熔模精密铸造型壳耐火材料的合理选择Word下载.docx
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|{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（Al2O3≥98.5%）----棕刚玉（Al2O3≥95℃）
（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
ZrO2·
SiO2
（ZrSiO4）
Al2O3
·
2SiO2
2H20
H20
α-Al2O3
熔点
℃
2350
1713
1670
-1710
1750
-1787
1800
2030-2050
耐火度
2000
1680
1700
1580
-1900
≥1770
膨胀系数
X10-7
（1/℃）
（0-1200℃）
46
123
5
50
50-80
86
真实密度
g/cm3
4.5-4.9
2.6
2.02-
2.18
2.62-
2.65
3.1-
3.5
4.0
硬度
莫氏
7-8
7
6-7
1-2
-5
9
传热系数
w/m2-k
2.094
（2000℃）
0.558
（1500
-1400℃）
1.549
（1200℃）
5.276
化学性质
弱酸性
酸性
主要化学成分
%
ZrO265-66
≥98
SiO2≥99
25-32
35-48
48-90
≥98.5
杂质
含
量
Fe2O3
≤0.1
≤0.05
1.0-4.0
0.6-1.2
Cao+MgO
0.05-0.1
≤1.0
≤0.5
1.0-3.0
<
0.7
Na2O+K2O
0.3
≤0.7
Na2O
≤0.6
矿物组成
ZrO2
固熔体
及石英
+
少量石英
+少量石英
+水铝石
水铝石
100%
物相组成
ZrSiO4
+SiO2
低温型
β石英
（常温下）
非晶型
熔体
玻璃相
莫来石
+方石英
+玻璃相
刚玉质
煅烧温度
/
生料或
轻烧
（800-900）
1250-1350
1500-1700
2000-2400
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1.0～1.5吨（大件～小件）。
水玻璃型壳多为生产1～100kg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850℃～900℃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:
⑴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JSⅡ-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
FeO%
0.005
0.010
0.05
0.10
不同加工方法生产的耐火砂粉料FeO%含量表三
白刚玉
A
0.0011
0.0012
B
0.0005
0.017
0.0643
C
0.0253
0.070
0.0057
0.0642
0.027
0.3106
注：
1．A、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Φ30-50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。
⑵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ω<
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ω〉0.5%，一般在1-3%之间（煤矸石因含一定量之“煤”，其ω〈1.0%为宜）。
曾将充分煅烧之高岭石按此法测定ω=0.3%而未煅烧彻底的高岭石则为ω=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）。
⑶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。
⑷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（ρ=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ω%（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ω%，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
ρ（g/cm3）
粘度
X10-3Pa.5
温度
30±
1%
0.5
1.21±
0.01
3-8
15-20
标准水玻璃技术指标表五
模数
M
22±
1.0
7.0±
0.1
1.280
22-32
3.1-3.4
2．表面层涂料工艺性能要求值表六
涂料
工艺
性能
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）
ηΦ（s）
（粘度）
δ（mm）
涂层平均厚度
锆英粉-硅溶胶
3.8-4.5
50-54.2
35-45
（ηΦ4）
0.08-0.09
石英粉-水玻璃
1.2-1.4
36.9-40.3
（ηΦ6）
0.2-0.25（＜10kg）
0.25-0.35（＞10kg）
白刚玉粉-水玻璃
1.9-2.2
38.4-42
37.3-38.5
30-35
（35-45
①ηΦ4—美国詹比粘度杯4#（44ml,Φ4.27孔）
ηΦ6—中国标准粘度杯（100ml,Φ6孔）
②涂层重又称涂片重：
60×
2mm
（长×
宽×
厚）不锈钢片，美国ICI标准。
G
③δ=---------×
10式中：
S—涂层表面积（76.8cm2）
S×
ρ
3．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%），ηΦ及δ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ω%，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α，使型壳各层α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。
⑴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α值仅为5×
10-71/℃，远比锆英粉46×
10-71/℃小得多，在脱蜡、焙烧或浇注时就会由于α不匹配产生裂纹后改用精制石英（α=123）和熔融石英各50%则其α值为：
α=123×
50%+5.0×
50%）=64×
10-71/℃与锆粉α=46及高岭石α=50接近，因而消除了裂纹（生产了10万件304连接圈铸件）。
⑵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α由原50×
10-71/℃提高到α=123×
0.5+50×
0.5=86.5与白刚玉α=86相匹配，消除了型壳开裂缺陷。
⑶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。
0.6+50×
0.4=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。
⑴硅溶胶型壳：
①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。
②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。
⑵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）用优质高岭石砂粉，背层用铝矾土熟料，撒砂则应用高岭石砂（熟料）（Al2O3=40-46%），全铝矾土砂粉料在1000℃之前具有比高岭石高的强度及抗变形能力，而在1000℃以上时（浇注后背层常会超过此温度），其高温性能不如高岭石，因而撒砂料采用高岭石，不仅显气孔率高于铝矾土，型壳易风干易硬，而且Al2O3含量较低，脱壳性也高于全铝矾土壳，这是最优结合（图一及图二）。
Al2O3=60-70%的铝矾土（二等乙级）中口铝石含量8-31%，高岭石66-88%的Al2O3≥80%的高铝矾土水铝石高过85-76%，高岭石仅为8-28%，因而脱壳性差（型壳残留强度高）。
同时二等乙级铝矾土其二次莫来石含量最高型壳高温性能稳定，强度高，变形小（玻璃相含量低）（图三）。
图一图二图三
⑶复合型壳：
国内不少水玻璃型壳精铸厂为消除NH4Cl硬化剂氨气（NH3）危害，改用第1-2层用硅溶胶—锆英粉，型壳背层仍用水玻璃型壳（结晶氯化铝或氯化镁硬化），称之谓“复合型壳”，但不少这类工厂在背层或过渡层照搬硅溶胶工艺，也全部采用高岭石，由于水玻璃型壳粘结剂其硅凝胶致密度远不如硅溶胶，因而型壳高温强度比硅溶胶低得多（1/6.7），背层采用Al2O3=40-46%的高岭石其高温强度比用铝矾土（Al2O360-70%）也低，实际生产中在焙烧后（900-950℃），背层型壳强度偏低，壳损严重，漏钢率也较高，因而复合型壳其背层也应用二等乙级铝矾土，撒高岭石砂。
五．结束语
1．型壳耐火
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