熔融石英的性能特点和使用文档格式.docx
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Al2O3
两性
2030
9
3.99~4.0
86
12.560②
在热碱条件下反应很差
莫来石
3Al2O3·
2SiO2
6~7
2.7~2.9
54
1.214②
在热碱条件下有轻微反应
灰色到棕黄色
高岭石
熟料
弱酸性
1700~1790
~5
2.4~2.6
50
-
锆砂
ZrSiO4
<
1948
7~8
4.5~4.9
46
2.094③
在热碱条件下有中等反应
白色到棕黄色
氧化锆
ZriO2
碱性
2600
5.7
60
①为0℃~1200℃间的膨胀系数平均值。
②400℃的热导率。
③1200℃热导率。
熔融石英及制品有三大特点:
在所有耐火材料中,线膨胀系数最小(在1000℃的热胀率0.05);
热导率最低,在1000℃热导率0.836W/(m·
K)(0.02cal/cm·
s·
℃);
抗热震性最好(在1200℃~水冷的抗震性),10次都不产生裂纹。
2、熔融石英涂料配制使用操作工艺
(1)本操作工艺适用于硅溶胶,制壳的表面层或过渡层。
(2)本工艺使用的硅溶胶同锆英粉涂料即SiO230%。
(3)本工艺操作中的润湿剂,消泡剂同锆英粉涂料。
(4)本操作中使用的流杯粘度计为詹氏(Zahn)5#杯,出口孔径为Φ5.28mm。
(5)涂料配制:
1、熔融石英粉的配制,320目(网号:
0.044)275目(网号:
0.052)200目(网号:
0.076)120目(网号:
0.125)熔融石英粉中的SiO2的质量分数为99.5%以上。
其中:
320目占50%,200目占25%,120目占25%,百分数的计算为质量分数,即重量比例。
2、涂料粘度为50~60秒,严格控制不得低于50秒,60秒时是最佳粘度。
它可获得最好的表面光洁度铸件;
用于生产碳钢或430系列时粘度可以降到40秒。
(6)挂砂:
1、用熔融石英砂80~100目(50~100目)50%,用刚玉砂80目,50%。
2、用熔融石英砂80~100目(50~100目)100%,(50~100目)
3、用刚玉砂80目100%。
以上3种挂砂都可以采用,只是铸件根据的不同,结合表面质量在生产现场机动操作。
(7)注意事项:
1、涂料配制严格控制比例,不得有随意性,严格现场的操作跟踪。
流杯粘度测量要准确,每次做面层前必须测量粘度。
2、需要做二层面层时,第二次即过渡层时,涂料粘度为28~36秒。
3、表面制壳技术是认真、细致的操作技术,要保证涂料厚度均匀一致,否则会生产出有渗透性或麻点的铸件。
挂砂重力相对一致均匀,面面俱到。
4、熔融石英湿膜情况下的面层在不同粘度下的厚度为:
50秒粘度为0.2mm,40秒粘度为0.18mm,30秒粘度为0.15mm,20秒粘度为0.12mm。
5、熔融石英砂:
50~100目为国家标准网号的0.325~0.15号,筛孔尺寸为ASTME11-70的0.3~0.15mm。
6、第二层的挂砂可同原锆英粉面层工艺时的操作一致,也可用30~50目(筛孔尺寸0.6~0.3mm)的熔融石英砂。
3、熔融石英——制壳耐火材料新秀
熔融石英在精铸中应用虽然已有相当长的历史,但以往主要用作陶瓷型芯,用作型壳则主要用于面层,背层很少使用。
这种状况近10年来在美、欧各国有很大改变。
2001年美国著名耐火材料生产厂商Minco公司,公布了对美国熔模铸造企业制壳耐火材料使用现状的调查统计数据,各种耐火材料消耗量所占比例(质量分数)大致如下:
铝-硅系耐火材料55%;
熔融石英30%;
刚玉9%,锆石6%。
可见在美国精铸业中,熔融石英异军突起,现已是仅次于铝-硅系材料,远远超过锆石等其他耐火材料,迅速成为制壳耐火材料的新秀。
1、熔融石英与铝-硅系材料的比较
2000年MincoInc.在美国第48届精铸年会和INCAST杂志2001年第3期上发表论文,对熔融石英和铝-硅系耐火材料进行了全面的分析对比。
1.1型壳质量
熔融石英密度为2.2g/cm3,铝-硅系材料为2.7g/cm3,,故同样厚度型壳,前者质量明显小于后者,有利于减轻工人劳动强度和机械手操作。
1.2热膨胀率
图1和图2所示分别为脱蜡和焙烧过程中,这2种材料热膨胀率的比较。
热膨胀系数小是熔融石英的一个很大的优点,有利于减小加热时型壳内外因温度差造成的热应力,因而有利于防止脱蜡和焙烧过程中型壳开裂和变形。
同时,对提高铸件尺寸精度也甚为有利。
所以,铸造尺寸公差要求严格的产品,就更适合采用熔融石英。
1.3力学性能和透气性
表1所列为2种材料制得型壳的力学性能和透气性比较,结果显示,湿强度(抗弯强度)和断裂韧度,熔融石英型壳稍低于铝-硅系型壳,但透气性却远高于铝-硅系型壳。
表1熔融石英和铝硅系材料型壳性能比较
型壳材料
熔融石英粉+30#/50#熔融石英砂
莫莱卡特粉+16#/30#莫莱卡特砂
熔融石英粉+16#/30#莫莱卡特砂
试样厚度/mm
7.40
7.24
7.90
孔隙率/%
24.6
23.2
24.0
断裂载荷/N
23.0
20.9
20.3
室温抗弯强度/MPa
3.98
4.11
3.37
断裂韧度/MPa
5009
5299
4223
断裂指数
0.0167
0.0166
0.0155
透气性/(10-10cm2)
18.3
8.6
18.2
1.4高温抗蠕变能力
当采用熔融石英撒砂代替铝-硅系材料时型壳高温抗蠕变能力提高(见图3)熔融石英在高温下(约1200℃)结晶化转变可作为这种现象的一种解释(见图4)。
1.5脱壳性
容易脱壳和清理是熔融石英迅速崛起的最重要原因。
不同材料型壳残留强度试验结果见表2。
可见熔融石英型壳残留强度大大低于铝-硅系材料。
这是因为熔融石英大约在1200℃高温下会转变为方石英。
实践证明,在浇注温度下,型壳中大约有70%熔融石英转变为方石英。
当型壳温度下降至300℃左右,方石英又由高温型转变为低温型,同时体积骤变(见图4)无数裂纹随之产生,型壳强度剧降,于是,脱壳性大为改善。
此外,对于全铝-硅系型壳来说,如采用碱煮、碱爆等化学清理方法,碱溶液只能溶解粘结剂中的二氧化硅,对耐火粉、粒料却无能为力。
但对熔融石英型壳来说,无论粘结剂还是耐火材料,碱都有强烈的腐蚀作用。
试验表明,在质量分数为50%的KOH熔液中沸腾碱煮,全熔融石英型壳经109min就大部分溶解,而铝-硅系耐火砂、粉则看不出有什么变化。
所以,采用熔融石英,有利于碱煮、碱爆等化学清理。
减少耗碱量,提高效率。
表2熔融石英和铝-硅系型壳残留强度对比
MPa
型壳系统
1037℃保温1h焙烧
1204℃保温1h焙烧
熔融石英料+30#/50#熔融石英砂
11.8
13.6
铝-硅料浆+16#/30#铝-硅砂
42.6
65.2
熔融石英料浆+16#/30#铝-硅砂
31.4
34.6
1.6充型难易
当温度低于600℃时,熔融石英热导率较铝-硅系材料差(见图5),而比热容又只有锆石的一半,这些因素都有利于薄壁铸件的充型。
但温度高于600℃,由于熔融石英透明度高(夜间浇注时,甚至可透过型壳看见其中流动的钢液),因此辐射散热快,铸件冷却快,更容易获得健全致密的铸件,这对于铸造铝合金薄壁件甚为有利,但同时也会使铸件产生裂纹的趋向增加。
与铝-硅系耐火材料比较,尽管熔融石英有着上述诸多优点,但毕竟价格较贵,是否采用,各厂可自行权衡。
如何使用,是用于面层,还是用于背层;
是单独用,还是与其他材料混合用;
是用粉料,还是用作撒砂料;
都需要根据具体情况,才能获得最佳效果。
2、熔融石英和锆石的比较
JerryD.发表于2002年美国第50届精铸年会的论文,对用于精铸面层的2种主要耐火材料——熔融石英和锆石进行了全面的分析对比。
2.1锆石的优缺点
2.1.1锆石的优点
(1)锆石粉粒度分布宽,一般无需级配,配制成的涂料浆流变性就很适合涂挂,涂料覆盖性、流平性均属一流。
此外,由于密度大,空料时涂料浆流淌快。
(2)锆石砂粒形好,多为球形(见图6),流动性好,容易充填蜡模上的孔洞、凹槽等不易充填的部位,很适合作为面层撒砂料。
2.1.2锆石的缺点
(1)经常发生周期性货源短缺,供应紧张,价格较贵。
(2)由于锆石是天然矿产,所以含有某些有机物和其他杂质在所难免。
其中有的(特别是Fe2O3、磷酸钙等)会和涂料中的粘结剂、添加剂或其他耐火材料反应,造成涂料浆PH改变而迅速老化变质,铸件表面也容易出现硅酸铁黑褐色斑疤或丘疹。
(3)由于环保法规越来越严格,近来,美、欧各国普遍更加关注锆石中放射性元素可能造成的环境问题,这又可能使其价格进一步攀升。
2.2熔融石英的优缺点
2.2.1熔融石英的优点
(1)熔融石英的价格比锆石便宜,加上密度又比锆石低得多(前者2.2g/cm3,后者4.7~4.9g/cm3),所以,用熔融石英代替锆石,可降低制壳成本。
(2)熔融石英原材料经过精选,再经电弧重熔,并剔除方石英,因此杂质少,纯度高(见表3)。
所以涂料浆稳定性向来不成问题。
实践证明,熔融石英—硅溶胶涂料稳定性通常可长达1年以上。
表3美国Minco公司制壳用熔融石英粉的化学成分(%)
ωB
Fe2O3
TiO2
K2O
CaO
Na2O
>
99.7
0.17
0.035
0.025
0.012
0.0075
0.005
(3)高温晶化,低温相变,使铸件表面容易清理干净。
2.2.2熔融石英的缺点
(1)粉料粒度分布范围窄,再加上密度小,不利于涂料流淌、滴落;
由于熔融石英涂料浆透明度高,使操作者难于识别涂料厚度和均匀程度。
(2)作为面层撒砂,熔融石英砂粒形为多角形(见图6),再加上密度小,容易架桥,形成浮砂。
2.3应用熔融石英应注意的一些问题
采用熔融石英作面层耐火材料需要特别注意它的适用范围。
从热力学角度考虑,在高温条件下,某些金属和合金元素会和二氧化硅反应,例如,航空结构件的重要合金材料IN-718中,铌就会与二氧化硅起反应,置换出硅而污染合金。
许多高温合金中都含有的铝、钛等活性元素,或铪、锆和镧等强化元素,以及铝-锂合金中的锂等,在浇注温度下也都有和二氧化硅反应的可能性。
但从动力学角度考虑,还存在一个反应速度问题。
用熔融石英粉配制面层涂料,浇注普通碳钢和低合金钢最安全和保险。
也可以适当比例和锆石粉混合,浇注不锈钢。
但对于含有钛、铌等高活性元素的不锈钢应慎用。
一些精铸厂家认为,由于熔融石英的主要化学成分是SiO2,用它作为面层材料浇注不锈钢,可能会催生黑色硅酸铁麻点或斑疤。
铸件表面一旦出现此类缺陷,防止钢液和铸件氧化是有效地应对措施。
但值得一提的是,由于在浇注温度下,锆石也很容易分解成ZrO2和SiO2,所以,即使采用锆石作面层材料,此类缺陷也同样时有发生。
改用刚玉作面层材料才是较为彻底的解决办法。
三、国内推广应用熔融石英的迫切性和现实性
3.1熔融石英的家和和性能优势
目前,由于种种原因,锆石正面临周期性货源短缺,供应紧张,价格一路飙升,令许多精铸厂家叫苦不迭。
采用硅溶胶粘结剂后,型壳残留强度偏高,脱壳性差,难清理,许多铸件不得不增加化学清理工序,又造成新的环境问题,令人头痛。
然而,国外早已相当流行的制壳材料熔融石英,国人却几乎无人问津,这不能不说是跟普遍存在的一个认识上的误区有关,这就是将制壳用和制芯用熔融石英(又称石英玻璃)混为一谈,总认为它的价格贵,无法承受。
其实不然,尽管二者之间无论化学成分和晶体结构无异,但由于对型芯的耐火度和化学稳定性的要求比型壳严格,所以,对杂质含量(特别是Bi、Ag、Sb、Sn、Pb、Zn等)的要求大不相同。
对照表3和见表4所列数据,就不难看出这点。
正因为如此,二者价格相去甚远。
目前,制壳用熔融石英,国内市场价为3000~4000元(人民币)/t,国外市场价也不过7000元(人民币)/t左右,比锆石低得多,加之其密度小,如能代替锆石,经济效益不言而喻。
如能换来铸件脱壳、清理的优质高效,用作背层材料也不失为一种选择。
况且为了改善脱壳性,也并不一定非要使用全熔融石英型壳。
表4制芯用熔融石英(石英玻璃)的化学成分
%
MgO
Bi、Ag、Sb
Sn、Pb、Zn
99.8
0.25
0.5
0.06
0.05
0.02
0.01
0.001
0.015
注:
表中数据适用于普通真空熔铸硅基陶瓷型芯。
3.2熔融石英制壳工艺特点
近来国内某些精铸生产厂家的试验和实践证明,使用熔融石英型壳,脱壳性确实明显改善,容易清理,代替锆石经济效益显著。
此外,型壳容易充型,浇注碳钢铸件还有利于防止表面脱碳。
与此同时,也存在以下问题值得注意。
(1)由于粉粒粒形为多角形,密度小和其他一些原因,熔融石英配成涂料的流变行为不理想,流淌性、覆盖性等均不如锆石粉,粉液比也不易达到期望的水平。
由于熔融石英透明度高,涂挂模组过程中,操作者不易判断涂层厚薄和均匀程度。
这些问题可考虑通过以下途径解决:
①改变搅拌方法,先快搅,后慢搅。
合理级配粉料粒度。
对此,美、欧各国进行了大量试验研究,认为熔融石英粉与硅溶胶配制涂料时,较适合的粉料级配是270#或320#细粉50%,200#和120#粉料各占25%。
涂料浆中加入少量钛白粉,以降低涂层的透明度。
④采用聚合物增强硅溶胶,并添加少量改善流平性的附加物。
由此可见,推广应用熔融石英,还需要得到粘结剂生产厂商的大力支持和密切配合,国外也常有熔融石英与某种合适的粘结剂捆绑销售的做法。
(2)作为面层撒砂材料,由于熔融石英砂粒形为多角形(见图6),不利于蜡模上精细部位的充填,再加上密度小,砂粒容易架桥,形成浮砂,处置不当,浇注时容易造成钢液渗漏。
对此,可适当减小撒砂粒度,用70#/120#砂代替50#/100#砂;
目前国产熔融石英砂中,粉尘含量高(见图7),也是产生浮砂的重要原因。
不难看出,制订精铸用熔融石英砂/粉的产品质量标准也是当务之急。
采用聚合物增强硅溶胶,也有利于减少浮砂。
(3)温度/湿度变化对涂层干湿状态的影响,比其他耐火材料更为敏感。
因此,对上述工艺条件的控制要求更严格。
(4)由于熔融石英在1200℃附近转变为方石英,随后,冷却至300℃左右产生相变。
所以,型壳焙烧后应尽快浇注。
如果工艺要求必须二次焙烧,则焙烧温度务必低于1000℃。
(5)由于熔融石英热膨胀系数小,铸件尺寸可能会变小。
综上所述,熔融石英用在背层材料,在技术上难度较小,用作面层材料,则需要下点功夫。
熔融石英作为一种制壳材料,在我国推广应用,尚属新生事物,需审慎从事,一切通过试验,防止大起大落。
附件一、硅石的技术条件见表1
附件二、硅石的分类和特性见表2
表1硅石技术条件(YB2416-1981)
级别
化学成分/%
耐火度/℃
吸水率/%
备注
特级
≧98
≦0.5
≦0.4
≧1750
≦3.0
耐火度和吸水率,如供方可保证达到标准要求,一般不作两项指标
一级
≧97
≦1.0
≧1730
≦4.0
二级
≧96
≦1.3
≧1710
表2硅石的分类和特性
工艺分类
岩石分类
主要产地
矿物组成
石英晶粒/mm
转化性能
制砖适应性
结晶硅石
脉石英
吉林江密峰
乳白色
石英为主,质地纯净,有的夹有红色或黄褐色水锈
SiO299%
很大,大于2
特慢转化
因难转化,制砖时废品率可能高
石英岩
河南铁门、辽宁石门
灰白、浅灰色
石英为主,有的含有黏土、云母、绿泥石、长石、金红石赤铁矿、褐铁矿等
SiO2大于98%
0.15~
可制各种硅砖
我国各地的硅石多属此类型
胶结硅石
石英砂岩
淡黄、淡红色
石英为主,含量90%以上,少量长石、云母;
胶结物为硅质
SiO295%以上,混有一定杂质,Al2O31%~3%;
R2O1%~2%
粗粒(1~0.5)到细粒(0.25~0.1)
制造一般砖
燧石岩
山西五台山
赤白、青白
基质为玉髓,其中含有脉石英晶粒,有的含有氧化铁、石灰石、绿泥石
SiO295%以上
0.005~
快速转化
是硅质岩的一种
硅砂
石英砂
广东珠海
黄褐色
石英为主,含量95%左右;
长石等矿物5%左右
SiO290%以上,杂质Al2O3<
5%,
Fe2O3<
1%,纯度不定
较大0.5~
0.15
大多数用作捣打料,制一般硅砖
我国沿海地区有产出,如山东荣成