熔模精密铸造型壳耐火材料的合理选择.doc

熔模精密铸造型壳耐火材料的合理选择一前言制壳是精铸四大生产工序中对精铸质量影响最大的工序，其次才是焙炼浇注后处理及制蜡模。统计表明精铸件中有6070的返修品或废品是由型壳质量不良而造成的。例如铸件表面缺陷常见的有：飞翅（披锋）、流纹、毛刺、铁豆和局部穿钢、气孔、针孔、分层、落砂、鼓胀或凹陷、变形、开裂。这些缺陷大部分是因型壳表面有裂纹，蚁孔，气泡，局部涂料堆积干燥（硬化）不透或型壳退性，透气性差，焙烧不透，高温吸气等因素产生的。影响型壳质量的主要因素有：1制壳原辅材料：包括耐火材料、粘结剂、硬化剂等2制壳生产环境：包括温度、湿度、风速、风量等3制壳操作水平：工人操作技术高低、生产经验等4涂料的质量控制及制壳工艺的合理制定：涂料工艺性能的控制和调整及浇注系统，制壳工艺方法确定。其中型壳“耐火材料”的合理选用是保证型壳质量的关键因素之一。正确选用型壳的砂、粉料的基本原则是：高性价比。目前我国精铸件质量稳定性差、返修率、废品率居高不下。其中重要原因之一是：盲目选择质量低劣、价格低廉的耐火砂、粉料制壳。其目的是“节约成本”结果往往适得其反。不仅由于型壳质量波动造成精铸返修率，废品率上升，而且使后处理工序工时、生产成本大增。铸件补焊、打磨、抛丸、多次返覆，费工、费料、费时。其综合成本远超过型壳耐火材料“节约”的差价，得不偿失。不仅严重影响铸件表面质量和交货期，还使企业信誉受损。这是我国精铸企业普遍存在的现状。特别是在国内已有60年生产历史的水玻璃型壳生产企业这一问题更为突出。二、精铸型壳用耐火材料类别及性能：1、表面层型壳用耐火砂、粉料 主要有：锆英石、电熔白刚玉、熔融石英、精制石英。少数工厂用优质、低FeO%含量的高岭石砂粉料。2、背层用铝硅系耐火料类别 石英玻璃 透明 （SiO299.96%） 1713 水晶石 -石英(SiO2 98%)-熔融石英-| (熔融) 不透明-(优质石英砂制)SiO299%| 软质粘土-耐火粘土(生料)-生料或轻烧料(800-900)| (Al2O3=25-32%)铝|-粘土质耐火料- 高岭石(高岭石含量95%)| （Al2O325-48%） 煤矸石硅| 耐火度t 1580) 硬质粘土高岭石(熟料)- 焦宝石| (Al2O332-48%)(1250-1350煅烧) 上店土系| 莫来卡特(MOLOCHITE英国)| 雷马斯(REMASIL美国)耐|火| 特等-Al2O3:90%(刚玉质)料| 一等-Al2O3:80-90%(刚玉-莫来石质)|-高铝质耐火料- 二等甲-Al2O3:70-80%(莫来石-刚玉质)| (铝矾土熟料) 二等乙-Al2O3:60-70%(莫来石质)| 三等-Al2O3:48-60%(低莫来石质)| (Al2O345-90%)| (1500-1750煅烧)| -电熔刚玉(Al2O398.5%)-棕刚玉（Al2O395） (白刚玉)(2000-2400熔融)3、精铸常用耐火料性能汇总 表一项目 名单 称位锆英石石英石熔融石英耐火粘土高岭石铝矾土电熔刚玉分子式ZrO2SiO2(ZrSiO4)SiO2SiO2Al2O32SiO22H20Al2O32SiO22H20Al2O3H20-Al2O3熔点2350171317131670-17101750-178718002030-2050耐火度20001680170015801700-190017702000膨胀系数X10-7(1/)(0-1200)4612355050-8086真实密度g/cm34.5-4.92.62.02-2.182.62.62-2.653.1-3.54.0硬度莫氏7-876-71-2-5-59传热系数w/m2-k2.094(2000)0.558(1500-1400)1.549(1200)5.276(1200)化学性质弱酸性酸性酸性酸性弱酸性弱酸性酸性主要化学成分%ZrO265-66SiO298SiO299Al2O325-32Al2O335-48Al2O348-90Al2O398.5杂质含量Fe2O3%0.10.10.051.0-4.00.6-1.21-20.1Cao+MgO%0.05-0.11.00.51.0-3.00.71.0Na2O+K2O%0.05-0.10.11713生料或轻烧(800-900)1250-13501500-17002000-2400三型壳耐火材料的技术要求1制壳用耐火材料种类并不多。主要分涂料配制用的耐火材料及撒砂料。其中硅溶胶型壳由于是全球精铸业通用的制壳工艺因而耐火材料也较统一。如表面层大多用锆英粉、砂。过渡层和背层绝大多数采用铝硅系中的高岭石砂、粉料。水玻璃型壳应用的砂粉料种类繁多，表面层常用：精制石英砂粉、白刚玉（大部分用两层）。背层多用：生耐火粘土（常加石英粉）高岭土，铝矾土及废匣钵，陶瓷或耐火砖砂粉料。2 型壳耐火材料选用的基本原则：由于型壳材料成本占铸件制造（生产）成本中比重较大，一般每吨合格铸件的耐火材料（型壳）消耗量为1.01.5吨（大件小件）。水玻璃型壳多为生产1100kg中大件，目前平均基准生产成本为8元/kg其中制壳材料成本约为1.0元/kg。耐火材料成本平均0.06元/kg（合格铸件）。硅溶胶型壳（中大件为主）型壳材料成本为5.0元/kg（合格铸件）其中耐火材料约为4.0元/kg（硅溶胶为1.0元/kg)。水玻璃型壳耐火材料成本占生产总成本的7.5%而硅溶胶型壳则占17.4%主要因为硅溶胶型壳仅表面层锆英石砂粉成本高，平均（200g铸件）每吨消耗约200kg锆英石砂粉。按目前12元/kg计2.40/kg（合格铸件）（加上背层耐火材料为4.0元/kg）。水玻璃型壳生产的铸件大部分为中大件，若平均净重20kg的铸件其比表面积Sd仅为200g铸件的1/5。因而其每吨铸件的耐火材料消耗少得多（如复合型壳表面层用锆英石砂、粉仅为40kg/吨（合格铸件）。综上分析：对于水玻璃型壳目前大多数企业使用的耐火料成本很低，为保证型壳（铸件质量）适当提高耐火砂粉量的档次（如采用铝矾土熟料粉及高岭石熟料砂作背层）以保证型壳质量是必要的。目前我国水玻璃型壳平均铸件返修率在70%，废品率在10%而硅溶胶则为40%及5%，高性价比是耐火料选用的基本原则，水玻璃涂料中的粉料采用生料或半生料（轻烧）耐火粘土虽然仍有较高的耐火度由于水玻璃型壳透气性远比硅溶胶高，即使在850900焙烧也能具有较高的强度及透气性，但生料或半生料涂料胶质价高，粘度及厚度（覆盖性）变化大型壳质量波动也大，铸件质量难以稳定。至今还有许多工厂仍在采用填砂浇注，早在上世纪70年代我国精铸界已推广应用铝矾土熟料高强度水玻璃型壳重100kg的铸件也能裸壳浇注铸件，质量和稳定性均能得到保证。硅溶胶型壳由于锆砂粉价昂稀缺，全球精铸界都在千方百计寻求代用品，不仅由于其成本过高（占制壳成本的50%，生产总成本的17.4%）而且优质资源越来越缺乏。四耐火材料的技术验收条件1硅溶胶型壳常用耐火料：锆英石、白刚玉、高岭石砂粉等我国均有相关技术标准：CICBA/C02.09-1999、CICBA/C02.10-1999、CICBA/C02.12-1999、HB5349-86、HB5347-81、HB5348-86(航空工业标准）等。2水玻璃常用的耐火料：精制石英砂粉、白刚玉砂粉及铝矾土、煤矸石也有国家及行业标准如GB/12214-90、GB/12215-90、CICBA/C02.11-1999等。3上述标准中对耐火材料的物理性能化学成分等均有明确规定。但仍需补充以下几项技术要求因为它们对型壳及铸件质量影响甚大:砂粉料中游离铁（磁性物）含量FeO%，表面层涂料中的粉料及撒砂料中的FeO%含量将直接影响型壳及铸件表面质量。FeO%常常会在铸件表面出现“麻点”缺陷在浇注不锈钢时还会造成表面烧结层（无论打磨、热处理、酸洗均难以消除的硬皮）实际上是FeO与MnO,CrO等形式低熔点液相，在高温焙烧型壳或浇注温度下形成液相烧结层。化学成分中的化合铁Fe2O3对铸件的危害远不及游离铁（加工材料过程中混入的机械铁磁性物严重。毕竟，化合铁在浇注温度（1700以下）不会产生化学粘砂，而游离铁与杂质的混合物在800-1250时就会呈液相，这不仅影响铸件表面质量，而且严重恶化脱壳性能。用JS-GI型磁性物测定仪（郑州磨具磨料磨削研究所生产），可以准确快速测定砂、粉料中FeO%（磁性物）含量。也可采用JB/T6170-2007（普通磨料）磁性物含量测定方法，或手工用强磁（4000高斯以上）对砂、粉（100g）反复吸收，精确称量。型壳耐火料中FeO%含量要求值（建议指标） 表二材料锆英石(面层)白刚玉(面层)高岭石(背层)铝矾土(背层)项目砂粉砂粉砂粉砂粉FeO%0.0050.0100.0050.0100.050.100.050.10不同加工方法生产的耐火砂粉料FeO%含量 表三材料锆英石白刚玉高岭石项目砂粉砂粉砂粉FeO%A0.00110.0012/B0.0050.0100.00050.00120.0170.0643C0.02530.0700.00570.06420.0270.3106注：1A、B、C为不同生产厂家提供样品。2锆英石A进口澳大利亚原包装粉料及砂料。 B进口澳大利亚砂，国内加工成粉（氧化铝球、衬板） C进口澳大利亚砂，国内加工成粉（钢质磨球、衬板）3白刚玉B精铸用砂、粉（氧化铝球衬板加工）。 C磨料用砂、粉（钢板、钢球加工）325目粉及80/120目砂。4高岭石B回转焙烧窑，16/30目砂料煅烧（磨粉）。 C立式窑，块状30-50生料煅烧，再磨加工成砂粉。由上可知：由于耐火材料由砂磨加工成粉，所用的磨球和衬板材料不同，其粉料中游离铁含量相差几倍到几十倍。无论是用于表面层型壳（或背层）的砂粉料，均应除净FeO%，防止在高温焙烧或浇注钢液时产生化学粘砂，影响铸件表面质量和脱壳性能。背层（或过渡层）中的铝硅系耐火料（高岭石或铝矾土），应尽可能采用经充分煅烧（1250-1400）的熟料，不要因价廉而采用生粘土或轻烧高岭石料（800-900煅烧），其胶质价高，遇水会膨胀，涂料工艺性能及硬化难控制，焙壳也限于850以下型壳易变形和开裂。由于涂层厚度大，型壳总厚度比熟料约大一倍，型壳焙烧时间也增加近一倍，能源消耗成本也高，并不经济。对于水玻璃型壳尤为重要，这也是数十年来这一型壳工艺很难生产出高尺寸精度、优质表面的铸件也是其返修率、废品率居高不下的主要原因之一。判断型壳耐火料的煅烧是否充分，只要根据行业标准中规定的烧失量（灼减）来检测。（要求0.5%）（GB/T6901-2004或GB/T6900.1-6900.11-1986）。简易方法可取耐火粉料100g（150烘干，去除水分后再测），精确至0.01g（电子天平称量）放置在陶瓷或不锈钢容器中放入型壳焙烧炉（1000-1200），保温2小时以上，再冷却后称量其烧失重量，即可知耐火料是否已煅烧彻底（粉料比砂料反应更灵敏）。煅烧不透之粉料或轻烧料常会0.5%，一般在1-3%之间（煤矸石因含一定量之“煤”，其1.0%为宜）。曾将充分煅烧之高岭石按此法测定=0.3%而未煅烧彻底的高岭石则为=2.5%（脱壳性极差，型壳高温强度抗变形能力也差，常开裂及漏钢）。高岭石与低品位铝矾土化学成分相近（Al2O3=40-46%），但其矿物组成不同，高岭石中水铝石含量常低于5%（高岭石含量95%），而低级铝矾土则水铝石含量常大于10%，而高岭土石含量常90%，水铝石含量高则型壳脱壳性较差，因而水玻璃型壳背层用耐火熟料以Al2O3=60-70%的二等乙级为最佳（杂质少，脱壳性好，成本低且莫来石相含量也最高，型壳高温性能最佳，性价比也高于刚玉）（图三）。至今尚未简便方法来判别这两种矿相组成，硅溶胶型壳仍应以硬质高岭石（高岭土）或煤矸石作背层耐火料，因其型壳高温强度是水玻璃型壳的6.7倍而残留强度则高2.8倍，业内几乎从不用铝矾土作背层耐火砂粉的主要原因在此。耐火材料粒度的要求及测定：众所周知，无论是水玻璃或硅溶胶型壳，其涂料中粉料粒度及撒砂料的粒度均有一定要求。1表面层涂料的工艺性能直接影响到面层型壳和铸件表面质量，其中涂料的“致密性”K%或n尤为重要，即涂料中粉所占体积比越高则其致密性也高，型壳的致密度也高，铸件表面质量越好（可避免铸件产生毛刺、流纹、飞翅、分层等各种缺陷），当然，过高的致密度型壳透气性变差，而且涂料也易“老化”变质（使用寿命缩短），生产实践表明：硅溶胶型壳表面层涂料其最合适的粉液比n=3.8-4.5（K=50-54%），水玻璃涂料表面层（=1.280g/cm3，M=3.2-3.4，石英粉涂料n=1.2-1.4，（K=36.7-40.3%）。高致密性涂料要求：耐火粉料在一定粒度范围内，要粒径分散（粗粉细粉搭配相嵌），为保证涂层一定的厚度（覆盖性）及流动性，还必须要有一定的细粉含量%（0.2-10um粒径的粉料），采用激光粒度分析仪可以测定粉料级配和细粉累积含量%，但一般精铸厂很少购置这类仪器（利用率不高）。我们建议采用“标准”粘结剂来与待测标准配制涂料，通过检测其涂料工艺性能来判断粉料粒度和级配是否合格则是最简便实用的方法。所谓“标准粘结剂“是：硅溶胶和水玻璃常用的各项指标（指表面层涂料）。标准硅溶胶技术指标 表四SiO2%Na2O%密度(g/cm3)粘度X10-3Pa.5温度301%0.51.210.013-815-20标准水玻璃技术指标 表五SiO2%Na2O%密度(g/cm3)粘度X10-3Pa.5模数M温度221.07.00.11.28022-323.1-3.415-202表面层涂料工艺性能要求值 表六涂料工艺性能涂料工艺方案涂料工艺性能致密性流动性覆盖性n(粉液比)K%(粉料体积密度)（s）（粘度）（mm）涂层平均厚度锆英粉-硅溶胶3.8-4.550-54.235-45（4）0.08-0.09石英粉-水玻璃1.2-1.436.9-40.335-45（6）0.2-0.25（10kg）0.25-0.35（10kg）白刚玉粉-水玻璃1.9-2.238.4-4237.3-38.530-35（35-45（6）注：4美国詹比粘度杯4#(44ml, 4.27孔) 6中国标准粘度杯（100ml, 6孔）涂层重又称涂片重：60602mm （长宽厚）不锈钢片，美国ICI标准。 G=-10 式中：S涂层表面积（76.8cm2） S3取100g粘结剂加入粉料，充分搅拌均匀（磁力或机械搅拌最佳），涂料中加入JFC（润湿剂）0.3%及消泡剂0.05%（占粘结剂质量%）。测定涂料工艺参数值，以n（K%），及为准，合格时说明粉料粒度及其级配符合工艺（生产要求）。过渡层、背层也可按此法验收粉料（粉料化学成分应符合要求）。4理论上粉料虽然可用刷筛、震动筛分或冲水筛分法（由于300目即0.045mm粒径的粉，用上述方法难以准确，只能定性：如90%通过300目筛网之粉可确定其粒径，小于0.045mm占90%（重量）以上，但不能确认其准确目数（粒度）及粒径分布状况及细粉量%，这只能用粒度分析仪测定。5撒砂料要求相对集中，可以用震动筛方法进行测定。四各层型壳耐火料的合理选用型壳由多层涂料及撒砂组成，层间的结合是否合理，直接影响型壳整体质量，因而各层型壳的耐火料的合理选择十分重要。采用价昂的锆英粉砂，白刚玉砂作背层性价比低。同理将杂质含量高，热膨胀系数大的耐火料如高岭石、铝矾土或低品位的石英作面层型壳耐火料也不能获得优质表面的铸件。1要充分考虑计算耐火料的热膨胀系数，使型壳各层要匹配，否则在脱蜡、高焙和浇注时型壳全产生开裂、鼓胀、变形或漏钢，耐火材料的选用还要根据铸件财质、壁厚、净重等各种因素综合考虑。在硅溶胶表面层型壳中，若采用锆英粉涂料，撒熔融石英砂（背层仍为高岭石砂粉）在脱蜡时就会在型壳内表面出现网状“裂纹”，这是由于熔融石英石其值仅为510-71/，远比锆英粉4610-71/小得多，在脱蜡、焙烧或浇注时就会由于不匹配产生裂纹后改用精制石英（=123）和熔融石英各50%则其值为：=12350%+5.050%）=6410-71/与锆粉=46及高岭石=50接近，因而消除了裂纹（生产了10万件304连接圈铸件）。在水玻璃型壳中表面层用一层白刚玉砂、粉，而过渡层及背层用高岭石砂（浇注不锈钢件），常在型壳焙烧时出现开裂后在过渡层或背层中加入50%石英粉，使由原5010-71/提高到=1230.5+500.5=86.5与白刚玉=86相匹配，消除了型壳开裂缺陷。曾浇注了近千组硅溶胶型壳，为改善脱壳性用100%普通石英粉作背层涂料、粉料（仍撒高岭石砂）。面层为锆砂、粉。在型壳焙烧后内表面层100%出现网状裂纹，铸件表面100%有飞翅（网状），后改用面层型壳撒白刚玉砂（100%），涂料为锆英粉-硅溶胶。在背层中采用60%普通石英粉，加40%高岭石粉。=1230.6+500.4=73.8+20=93.6，与白刚玉86接近，未见型壳裂纹及铸件表面出现飞翅且脱壳性大大改善。生产实践说明：在硅溶胶型壳表面层耐火砂粉料实行锆英石砂粉代用（用白刚玉或加入熔融石英），水玻璃型壳或复合型壳生产中均应考虑各层耐火材料的热膨胀系数匹配问题，防止型壳开裂、分层的缺陷产生。2不同粘结剂型壳应选用合适的耐火砂粉料。长期生产实践证实以下选择是合理的，不仅性价比高，而且能稳定和保证型壳的铸件质量。硅溶胶型壳：表面层以优质的锆英石砂粉为主要耐火料，通用性强，综合性能好，与大多数合金反应性低（高锰钢、钛合金等特殊合金除外）。密度高、热化学性能好是其最大优点，但优质资源稀缺，价格昂贵，选矿要求高，又是全球精铸界需要代用的重点对象。目前美国（2007年后）已有80%的精铸厂采用锆英粉与熔融石英粉各50%（重量）作面层涂料，其中20%的工厂则将熔融石英掺入量提高到75%（按体积占86.8%），撒砂面层大多数仍用锆砂，铸件尺寸精度、脱壳性提高，成本下降。我国精铸业目前不少工厂已用优质的白刚玉砂代替锆砂，而且少部分工厂已全部使用白刚玉砂、粉作表面层。也有一些厂采用各种材料代替了锆砂、粉，如用优质高岭石砂粉作表面层生产碳钢及低合金钢精铸件，或用高岭石砂代替锆砂（粉料仍为锆英石）生产耐热钢中大件出口国外，还有个别（尤其是艺术品铜铸件生产厂）用石英粉硅溶胶作1-2层撒石英砂，背层用水玻璃铝矾土粉（撒石英粉），生产5kg以下不锈钢精铸件及铜铸件，还有些厂采用锆粉70%加熔融石英粉30%配制面层涂料撒白刚玉砂生产不锈钢铸件。硅溶胶型壳背层绝大部分仍用高岭石，煤矸石砂粉为主。美国对尺寸精度要求极高（CT3以内）的精铸件采用混合涂料（含有高岭石粉、熔融石英粉、纤维及石墨），提高了背层型壳的脱壳性、透气性和抗氧化性（不用罩箱浇注），（撒砂用熔融石英砂）国内正在试用在背层涂料中加入60-70%普通石英粉以提高其脱壳性和降低残留强度。水玻璃型壳：最合理的耐火材料表面层（第1-2层）为精制石英粉（粒度270-300目），过渡层（第2-3层）用优质高岭石