教学材料《熔模铸造》-第三章

导语熔模铸造的铸型目前普遍采用的是用多层耐火材料制成的型壳。将模组浸涂耐火涂料后，撒上粒状耐火材料，经过干燥、硬化，如此反复多次，使耐火材料层达到所需的厚度为止，这样就在模组上形成了型壳，将其停放一段时间，使其充分硬化，然后熔失熔模、焙烧，便获得无分型面的耐火型壳。型壳的质量和性能对铸件精度和表面质量影响很大，因此，制壳是熔模铸造中很关键的一个环节。在熔失熔模时，型壳会受到体积正在增大的熔融模料的压力；在焙烧和浇注时，型壳各部分会相互牵制而产生不均匀的膨胀和收缩，使型壳内产生应力；在浇注时，型壳受高温金属液的冲力、压力及热冲击；金属还可能与型壳材料发生化学反应。下一页返回导语因此，要求型壳具有一定的性能，如小的膨胀率和收缩率；高的机械强度、耐火度和高温下的化学稳定性；型壳还应有一定的透气性，以便在浇注时型壳内的气体能顺利逸出。型壳的这些性能都与制壳时所用的材料及制壳工艺有关。制壳材料包括耐火材料、黏结剂、溶剂、硬化剂、表面活性剂等。其中耐火材料和黏结剂直接形成型壳，是主要的制壳材料。熔模铸造铸型大体可分为实体型和多层型壳两种，目前普遍采用的是多层型壳。多层型壳有的需要装箱填砂，有的不必装箱填砂，经焙烧后就可直接进行浇注，后者我们通常称之为高强度型壳。型壳最本质的特点是具有整体的、无分型面、发气性低的、光洁的型腔表面。熔模铸造能够获得表面光洁、尺寸精确的铸件，与型壳质量有着直接的关系，而型壳的质量又与制壳材料及制壳工艺有关。上一页返回3.1对型壳性能的要求优质的型壳对于获得优质的铸件是必不可少的。根据型壳的工作条件，对型壳提出了一些基本性能的要求。这些性能是：强度、透气性、热物理性能、热稳定性和高温下化学稳定性等。3.1.1强度强度是型壳最重要、最基本的性能。型壳应具有足够的常温和高温强度才有可能顺利地完成制壳过程并进行浇注。在脱蜡、焙烧和浇注时，型壳将受到各种应力的作用，若强度不够，型壳就会发生变形、裂纹或破碎从浇注开始至铸件凝固之前，由于高温液体金属的直接作用，型壳的工作条件极差，因此，对型壳的高温强度要求就显得更为重要。壳较长时间处于高温状态下，则还要求具有持久的高温强度。下一页返回3.1对型壳性能的要求随着铸件冷凝成形后，则要求型壳有好的退让性，也就是残留强度主要低，以免阻碍铸件收缩和便于脱壳清理。此外，型壳还应具有高的表面强度，以免因液体金属流的冲刷作用或搬运型壳时，内、外表层酥松、脱落。型壳的常温强度，主要是根据黏结物对颗粒材料的附着力和黏结物本身的内聚力以及型壳的宏观结构而定。对同一种黏结剂而言，型壳的强度随黏结剂与耐火材料的配比、耐火材料的粒度以及型壳的干燥硬化程度而变。不同的黏结剂型壳的强度也不同，在胶体SiO2

含量相同的情况下，水玻璃型壳常温强度一般要比硅酸乙酯型壳高些。型壳的高温强度，除了与影响常温强度的因素有关外，在加热过程中强度发生变化主要与黏结剂和耐火材料的性质及其组成有关。上一页下一页返回3.1对型壳性能的要求例如采用水玻璃作黏结剂时，由于在加热过程中有液相出现而引起型壳软化，这时型壳强度显著下降。化学硬化愈不充分，这一现象愈严重。在以水玻璃作黏结剂的涂料中加入耐火黏土作增强剂时，就可显著地提高型壳的高温强度。又如采用石英作耐火材料时，在加热过程中因石英发生多晶转变伴随着体积变化，也会使型壳强度降低。3.1.2透气性透气性是指气体通过型壁的能力。尽管型壳的壁厚不大，但由于结构比较密实，因此，其透气性远比普通砂型来得小。虽然型壳是经过焙烧后热型浇注的，但因型腔中及型壁孔隙中充满着空气，或残存着某些发气物质，浇注时空气或发气物质产生的气体发生膨胀，如果型壳透气性不好，则气体不能顺利地迅速自型腔向外排出，就可能使铸件形成气孔或浇不足等缺陷。上一页下一页返回3.1对型壳性能的要求总的来说，透气性主要取决于型壳结构的密实程度。而黏给剂的性质及含量、耐火材料的性质及粒度等均是影响型壳透气性的主要因素。随着温度升高，型壁中孔隙度增大以及裂纹的产生，会提高透气性；而高温烧结及因温度升高气体黏度增大，则会使透气性下降。必须指出，对提高型壳透气性有利的因素，往往是对型壳强度不利的因素。图3-1、图3-2所不为某些因素对型壳透气性的影响。3.1.3热膨胀性物体受热时发生体积膨胀的现象称为热膨胀。型壳的热膨胀性主要取决于所用耐火材料的化学矿物组成。随着温度升高，膨胀增长量可能是均匀的，如电熔刚玉；也可能是不均匀的，如石英砂，在加热过程中由于发生多晶转变而引起体积变化的不均匀。上一页下一页返回3.1对型壳性能的要求试验表明，在制壳时，若配制涂料所用粉料与撒砂材料为两种不同的耐火材料，型壳的热膨胀性主要受膨胀量大的那种耐火材料的影响。应当指出，热膨胀性是型壳的一个重要性能，它与铸件精度有着直接的关系，精铸不精很重要的一个原因是由于制壳耐火材料热膨胀量大而不均匀所造成的。为了保证铸件有足够高的精度，往往要求采用热膨胀量小而均匀的耐火材料（如电熔刚玉、硅线石、莫来石等）。此外，热膨胀性还对型壳的热稳定性有着决定性的影响。3.1.4热稳定性热稳定性亦称抗急冷急热性或抗热冲击性，它是指型壳抵抗因温度急剧变化而不开裂的能力。上一页下一页返回3.1对型壳性能的要求型壳在焙烧或浇注时，要求具有良好的热稳定性。因为此时内表层同高温液体金属直接接触，受到剧烈的热冲击瞬时间内表层温度突然升高，而型壳的外层温度上升较慢（升温速度取决于型壳的导热能力）。这样，沿着型壁厚度上就存在着温度差，相应地各层间的热膨胀量也不同，因而就产生了热应力，内层受压应力，外层受拉应力当应力超过型壳在该温度下的强度极限时，就产生自外表面向内的裂纹，严重时则贯穿于整个型壁而造成型壳破裂。热稳定性是型壳的一个重要性能，而应力的产生是使型壳破裂的主要原因。型壳发生破裂的可能性是随着热膨胀系数、弹性模数以及液体金属和型壳的温差之减少而减少；随着型壳的导热系数和强度极限之增大而减少。上一页下一页返回3.1对型壳性能的要求实践证明，影响型壳热稳定性的主要因素是型壳的热膨胀性以及浇注时液体金属与型壳的温差。石英的热膨胀系数大，且在加热过程中发生多晶转变时伴随着体积膨胀，因此，用石英砂（粉）制成的型壳热稳定性差，浇注时型壳的温度不宜太低。如要进行低温或冷型壳浇注，就应采用热稳定性好的制壳耐火材料（如铝-

硅系耐火材料）。此外，型壳的结构也对应力有一定的影响。例如，采用粒度较粗的撒砂材料，因使型壁中的孔隙增大，这样，当型壳受热膨胀时，颗粒之间可作微小的位移，从而减少内应力。3.1.5高温下化学稳定性高温下化学稳定性是指型壳与高温液体金属接触时不发生相互化学作用的性能。型壳的高温下化学稳定性如果不好，浇注后容易与金属发生相互化学作用而造成铸件某些表面缺陷，如黏砂、麻点等。上一页下一页返回3.1对型壳性能的要求型壳的高温下化学稳定性主要取决于制壳原材料的性质及其中有害杂质的含量。既然是由于相互作用的结果，因而也与浇注金属本身的性质有关，此外，还与浇注过程中周围的气氛有关。例如，用水玻璃-石英砂（粉）制得的型壳，当原材料中氧化铁及碱性氧化物（如CaO、MgO、K2O及Na2O）等有害杂质含量不超过许可范围时，浇注碳索钢铸件并不发生黏砂，然而浇注高锰钢铸件，就会产生化学黏砂。这是由于型壳中的SiO2

在高温下的化学性质是属于酸性，而高锰钢因氧化所形成的MnO会与SiO2

形成一系列的低熔点化合物。又如用石英砂（粉）的型壳浇注含镍、铬的合金钢铸件很容易产生麻点。但当以刚玉或锆英砂代替石英砂制壳时，则麻点就显著地减少。因此，在选用制壳原材料时，应同时考虑到浇注合金的种类及其性质。上一页返回3.2制壳耐火材料耐火材料是制造型壳的基本材料。型壳的一些主要性能都与耐火材料的物理、化学性质有关。按其定义来说，耐火材料的耐火度应不低于1580℃，且具有一定的热稳定性、高温下化学稳定性和结构强度。作为熔模铸造的制壳材料，除了耐火材料这些应有的性质之外，还应有合适的粒度、强度和透气性的要求；在常温下不与黏结剂起化学作用，以免影响涂料的性质，同时，应来源丰富易得、价格便宜以及对人体健康无严重不良影响等。国外制壳耐火材料使用情况是：面层用的耐火材料有石英、硅线石及锆英石，以后石英及硅线石不用了，而使用高岭石类耐火黏土、电熔刚玉及石英玻璃等。加固层耐火材料旱期曾用硅线石，随后主要用石英玻璃、耐火黏土熟料、石英及锆英石等。下一页返回3.2制壳耐火材料至1968年后石英玻璃、高岭石类耐火黏土得到进一步使用，也开始使用莫来石，而硅线石则不用了。此外，也还有用氧化镁、氧化钙等作为制壳耐火材料。在国内，最初是用石英及电熔刚玉两种。后来又采用了铝-硅系耐火材料，如耐火黏土及耐火熟料（铝矾土熟料）以及锆英石。耐火材料的化学成分主要是一些氧化物及其化合物。按其高温下的化学性质有酸性、碱性及两性的。熔模铸造中常用的几种制壳耐火材料的主要物理、化学性质列于表3-1。图3-3所不为壳耐火材料的线膨胀曲线。3.2.1石英石英是二氧化硅（SiO2）在自然界存在的一种形态。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料铸造用的石英砂（粉）可分为天然的和人造的两种，前者来自河岸或砂丘上，后者是由石英石经机械破碎而成。石英砂（粉）是一种来源丰富、价格低廉的制壳耐火材料。熔模铸造通常采用的是人造石英砂（粉）。SiO2

因是兼有离子键和共价键结合的氧化物，所以它是一种具有复杂同质多晶转化的物质，共有七个基本晶型变体和一个非晶型变体，即

石英、

石英、

鳞石英、

鳞石英、

鳞石英、

方石英、

方石英及石英玻璃。加热时发生的多晶转化，石英晶体颗粒体积发生膨胀，膨胀有两方面的原因：一是因温度升高产生的热膨胀，二是在温度升高时因石英相变而发生相变膨胀。随温度升高的热膨胀比较缓慢，对型壳质量影响较小，而石英的相变膨胀对型壳质量影响较大，应子以高度重视石英存在着复杂的同索异晶现象，如图3-4所示。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料自然界的石英多为尽石英。始加热时，尽石英随温度升高而均匀膨胀，在573℃时转变成

石英，因晶型转变而发生突然膨胀（相变体积膨胀达0.82%）

石英在870℃以上会转变成

鳞石英，但转变很慢，升高温度虽可以加快转变，即使在1250℃～1350℃亦需要1小时左右才能完成，此时体积增大。在铸造的实际条件下发生的可能性较小，程度也较轻微，故对型壳状态的影响不大。SiO2

在加热过程中发生多晶转化时体积发生变化的现象，对型壳的热稳定性影响较大。转化作用进行得愈迅速，体积变化愈快愈大，则热稳定性愈差。石英在高温下呈酸性，熔化温度为1713℃，当含有杂质时熔点降低。熔模铸造用的人造石英砂（粉），规定其SiO2

及有害杂质含量列于表3-2。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料石英砂（粉）适用于碳钢、低合金钢、铸铁及铜合金铸件。对于高锰钢及高合金钢铸件，含镍＜

10%，铬＜

20%或含有铝、钛、锰的合金钢铸件，由于铬、镍、钛、锰、铝等合金元素在高温下易与酸性SiO2发生化学作用，造成铸件表面麻点及黏砂缺陷，故不宜应用硅石材料。此外，在真空下浇注时，SiO2和耐热合金中的活性元素如Ti相互作用而产生下述反应，这些元素在高温下会与酸性型壳发生侵蚀作用：由于SiO2

蒸气的逸出，液体Si溶于金属液中，致使上述反应不断进行Ti损失很多。所以对此类合金在真空下浇注时，不能采用硅砂（粉）作为制壳耐火材料。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料应用硅酸乙酯水解液作黏结剂时，硅石粉中如无强碱金属氧化物（K2O、Na2O）存在，则碱土金属氧化物质量分数（CaO、MgO）允许达0.8%；但若再高就会降低硅酸乙酯水解液的稳定性，使涂料发生凝结。硅砂（粉）型壳的热震稳定性（耐急冷急热性）较差，其高温强度也比铝-硅系耐火材料型壳低；但此类型壳的残留强度低、脱壳性好且其价格低廉、资源丰富，故至今硅砂（粉）仍是国内熔模铸造生产中广泛应用的主要制壳材料之一。硅石粉尘对人体健康有害，会造成硅肺病，故应注意工作环境的除尘排气。石英砂（粉）熔模铸造通常采用人造石英砂（粉），要求：WSiO2

≥97%，面层硅砂的粒度为0.425mm、0.3mm、0.212mm、0.15mm，加固层用硅砂的粒度为0.6～1.0mm的硅砂粉，在0.075mm筛上的残留量≤

10%，在0.106mm筛上的残留量≤

5%。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料3.2.2电熔刚玉在2000℃～2400℃时将铝矾土在电炉内和碳反应，去除SiO2、Fe2O3

等杂质，熔融后制得结晶

Al2O3

称为电熔刚玉。纯

Al2O3

的熔点很高（2050℃），在此温度以下均处于稳定状态。与石英相比，刚玉的熔点高、相对密度大、结构致密、导热性好、热膨胀小且均匀，在由室温加热至2000℃其膨胀总量约为2%。刚玉属两性氧化物，但在高温下常呈弱碱性，有时也呈中性，对酸和碱的抵抗能力强，在氧化剂、还原剂或各种金属液的作用下，不发生变化。因此，用电熔刚玉比用石英制得的型壳，其尺寸稳定性、热稳定性及高温下化学稳定性均好。铝、锰、铁、硅、锡、钴及银等都不与它发生反应。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料因此，电熔刚玉可用作高合金钢、各种特殊耐热合金和镁合金铸件的制壳耐火材料，也可以用于制作陶瓷型芯。但目前价格较贵（约为石英砂的10倍），且来源较缺。熔模铸造用刚玉的技术规格：≥95%，≤0.25%，≤0.15%，≤0.6%，耐火度≥1850℃；颗粒材料的粒度要求与硅砂相同。目前刚玉仅用于铸造耐热不锈钢、超级耐热高温合金和表面质量要求较高的各类铸件。3.2.3铝-

硅系制壳耐火材料目前在熔模铸造中正在迅速地发展铝硅系耐火材料。铝-硅系耐火材料，由于具有耐火度高、线膨胀比石英及刚玉小、热稳定性和高温下化学稳定性较好，因此国外应用较多。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料我国这类材料主要有：高岭石类耐火黏土（生料及熟料）及高铝质耐火熟料（铝矾土熟料）。铝-

硅系耐火材料是以Al2O3

及SiO2

为主要组成的铝硅酸盐，随着Al2O3含量不同可依次分为半硅质（Al2O3含量15%～

30%）、黏土质（Al2O3

含量30%～

46%）和高铝质（Al2O3含量＞

46%）。除了主要成分Al2O3及SiO2外，还有少量其他成分，如Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O及K2O等，这些都称之为杂质。铝硅酸盐耐火材料的相组成是随化学组成而变的，而相组成对耐火材料的耐火性起着决定性的影响。图3-5是Al2O3

-SiO2二元系统平衡状态图，它表明了铝硅酸盐的理论相组成及其随化学组成和温度的变化状况耐火黏土有软质和硬质黏土两种。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料软质黏土属于半硅质耐火材料，结构疏松，硬度低，Al2O3含量低，杂质含量较多，吸水膨胀大，用它配制的涂料黏度大而不稳定，可用它代替部分硅砂粉配制水玻璃涂料。用这种涂料制得的型壳强度高，焙烧后可直接浇注。硬质黏土属于黏土质耐火材料，结构致密，硬度高，耐火度高，煅烧后成为多孔质材料，黏结剂可以渗透到孔隙中，故用它制得的型壳强度较高一些工厂用它代替硅砂粉配制耐火涂料随着材料中Al2O3

和SiO2

含量的不同，材料的组成也发生变化。高岭石（Al2O3·SiO2）是高岭土的主要成分，其理论组成是Al2O339.48%、SiO246.6%及H2O13.92%，它经高温（1250℃

～1400℃）煅烧成耐火熟料，其主要组成为莫来石和少量方石英，是一种线膨胀率很低的优良制壳耐火材料。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料硅线石（Al2O3·SiO2）的理论组成为Al2O362.9%、SiO239.1%，加热时线膨胀值小而均匀。在我国硅线石储量少，故少采用。莫来石（3Al2O3·2SiO2）也称高铝红柱石，其理论组成为Al2O371.8%、SiO228.2%，它的熔点高达1810℃，线膨胀率比刚玉还小，在加热过程中无同索异晶的变化，高温化学性能稳定，所以它是一种优良的耐火材料。但莫来石的天然矿物少，可用高岭石、硅线石、铝矾土等煅烧而得。铝矾土是一种含Al2O3较多的高铝质硅酸铝耐火材料，含Al2O350%～

90%，其余为SiO2，也含有微量杂质如Fe2O3、TiO2、CaO、MgO等。它经煅烧后使用，其矿物组成是莫来石和刚玉。所以铝矾土的热膨胀小，热稳定性和耐火度高，制得型壳的高温强度和低温强度也大，对人体的危害比石英小，价格便宜，来源丰富，所以用铝矾土制造型壳，得到广泛发展。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料耐火黏土目前在我国熔模铸造中有两种使用情况：一种是把它经高温煅烧成耐火熟料，经破碎筛分，作为制壳耐火材料；另一种通常采用硬质黏土，经高温焙烧去除有机物质及结晶水，用它代替一部分石英粉配制水玻璃涂料。用此种涂料制得的型壳强度较高，无需填砂造型，经焙烧后即可直接浇注金属。Al2O3含量高的耐火黏土约含

Al2O344%、SiO44%，经烧后的矿物组成主要为莫来石和石英。因它是一种多孔质的材料，黏结剂可渗透到孔隙中去，故用它制得的型壳强度较高。一些工厂用它替代石英粉配制耐火涂料。图3-6为几种耐火材料的热膨胀曲线，由此图可见石英的热膨胀最大，且不均匀，而石英玻璃的热膨胀最小，而且均匀。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料3.2.4锆砂锆砂又称硅酸锆，是天然的矿物材料。其分子式为ZrO2–SiO2

或ZrSiO4，理论组成（质量分数）为ZrO267.23%、SiO232.77%。它主要是酸性火成岩风化后，其母岩中锆英石随石英、铝矾土、独居石、铁铁矿、金红石、石榴石等冲至河床或海岸上形成的沉积矿床。因而天然锆石中总含有杂质。美国、澳大利亚、南非、肯尼亚、俄国、中国、埃及、印度和巴西等国均产锆砂，但优质矿源主要分布在美国、澳大利亚和南非。锆砂是一种末经深度加工的天然矿产材料，所以它的化学成分和纯度首先决于矿源和选矿处理。锆砂属四方晶系，密度变动范围较大3.9～4.9（g/cm3），莫氏硬度7～8，导热系数较大，热膨胀系数较小（46×10–71/℃），高纯度时其热化学稳定性好，是一种优质的制壳材料。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料锆砂主要被用于熔模型壳面层中，亦可用于过渡层中，作为涂料中耐火粉料和撒砂材料。锆砂中的杂质即有机物、水分、各种金属及其氧化物（如Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O、K2O）等，它们对涂料和铸件质量均有很大的影响，应严加限制。这些杂质会与涂料中黏结剂、添加剂及其他耐火材料反应，造成涂料PH值改变，黏结剂絮凝或聚沉，使涂料老化加速。同时，锆砂常作为面层涂料，要直接与金属液接触。锆砂的分解温度是较高的，但有杂质存在时，其分解温度将大为降低。如含K、Na氧化物时，分解开始温度可降为900℃；含Ca、Mg氧化物时，分解温度降到1300℃。分解出来的SiO2

为无定形的，具有很高的活性，能与金属液中一些元素发生化学反应，形成“麻点”等缺陷；Fe2O3

和自由铁则会造成孔洞类缺陷。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料美国熔模铸造用锆砂的化学成分中杂质限量是很严格的，Fe2O3

的质量分数仅允许0.03%，而我国标准允许为0.3%，相差十倍之多。熔模铸造用锆砂为天然锆砂，粒度为0.053mm一般用于配制表面层耐火涂料。由于锆砂的密度大，涂料容易沉淀，有时需要加入适量的优质黏土或其他悬浮剂以改善涂料的悬浮性。3.2.5熔融石英熔融石英是用天然高纯度二氧化硅经电炉在高于1760℃以上温度熔融，随后快速冷却而制得的。此过程将晶型SiO2

转变为非晶型的玻璃熔体，又有透明和不透明两种。熔融石英熔化温度约1713℃，导热系数低，热膨胀系数几乎是所有耐火材料中最小的，因而它具有极高的热震稳定性。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料所以，在焙烧和浇注过程中熔融石英型壳很少因温度剧变而破裂，是理想的熔模铸造制型、芯的耐火材料。其抗压、抗拉、抗弯强度均很高。当熔融石英中含气泡、夹杂、熔融不足以及存在残留应力时，力学性能均会显著下降。熔融石英在熔点以下处于介稳定状态，在高温下会逐渐转变为

方石英，称为析晶。透明的熔融石英从1200℃，不透明的熔融石英从1100℃开始析晶，分别在1630℃和1525℃时析晶速度达到最大值。杂质含量、分散度、温度、保温时间都会影响析晶速度。随着析晶发生，材料会有体积变化。熔融石英在国外已被广泛用于各种合金的熔模铸件生产中，可作为面层或背层涂料用的耐火粉料，以及撒砂材料，并用于陶瓷型芯中。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料据报道，2001年美国熔模铸造业用于制壳的各种耐火材料所占比例为：铝-硅系耐火材料占55%、熔融石英占30%、电熔刚玉占9%、锆砂占6%。有人比较了熔融石英与铝-硅系耐火材料，认为使用熔融石英会部分或全面提高型壳性能。如熔融石英热膨胀系数小，有利于防止型壳在脱蜡和熔烧过程中开裂、变形，利于确保铸件尺寸稳定。熔融石英纯净度高，则所配涂料稳定性好；所制型壳与陶瓷型毖有更好的相容性；虽然型壳湿强度和断裂指数稍低于硅酸铝型壳，但型壳高温抗蠕变能力较强。熔融石英温度较低时的导热性较差，同时热容量小，仅为锆砂的一半，而且大多数金属液对它的润湿性较差，使得金属凝固层与型壳内表面间易产生间隙，热导率进一步减小，有利于薄壁铸件充型。但在高温下熔融石英的透明度高，能通过辐射传热，使其导热能力超过硅酸铝类型壳从而使铸件冷却较快，更易获得健全铸件。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料熔融石英在高温下会转变为方石英，铸件冷却时方石英又从高温型转变为低温型，同时体积产生骤变，使型壳出现无数裂纹，强度剧降，有利于脱壳进行。同时，熔融石英为酸性，能采用碱煮、碱爆等化学清砂方法去除型壳。综上所述，熔融石英型壳近年来在美国使用量增加。由于熔融石英价格较贵，更适合由于生产精密昂贵铸件。熔模铸造用熔融石英，其中SiO2

所占的质量分数应为99.5%；配涂料用的粉料最好是270目或320目，细粉占50%（质量分数）、200目和120目粉各占25%（质量分数）。3.2.6其他耐火材料其他耐火材料主要有铝酸钴和硅酸钴，它们能细化金属晶粒及提高金属的抗冷热疲劳和抗机械疲劳的性能。上一页下一页返回3.2制壳耐火材料细化金属晶粒工艺常用于涡轮叶片等高温合金的熔模铸件中。其细化晶粒的原理是它们在高温下与铁基、钴基或镍基合金中的活性兀索发生作用，还原出金属钴，而金属黏结构与高温合金的基体非常相近，都是面心立方，晶格常数皆为3.5×10–10m左右。因此，高温合金基体相便在金属钴上结晶生成，故使铸件表面晶粒极为细小。试验表明，纯的铁、镍、钴金属的铸件表面不会被铝酸钴所细化，只有在铁、钴、镍基合金中含有Cr、Al、Ti、C等活性兀索时，铝酸钴才能使铸件表面晶粒细化，以Al为例，其反应式为：CoAlO4+2/3Al—→Co+4/3Al2O3熔模铸造工艺中通常是在表面层涂料中加入一定量的晶粒细化剂。许多Fe、Co、Ni的铝酸盐和硅酸盐以及它们的氧化物都能作为晶粒细化剂，但铝酸钴（CoAl2O3）和硅酸钴（CoSiO4）的效果最稳定。上一页返回3.3制壳黏结材料熔模铸造中所用的黏结材料有硅酸乙酯、水玻璃和硅酸溶胶等，其中水玻璃黏结剂应用比较广泛这类黏结剂都以硅酸胶体起黏结作用。3.3.1硅酸乙酯黏结剂对于重要的合金钢铸件和陶瓷型芯多用硅酸乙酯配制涂料。它是由四氯化硅和乙醇相互作用而得的聚合物。用硅酸乙酯黏结剂配制的涂料涂挂性好，型壳强度大，热变形小，获得铸件的精度高，型腔表面光洁。所以多用于生产重要的合金钢（如镍、铬、钴基高温合金及含镍、铬较高的不锈钢、耐热钢）铸件、其他表面质量要求较高的铸件和陶瓷型芯。国内生产的硅酸乙酯中SiO2

含量（质量分数）一般在30%～

34%，故称硅酸乙酯32（32代表硅酸乙酯中SiO2

的平均质量分数）。国外广泛采用的是硅酸乙酯40，SiO2

质量分数为38%～42%，黏结力强。下一页返回3.3制壳黏结材料硅酸乙酯只有在水解后才能起黏结作用，即在使用前用水解溶液来配制涂料。水解时的用水量是影响黏结剂的质量和型壳工艺性能的主要因素。如果参与水解的水量不够，会生成不完全水解产物，用这种水解液制造的型壳不易硬化，型壳上易发生鼓胀、分层等缺陷。只有参与水解的水量足够时，才能生成硅酸（nH2O·mSiO2）和乙醇，即硅酸在乙醇中的溶液。硅酸中n/m的比值与参与水解的水量有关，生产上认为，n/m=0.25、0.1、0.75比较适宜。当n/m=0.5时水解液的性能最好，制出的型壳干燥速度较快，强度较高，解液性能稳定。当室温和湿度较高时，可采用n/m=0.26的水解液，而当室温和湿度较低时，可采用n/m=0.76的水解液。水解时要用工业蒸馏水，因为天然水和自来水中含有一定的矿物质会恶化水解液的质量。上一页下一页返回3.3制壳黏结材料硅酸乙酯与水互不溶解，呈分层状，如果单独把它们放在一起，水解反应很难在整个体系内均匀进行，在硅酸乙酯不能与水充分接触的地方，会形成不完全水解产物；各部位因参与水解的水量不同，会生成不同组成的硅酸。如此得到的水解液质量极差，而且水解速度极慢。但硅酸乙酯和水都能溶解于酒精（乙醇）或丙酮中，所以常用酒精作为溶剂，使水与硅酸乙酯均匀接触，加速水解反应的进行，并能保证硅酸胶体均匀地溶解在水解液中。酒精的用量应按规定的水解液中所含的SiO2

而定，水解液中SiO2

的质量分数一般为16%～

20%，以18%为最佳。以此水解液作黏结剂，制壳时黏结剂的渗透性好，型壳强度高，黏结剂放置时间长。为了加速硅酸乙酯的水解过程，在水解液中需加入催化剂。催化剂可用盐酸，水解液中盐酸的质量分数一般可取0.300.铸件的轮廓尺寸较大时可取0.3%～

0.4%，铸件轮廓尺寸较小时可取0.2%～

0.3%。上一页下一页返回3.3制壳黏结材料为了中和涂料中耐火材料所带入的碱金属、碱土金属氧化物、氧化铁等杂质，有时可向水解液中加入质量分数为0.4%～0.5%的硫酸。为了增大型壳的塑性，防止高温焙烧和浇注时型壳开裂，可在水解液中加入质量分数为0.3%～0.4%的硼酸。硅酸乙酯水解液配方可用计算法、图解法等确定。3.3.2水玻璃拈结剂硅酸乙酯是一种较贵的化工产品，所以人们很旱就开始改用水玻璃配制熔模铸造用的涂料。但水玻璃中的Na2O在高温时能与型壳中的SiO2

形成低熔点化合物，所以水玻璃型壳容易变形、开裂，用水玻璃型壳浇注的铸件尺寸精度和表面粗糙度都较差。上一页下一页返回3.3制壳黏结材料水玻璃黏结剂适用于小型和普通钢铸件及非铁合金铸件。熔模铸造用水玻璃，通常控制在模数为3.0～3.2，密度为1.27～1.32g/cm3

范围内。3.3.3硅溶胶拈结剂硅溶胶是用水玻璃经离子交换处理，除去Na一和其他杂质后浓缩而成，是一种硅酸水溶液，也称硅酸溶胶。其价格比硅酸乙酯低1/3～1/2，所获得的铸件质量比水玻璃黏结剂有很大提高。硅溶胶稳定性好，可长期存放，制壳时不需要专门硬化剂，型壳高温强度比硅酸乙酯型壳好，硅溶胶对熔模的润湿性差，硬化时间较长。配制涂料时，硅溶胶需用酒精或水进行稀释，使SiO2

的质量分数在20%～

24%，黏度≤8×100m'/s。上一页下一页返回3.3制壳黏结材料酒精既能降低硅溶胶的表面张力，改善涂料对熔模的润湿性，又易挥发，可加快型壳的干燥速度，故大多数工厂都用酒精作稀释剂。但酒精的加入量（质量分数）如超过25%～

30%，硅溶胶的稳定性会急剧下