精铸专用刚玉在熔模精密铸造中的深度应用研究

1、郑州大禹化工产品有限公司摘要摘要:刚玉材料用于中国的精密铸造行业已有很早历史,在国外也被大面积使用,近年来由于受使用习惯,工艺水平,涂料制备方法,冶炼工艺及刚玉特性等的多方面因素制约,导致刚玉材料在我国的精密铸造制壳中未能大面积应用.2010年以来受到了单一的锆英材料的价格飞涨的直接不利影响,很多精铸企业的制壳成本不堪重负.本文旨在为了精铸企业在制壳面层材料上能多一种优化的选择,通过大量的生产试验及应用经验全面深入的对刚玉材料及锆英材料做以对比和剖析,以供精密铸造工作者参考.关键词关键词:制壳,面层,精铸专用刚玉,锆英,成本,涨价刚玉和锆英的基本性质刚玉和锆英材料目前在熔模精密铸造型壳中的实际

2、应用刚玉材料的性能优点刚玉材料的性能缺陷在熔模精铸生产中刚玉材料的应用发展的方向结论白刚玉是以优质的铝氧粉(氧化铝粉)为原料，经高温电熔冶炼而成，它具有颜色洁白、硬度高、韧性稍低、纯度高、自锐性优、磨削力强、发热量小、效率高、耐酸碱腐蚀、耐高温、热稳定性好等特点，它不但是高级的磨料磨具材料，且还是高级研磨、抛光材料等，用它加工制成的磨具，适用于磨削高碳钢、高速钢及各种不锈钢。它还广泛适用于精密铸造、钢铁耐火、化工耐火、95电 瓷、装饰瓷等特种陶及日常生活用瓷，以及军工、电子等高科技行业。白刚玉晶格组织白刚玉晶格组织白刚玉白刚玉原块原块耐火材料化学指标耐火材料化学指标磨料磨料化学成份化学成份白刚

3、玉砂白刚玉砂白刚玉是以优质的铝氧粉(氧化铝粉)为原料，经高温电熔冶炼而成，它具有颜色洁白、硬度高、韧性稍低、纯度高、自锐性优、磨削力强、发热量小、效率高、耐酸碱腐蚀、耐高温、热稳定性好等特点，它不但是高级的磨料磨具材料，且还是高级研磨、抛光材料等，用它加工制成的磨具，适用于磨削高碳钢、高速钢及各种不锈钢。它还广泛适用于精密铸造、钢铁耐火、化工耐火、95电 瓷、装饰瓷等特种陶及日常生活用瓷，以及军工、电子等高科技行业。棕刚玉是以铝矾土、焦碳（无烟煤）、铁屑为主要原料，在电弧炉内经高温熔炼提纯结晶而成，它具有硬度高、韧性大、颗粒锋锐、磨削力强、耐高温、效率高等特点，是优质的磨料磨具材料和高级耐火材

4、料。用它制成的磨具，适用于磨削抗张强度较高的金属，可切割、磨削各种通用钢材、碳素钢、一般合金钢，可锻青钢、硬青钢等，也可以作为高级耐火材料，广泛用于钢铁、化工及其它行业。棕刚玉原块棕刚玉粉棕刚玉砂棕刚玉是以铝矾土、焦碳（无烟煤）、铁屑为主要原料，在电弧炉内经高温熔炼提纯结晶而成，它具有硬度高、韧性大、颗粒锋锐、磨削力强、耐高温、效率高等特点，是优质的磨料磨具材料和高级耐火材料。用它制成的磨具，适用于磨削抗张强度较高的金属，可切割、磨削各种通用钢材、碳素钢、一般合金钢，可锻青钢、硬青钢等，也可以作为高级耐火材料，广泛用于钢铁、化工及其它行业。 锆go砂亦称锆英砂、锆英石，是一种以锆的硅酸盐(Zr

5、2SiO4)为主要组成的矿物。纯净的锆英砂为无色透明晶体，常因产地不同、含杂质的种类与 数量不同而染成黄、橙、红、褐等色，结晶构造属四方晶系，呈四方锥柱形，比重4.64.71，比重的变化有时与成分和蚀变状态有关锆英石解理不完全，均匀莫氏硬度为78级，折射率1.932.01，理论完全熔点随所含杂质的不同在21902420内波动。主要化学组成为ZrO2；SiO2，及少量 Fe2O3、CaO、AI2O3等杂质。锆英砂的理论组成为ZrO2：67.1%；SiO2：32.9%。它是ZrO2-SiO2系唯一的化合物。但天然锆砂仅含约4066%ZrO2。锆英石是一种主要由火成岩形成时从岩浆中结晶出来的锆、硅和

6、氧组成的矿物。锆英石也产于岩脉和 变质岩中。它属四方晶系，常呈发育良好的锥状小四方柱体，也成不规则粒状。性脆，断口贝壳状。是优质的耐火材料。多与钛铁矿、金红石、独居石、磷钇矿等共 生于海滨砂中，经水选、电选、磁选等选矿工艺分选后而得到。锆英砂（锆英石）极耐高温，其理论熔点高达2000以上。并耐酸腐蚀。世界上有80%的直接用于铸造工业、陶瓷、玻璃工业以及制造耐火材料。少量的用于铁合金、医药、油漆、制革、磨料、化工及核工业。极少量的用于冶炼金属锆。面层涂料:白刚玉粉,棕刚玉粉,锆英粉(均为一级)面层撒砂:白刚玉砂,棕刚玉砂,锆英砂(均为一级)白刚玉粉:用于不太复杂的铸件面层涂料,包括碳钢,不锈钢,

7、高温合金,锰钢等碱性钢种及有色金属铸件.棕刚玉粉:碳钢铸件面层涂料,复合型壳面层涂料锆英粉:除锰钢等碱性钢种之外的铸件的面层涂料面层撒砂:白刚玉砂,棕刚玉砂,锆英砂均有使用,选择控制好粒度即可,一般来说,大件撒砂粒度较粗(50/100,40/70),小件撒砂较细(80/120,90/140)粉料应为较宽粒度分布的级配粉精铸专用刚玉粉浆+精铸专用刚玉砂锆英粉浆+锆英砂锆英粉浆+精铸专用刚玉砂(精铸专用刚玉粉+锆英粉)浆+精铸专用刚玉砂锆英粉浆+(锆英砂+精铸专用刚玉砂)(锆英粉+熔融石英粉)+锆英砂高纯刚玉粉浆+高纯刚玉砂锆英面层同精铸专用刚玉面层铸件对比。锆英面层同精铸专用刚玉面层铸件对比。锆

8、英面层同精铸专用刚玉面层铸件对比。锆英面层同精铸专用刚玉面层铸件对比。在河北锰13材质铸件上的成功应用(高纯刚玉粉浆+高纯刚玉砂)锰13这种钢号,之前用石英材料和锆英材料都不行,采用硅溶胶-水玻璃复合工艺:1 面层浆料配制:硅溶胶+高纯刚玉粉,粉液比1: 3.03.2,粘度值3740秒2 二层浆料配制:在面层浆料中加入硅溶胶,使粘度值为1819秒3 面层和二层,均撒高纯刚玉砂.4 面层和二层在温度24度,湿度60%65%的环境条件下干燥,面层干燥4小时,二层干燥8小时.5 从第三层开始,采用水玻璃工艺。在江苏选用高纯刚玉做面层、二层、三层制壳耐火材料，配之局部冷却措施，可以解决特殊的马氏体不锈

9、钢叶片铸件麻点、麻坑的铸造缺陷；对于大平面薄壁铸件，采用增设工艺钉的方法，能够解决铸件表面的龟裂缺陷。具体制壳工艺:硅溶胶+专用白刚玉粉面层浆料之粉液比：1：3.15，粘度值：33s36 s，面层撒砂：80120目专用白刚玉砂第二层做预湿，采用第一层的浆料，粘度17s18 s，撒80100目专用白刚玉砂。第三层做预湿，采用第一层的浆料，粘度1819s,撒4070目专用白刚玉砂。第四层不做预湿，采用莫来粉浆，撒3060目莫来砂。第五层不做预湿，莫来粉浆，粘度14s,撒1630目莫来砂。用莫来粉浆封层。由于刚玉砂材料颗粒本身具有一定的显气孔率,因此面层撒砂具有较强的吸湿性。已经在温州等地大型不锈钢

10、阀门铸件面层应用成功并广泛用于生产。刚玉材料的性能缺陷刚玉材料的性能缺陷刚玉粉涂料面层残留强度高,容易在铸件过热处形成机械粘砂,造成清理难度加大,主要是一些复杂的五金件及沟槽较多的其它铸件刚玉砂粒型不规则,容易造成型壳面层不致密.(采用淋砂机增加重力以使砂粒同面层涂料很好嵌入,并适当降低二层涂料粘度,以使二层涂料更好渗入面层空隙.)刚玉砂粉颗粒存在一定数量的显气孔,由于显气孔的迅速吸湿性容易导致面层涂料的变形而造成铸件表面光洁度不好及毛刺的产生.(适当加大面层干燥的湿度及缩短干燥时间)由于显气孔的吸水性客观存在,如果型壳烧不透,容易在浇注过程中产生蒸汽或其它气体而使铸件表面局部产生气孔,(提高

11、焙烧温度及延长焙烧时间)黏度够;密度大(粉液比高),耐火度够黏度够:目的是为了达到好的湿强度;密度大(粉液比高):获得致密的型壳面层,使得铸件表面光洁;耐火度够:面层涂料不会被熔化,有好的高温强度。湿强度好,高温强度高,残留强度低.以上黏度够;密度大(粉液比高),耐火度够解决了湿强度,高温强度的问题,从理论上好似也解决了表面光洁度问题,但是表面光洁度有一个前提必须是脱壳后,因此脱壳难易程度将对铸件表面质量起到直接作用。粉料的耐火度不必要求过高,主要应考虑耐火粉料自身或与涂料中其它组分之间及与撒砂材料之间的反应烧结性,此时要求其烧结点接近铸造合金的浇铸温度,能在浇铸过程中生成新相或产生轻度烧结,

12、或完全熔融,涂料层呈陶瓷态或高粘度的玻璃态,能抵抗金属液渗透,并且冷却后易于与铸件剥离,得到表面光洁的铸件,这种涂料称之为烧结剥离型涂料。烧结剥离型涂料的耐火粉料一般为复合型,即由多种能在金属液浇铸温度下相互烧结的粉料构成,也可在一种粉料的基础上添加相应的助熔剂(或氧化剂),以使粉料产生适度烧结和熔融。从这个理论我们可以看出符合此烧结剥离理论的涂料和耐火粉料才易于清壳,才能真正低成本获得光洁的铸件表面。使用烧结温度比金属的浇铸温度低50100,能发生轻度烧结的耐火材料,以 形成致密的涂层。 在涂料耐火骨料中配入某些助熔成分,在浇注温度下适度熔融,形成一层致密无缝的玻璃体。 选用细粒度的耐火粉料

13、。一般要求粉料粒度能全部过325目(40m),其中10m的应占15%20%为宜。锆英粉硅溶胶涂料的粉液比按3:1计,则面层涂料层干燥后锆英粉同硅溶胶中活性纳米级二氧化硅的质量比约为10:1,二氧化硅同氧化钠的质量比约为60:1,即面层涂料中的锆英粉:二氧化硅:氧化钠=600:60:1(按质量)在型壳焙烧的过程中所有的氧化钠将通过1:1的比例同二氧化硅生成硅酸钠,而硅酸钠的熔点约为1100,如果正好型壳的焙烧温度在1100以上,那么硅酸钠将全部变成液相玻璃相,正好修补好所有的面层孔隙,由于硅酸钠玻璃相很少,对型壳面层的强度不造成任何不利影响,需要说明的是由于型壳焙烧条件的限制,这个过程不一定会发

14、生,也就是说焙烧温度的精准性受限,又加上液相点正好也是1100,因此硅酸钠玻璃相不一定会在烧壳过程中出现,即便出现因为微量我们肉眼也难以观测到。浇铸温度远远高于1100,考虑到型壳面层的温度梯度的影响,浇铸时型壳面层的温度也远远高于1100,因此这时型壳表面一定有液相玻璃态物质出现,液相分为三种玻璃态及氧化亚铁液相:硅酸钠(1100),纳米二氧化硅(烧结900),铁橄榄石(1205),氧化亚铁（1370），在面层同钢水之间形成一层若有若无的液相隔离层,钢水同玻璃相互不相溶钢水的凝固点均高于三种玻璃相物质,因此铸件表面先于凝固成型,而三种液相之后陆续冷却成固相,同铸件表面基本脱离.因而残留强度很

15、低. 。刚玉粉硅溶胶涂料的粉液比按3:1计,则面层涂料层干燥后刚玉粉同硅溶胶中活性纳米级二氧化硅的质量比约为10:1,二氧化硅同氧化钠的质量比约为15:1,即面层涂料中的刚玉粉:二氧化硅:氧化钠=150:15:1(按质量)在型壳焙烧的过程中所有的氧化钠将通过1:1的比例同二氧化硅生成硅酸钠,而硅酸钠的熔点约为1100,如果正好型壳的焙烧温度在1100以上,那么硅酸钠将全部变成液相玻璃相,正好修补好所有的面层孔隙,由于硅酸钠玻璃相很少,对型壳面层的强度不造成任何不利影响,需要说明的是由于型壳焙烧条件的限制,这个过程不一定会发生,也就是说焙烧温度的精准性受限,又加上液相点正好也是1100,因此硅酸

16、钠玻璃相不一定会在烧壳过程中出现,即便出现因为微量我们肉眼也难以观测到。在硅酸钠生成的同时,另外的反应也发生了,刚玉粉同剩余的活性纳米二氧化硅反应生成莫来石相,此反应在型壳培烧过程中不能反应完全,但已经生成少量的固相莫来石(软化点1650-1700),熔点1800以上在浇铸过程中型壳面层同钢水之间存在很少量的硅酸钠玻璃液相,且不足以形成连续的液相,只能修复型壳表面孔隙,同时莫来石继续生成而且始终为固体,而莫来石的强度很高,特别是在涂料层较厚的过热部位莫来石的生成量较大,另钢水少量氧化生成的液体氧化亚铁也同刚玉反应生成强度更高的铁铝尖晶石，因此铸件凝固后在这些部位由于残留强度高而出现局部机械粘砂

17、(用外力脱壳清理后,铸件基体表面质量良好) 。从以上2种粉料的涂料脱壳机理来分析,不难看出,关键是低熔点的玻璃态基质没有在刚玉粉涂料面层界面适量出现,从而导致涂料层相对于铸件的剥离性差. 基于此,我们认为应从以下方面来解决改善刚玉粉型壳的脱壳性能:从刚玉粉材料本身的性能改善上持续加大力度,主要是解决残留强度高的问题,使之接近或达到锆砂的标准,甚至超越锆英砂近些年,我们主要从材料内部引入相变机制从而形成微观微裂纹来降低残留强度的方法,虽然取得了很大进展,但是还没有彻底解决精铸专用刚玉的脱壳难问题.根据以上剥离理论分析,下一步和现在我们正在相变的基础上再引入玻璃相机制,从而类似于锆英材料的脱壳机理

18、.从工艺水平上彻底解决刚玉材料在制壳过程中使用方法问题在能满足充型要求的前提下尽量降低浇铸温度在铸件凹槽,拐角等热节部位尽量避免涂料堆积详细评估清理难带来的成本增加我们将加大对精铸行业的精铸技术支持力度其他方法。通过最近几年的大量生产实践证明,刚玉特别是精铸专用刚玉材料在熔模精铸制壳面层中使用是可行的.如果能彻底解决其残留强度问题,则刚玉材料同锆英砂一样可以在精铸制壳中大面积大范围应用.刚玉材料厂商应投入科研力量从材料本身出发来解决问题,同时精铸厂商应积极从工艺方法调整上来确定更完善的工艺从而解决问题,两者应互相配合.目前除了特别复杂结构的铸件应用精铸专用刚玉粉存在脱壳性问题,及表面要求特别高的铸件外,其它类型铸件的制壳面层均可以正常使用.刚玉由于其人造的特点,必须根据精密铸造使用的特点和要求经过级配及适当改性处理才能真正满足整个熔模精密铸造行业的制壳使用刚玉和锆英的基本性质刚玉和锆英材料目前在熔模精密铸造型壳中的实际应用刚玉材料的性能优点刚玉材料的性能缺陷在熔模精铸生产中刚玉材料的应用发展的方向1 姜不居，熔模铸造手册M，北京，机械工