成本低 耐火度高 来源广 热膨胀率均匀等优点 适用范围 l 碳钢 低合金钢 铸铁 铜铝有色件等 浇注温度在1 6 0 0 以下的合金 表面质量 R a 1 2 5 2 5 u r n 尺寸精度c T 5 C T 7 特别是砂型壳型铸件的代用品尤为适合 最适 用于大件 中小件 1 2 0 千克 改进方向 1 采用酸洗法降低莫来石砂粉中的杂质含量 尤其是 F e 2 0 3 及游离铁含量和碱金属 适用范围 改进方向 碱土金属含量 提高其耐火度及热化学稳定性 可用与碳钢特大件及中小不锈钢件 2 采用优质的莫来石粉进行级配 可望提高涂料的致密性可获得 R a 6 3 1 2 5 的表面 粗糙度 若同时加入石英粉料更可改善其脱壳性 面层涂料用锆石粉 撒混合石英砂 背层